Основные принципы и расчеты построения пневмолиний
Пневмолиния сжатого воздуха на предприятиях должна работать как полноценная и эффективная система, однако зачастую именно при проектировании и монтаж пневмолиний совершается огромное количество ошибок, из-за чего конструкция теряет эффективность и становится убыточной.
Задачи этой статьи – помочь избежать типичных ошибок при проектировании и монтаже пневмолиний, как следствие экономия Ваших средств.
Пневмолиния – система, служащая для снабжения сжатым воздухом рабочих зон предприятия. В ее состав входят: компрессор (центральная часть), ресивер, охладители, дренажные устройства для удаления влаги, фильтры для очистки воздуха, трубопровод, различные соединительные фитинги и арматура.
При выборе компрессоров зачастую возникает вопрос: приобрести один мощный компрессор и от него провести разветвленную сеть к разным потребителям, или на каждом рабочем участке установить свой небольшой компрессор. У каждой схемы есть свои преимущества и недостатки.
Централизованные установки:
- уменьшают потребление энергии;
- требуют меньше расходов на текущий контроль и техническое обслуживание;
- уменьшают необходимую площадь;
- отличаются легкостью в обеспечении шумоизоляции и подборе оборудования.
Система с несколькими децентрализованными компрессорами:
- позволяет создать более простую систему сжатого воздуха;
- резко снижает потери сжатого воздуха и оказывается более дешевой в эксплуатации;
- для каждого потребителя может быть установлен компрессор с необходимым давлением и производительностью;
- небольшие компрессоры не требуют фундаментов, что упрощает и удешевляет их установку и пуско-наладочные работы.
Решение в пользу централизованной или децентрализованной установки компрессоров лучше принять после детального анализа системы распределения воздуха: длины воздушной магистрали, возможности установки ресиверов, потерь давления, утечек, общего объема потребления и характера потребления сжатого воздуха отдельными частями производства.
Подготовки воздуха
Важнейший элемент любой пневмосети – это блок подготовки воздуха. Если сжатый воздух содержит загрязнения, вступающие в контакт с конечным продуктом или инструментом, вся продукция может оказаться забракованной, а решение сэкономить на оборудовании принесет только убытки. Поэтому качество воздуха необходимо контролировать. Для отделения влаги и пыли используют различные фильтры и осушители. После очистки воздух вполне пригоден для покрасочных работ, однако он непригоден для пневмоинструмента. Ведь для его нормальной работы в воздухе должно присутствовать определенное количество масла. Для этого перед участком с инструментами, требующими смазки, устанавливаются лубрикаторы – устройства для подачи масла в поток сжатого воздуха.
Подготовка воздуха включает в себя следующие элементы:
- Концевой охладитель – теплообменник, который охлаждает горячий сжатый воздух для выделения из него влаги. Располагается в компрессоре или сразу за ним;
- Ресивер, где происходит частичное охлаждение воздуха и отделение некоторого количества влаги и масла;
- Сепаратор, где за счет закрутки потока происходит отбой крупных капель масла и воды;
- Система из пылевых фильтров для улавливания разных по размеру частиц;
- Холодильный осушитель для удаления остаточной влаги;
- Маслоотделяющий фильтр, если используются масляные компрессоры.
Данная схема обеспечивает комплексную очистку воздуха от влаги, пыли и масла. Окончательную подготовку воздуха рекомендуется производить непосредственно перед потребителями. Для этой цели используются фильтры-влагомаслоотделители, регуляторы давления (для установки необходимого рабочего давления) и дозаторы смазки (лубрикаторы).
Каким факторам надо уделить особое внимание при построении пневмолинии?
Начать следует с выбора материала для трубопровода. Обычно применяют сталь, алюминий или пластик. Каждый материал обладает своими преимуществами и недостатками: стальные трубы отличаются прочностью и непроницаемостью для кислорода, но тяжелы и подвержены коррозии. Алюминий лишен этих недостатков, однако очень дорог. Пластик (используются различные его виды) удобен при создании мобильных пневмолиний, потому что пластиковый трубопровод можно легко нарастить или передвинуть. Однако велика вероятность его случайного повреждения, а также он сильно подвержен температурному расширению.
Крайне важно с самого начала установить трубы правильного диаметра. Давление в магистрали плавно убывает по всей ее длине. Сопротивление пневмолинии тем выше, чем меньше ее диаметр, и при его снижении стремительно возрастает.
Следующий важный пункт – уклон трубопровода. Установка труб под неправильным уклоном приведет к тому, что в них будет скапливаться конденсат, а это может привести либо к коррозии труб и поломке фильтров, либо к тому, что качество сжатого воздуха не будет соответствовать требованиям.
Вне помещения магистральные трубопроводы следует укладывать на глубине, исключающей промерзание почвы, с уклоном 0,5% и оснастить водоотделителями, расположенными также в незамерзающей зоне. Внутри помещения трубы прокладывают по стенам или потолку. Здесь основным требованием является удобство контроля, технического обслуживания и слива конденсата.
Для уменьшения падения давления длина шлангов-отводов должна быть минимальной. Знайте, что соединительные разъемы разных производителей не стыкуются между собой.
Для дальнейшего обслуживания и ремонта необходимо устанавливать запорные краны, чтобы иметь возможность оперативно отключать весь участок и проводить работы. Все тупиковые окончания пневмолинии должны быть оборудованы дренажами для отвода воды. Пневмолиния должна по возможности образовывать замкнутый контур – это уменьшает падение давления в наиболее отдаленных точках трубопровода.
Перед пуском системы в эксплуатацию необходимо проверить соответствие системы действующим требованиям техники безопасности. Воздухопровод следует испытывать на давление, в 1,3 раза превышающее нормальное рабочее давление воздуха.
1– компрессор
2– воздушный фильтр
3 – сепаратор циклонного типа
4– ресивер
5 – сливной кран ресивера
6 - предварительный фильтр с конденсатоотводчиком
7 – осушитель
8 – промежуточный фильтр с конденсатоотводчиком
9 – маслоулавливающий фильтр
10 – угольный фильтр
Выбор компрессора
Выбор компрессора – важнейший момент в установке пневмолинии. Чтобы приобрести оптимальный по типу и мощности компрессор, следует обратить внимание на некоторые критерии:
1. планируемый режим работы;
2. качество сжатого воздуха;
3. максимальное рабочее давление;
4. объемный расход воздуха.
Для непостоянной работы или если расчетное потребление воздуха меньше 1 500 л/мин, выгоднее приобрести поршневой компрессор, т. к. он значительно дешевле в эксплуатации. Для постоянной интенсивной работы лучше подходит винтовой. Он обладает высокой удельной мощностью, приспособлен к продолжительным высоким нагрузкам, мощнее и долговечнее, чем поршневой, однако на порядок дороже его.
Кроме того, следует учитывать, что компрессор может быть установлен в рабочей зоне только при условии, что уровень его звукового давления не превышает 85 дБ. Компрессоры с приводными двигателями мощностью более 100 кВт должны устанавливаться в отдельных помещениях, но установка устройства там, где оно будет плохо охлаждаться, приведет к быстрой его поломке.
Методика расчета при выборе компрессора
1. Расчет потребления воздуха:
G = G1×k1 + G2×k2 + … + Gn×kn,
где
G – общее потребление воздуха, л/мин;
G1, Q2, … Gn – потребление воздуха каждой единицей пневмооборудования, л/мин;
k1, k2, … kn – коэффициенты использования оборудования, показывающие, какую долю времени используется инструмент. К примеру, если инструмент работает 30 мин каждый час, то его коэффициент составит 30/60 = 0,5.
Предположим, на производстве имеется три потребителя воздуха: ударный гайковерт (расход воздуха 450 л/мин, рабочее давление 6,5 бар, коэффициент использования 0,2), шлифовальная машинка (расход воздуха 430 л/мин, рабочее давление 6,5 бар, коэффициент использования 0,6) и шуруповерт (расход воздуха 170 л/мин, рабочее давление 6 бар, коэффициент использования 0,3). Тогда общая потребность в сжатом воздухе составит:
G = 450×0,2+430×0,6+350×0,3 = 90 + 258 + 18 = 453 л/мин.
Иногда целесообразно иметь некоторый запас производительности, чтобы в дальнейшем при расширении производства и увеличении числа потребителей воздуха не пришлось менять компрессор. Увеличим полученный расход на 15%:
G1 = 453×1,15 = 520,95 л/мин.
2. Далее учитывается вероятность одновременной работы всего оборудования. Она определяется коэффициентом синхронности работы оборудования. Если вы используете один инструмент, то коэффициент синхронности равен 1, если 10 – то 0,71. Остальные значения занимают промежуточное значение. Для трех потребителей коэффициент синхронности составит 0,9. Таким образом:
G2 = 520,95×0,9 = 469 л/мин.
3. Значение производительности компрессоров отличается на входе и на выходе. Зачастую производители указывают входную величину, которая, естественно, больше реальной. Чтобы ее рассчитать и не ошибиться в выборе компрессора, необходимо использовать следующую формулу:
Gвх (л/мин) = G*b,
где
b – коэффициент запаса производительности, зависящий от класса компрессора и максимального давления.
Максимальное давление, требуемое потребителями, составляет 6,5 бар. К этому значению нужно прибавить падение давления на пути движения сжатого воздуха. Предположим, что общее падение давления на осушителе, фильтрах и трубопроводе не превышает 1,5 бар. Тогда подходит компрессор с максимальным рабочим давлением 8 бар. При этом давлении для профессионального класса компрессора коэффициент запаса производительности составит 1,5. Поэтому входная производительность компрессора составит:
Gвх = 469 ×1,5 = 703,5 л/мин.
Таблица для определения коэффициента запаса производительности b
4. Производим расчет объема ресивера по формуле:
V(л) = (Q*t*Кпр) / (60*ΔP),
где
ΔP – диапазон регулировки давления в ресивере (мин. значение – 2 бар);
t – допустимое время (сек), за которое давление в ресивере падает от максимального до минимального (рекомендуется от 30 сек и более в зависимости от требований к пневмосети);
Кпр – коэффициент производительности компрессорной головки (для одноступенчатых – 0,65, для двухступенчатых – 0,75).
Разница между минимальным и максимальным давление в ресивере составляет 2 бар, то есть при достижении давления в ресивере 6 бар компрессор включается в работу. При этом время, за которое давление в ресивере падает от максимального до минимального (время «отдыха» компрессора), принимаем равным 40 с, чтобы компрессор не перегревался и не работал на износ:
V(л) = (469*40*0,65) / (60×2) = 102 л.
Это минимальный объем рекомендуемого воздушного ресивера.
5. Для определения диаметра трубопровода учитываем потери от каждого «местного сопротивления» (фитинги, краны и т. д.) методом эквивалентной длины трубы. Иными словами, существуют зависимости, показывающие, сколько метров необходимо добавить к длине прямолинейного участка трубопровода при установке каждого фитинга, крана и т. д. Сначала по длине трубопровода и расходу воздуха из специальных таблиц выбирается первоначальный диаметр трубы. Далее производится подсчет всех фитингов и при помощи таблицы перевода определяется, насколько необходимо увеличить длину основного трубопровода. На последнем этапе повторно, с использованием уже новой длины проверяем, подходит ли выбранный нами диаметр. Если нет – следует увеличить.
Если у вас уже есть компрессор, который не обеспечивает ваши потребности, то:
1. Экспериментально определяем наименьшее значение t – время (сек), за которое давление в ресивере падает от максимального до минимального (время между остановкой и включением компрессора);
2. Рассчитываем реальное воздухопотребление по формуле:
G = (60×V×ΔP) / (t×Кпр),
где
V – объем ресивера (л);
ΔP – диапазон регулировки давления в ресивере (мин. значение – 2 бар);
Кпр – коэффициент производительности компрессорной головки (для одноступенчатых – 0,65, для двухступенчатых – 0,75).
3. Рассчитываем теоретическое воздухопотребление для всех потребителей (пользуемся первой формулой) и сравниваем теорию и практику: если вам необходимо больше сжатого воздуха, то подбираем новый компрессор или ресивер.