Оценка системы сжатого воздуха
13.11.2021
Система сжатого воздуха крайне редко остается статичной. Почти всегда есть что-то, что заставляет систему меняться и реагировать иначе, чем это предполагалось изначально. Например, по мере износа в системе будут появляться утечки. Качество подготовки воздуха будет ухудшаться по мере загрязнения элементов твердыми частицами. Следовательно, только по этим двум показателям система сжатого воздуха подвержена изменениям.
Потребление воздуха
При проектировании системы сжатого воздуха в первую очередь необходимо выяснить потребность в сжатом воздухе или производительность компрессора. Сначала определите уровень потребления воздуха. Потребление каждого индивидуального пользовательского устройства следует суммировать, а затем адаптировать к условиям эксплуатации с помощью коэффициентов умножения. Затем следует выбрать компрессор в соответствии с полученными значениями производительности.
Процесс выбора компрессора сравним с определением размера трубопроводов. Сначала необходимо определить тип и количество устройств на определенном участке трубы. Потребление отдельных устройств можно сложить, а затем умножить полученное значение на определенный коэффициент.
При определении ожидаемого потребления сжатого воздуха необходимо учитывать возможность утечки воздуха. Также следует сделать поправку на возможное расширение предприятия.
Сделать правильную оценку данного показателя не всегда просто. Это может быть связано с отсутствием информации, предоставленной производителем оригинального оборудования для отдельных компонентов. Здесь мы приводим ориентировочные значения требований для отдельных компонентов. Это средние значения, и производитель должен предоставить точные цифры.
Форсунки
Расход воздуха в форсунках различается в зависимости от формы и размера форсунок.
- Форсунки большего диаметра имеют больший расход
- Рабочее давление влияет на движение потока через форсунку. Чем выше давление, тем больше расход.
- Простое сквозное цилиндрическое отверстие потребляет меньше воздуха по сравнению с конической форсункой. Следовательно, форма форсунки влияет на поток.
- Если качество поверхности отверстия очень хорошее (гладкая, без бороздок или шероховатостей), через него может пройти больше воздуха.
- Расход сжатого воздуха возрастает, если воздух используется в качестве среды для краски, песка и т.д.
Форсунки с простым цилиндрическим отверстием создают мощный турбулентный поток. Это поможет снизить скорость потока и, следовательно, снизить расход воздуха. В следующей таблице приведены данные о потреблении сжатого воздуха для таких цилиндрических форсунок. Это зависит от давления и диаметра форсунки. Безопасное рабочее давление продувочного пистолета составляет 2 бар изб.
| Диаметр, мм | 2 бар | 3 бар | 4 бар | 5 бар | 6 бар | 7 бар | 8 бар |
| 0,5 | 8 | 10 | 12 | 15 | 18 | 22 | 28 |
| 1,0 | 25 | 35 | 45 | 55 | 65 | 75 | 85 |
| 1,5 | 60 | 75 | 95 | 110 | 130 | 150 | 170 |
| 2,0 | 105 | 145 | 180 | 220 | 250 | 290 | 330 |
| 2,5 | 175 | 225 | 280 | 325 | 380 | 430 | 480 |
| 3,0 | 230 | 370 | 400 | 465 | 540 | 710 | 790 |
| значения расхода воздуха указаны в л/мин | |||||||
Пневмоинструменты
Пневматические инструменты являются наиболее частыми потребителями сжатого воздуха в промышленности. Обычно для них требуется рабочее давление 6 бар, но существуют модели, которые работают с различным рабочим давлением, в зависимости от области применения и требуемой производительности. Ниже в таблице вы можете ознакомится с несколькими пневмоинструментами и значениями расхода воздуха для них. Значения могут отличаться для отдельных инструментов и должны рассматриваться как средние значения. Необходимые значения для компрессоров могут быть рассчитаны с использованием этих средних значений, однако при выборе размера трубопроводов необходимо учитывать максимальную мощность потребления воздуха.
| Пневмоинструменты | Средний расход воздуха л/мин, при рабочем давлении 6,2 бур. изб. (90 фт/кв.дюйм изб.) |
| Ударный инструмент 1/4″ | 85 |
| Ударный инструмент 3/8″ | 90 |
| Ударный инструмент 1/2″ | 140 |
| Ударный инструмент 3/4″ | 270 |
| Ударный инструмент 1 | 300 |
| Зажимное сверло 10-13мм | 110 |
| Отбойный молоток 10,2 мм | 85 |
| Вырубные ножницы | 110 |
| Амортизатор шины | 390 |
| Корпус пилы | 720 |
| Угловая шлифовальная машинка 100мм | 170 |
| Угловая шлифовальная машинка 125мм | 170 |
| Мини-насадка шлифовальной машинки | 85 |
| Шлифовальная машинка | 110 |
| Угловой шлифовальный инструмент | 220 |
| Ручка шлифовального инструмента высокой скорости | 340 |
| Клепальный молоток | 1,7 за цикл |
| Угловая полировальная машина | 220 |
Выбор компрессоров
При определении потребности пневматической системы в сжатом воздухе, недостаточно просто сложить значения потребления отдельных устройств. Есть и другие факторы, влияющие на выбор компрессора, которые следует принимать во внимание.
Время эксплуатации
Пневматические устройства, такие как пневматические инструменты, пистолеты-распылители, продувочный пистолет, конвейерные системы, не используются непрерывно. Они включаются и выключаются по мере необходимости. Поэтому важно определить интенсивность потребления (UR), чтобы получить более точное значение потребления сжатого воздуха. В противном случае вы можете значительно увеличить размер системы сжатого воздуха или значительно занизить ее.
Для вычисления интенсивности потребления можно использовать следующую формулу.
Интенсивность потребления измеряется в %.
Сделаем расчеты на примере отвертки, которая используется 30 минут в течение одного часа.
Здесь интенсивность потребления инструмента составляет 50%.
Нормы использования некоторых широко используемых пневматических устройств приведены в таблице ниже. Это средние значения, которые могут отличаться. Поэтому необходимо определять UR системы в каждом отдельно взятом случае.
| Инструмент | Средний UR% |
| Сверло | 30 |
| Шлифовальная машина | 40 |
| Врезной молотк | 30 |
| Машина для формовки | 20 |
| Продувочный пистолет | 10 |
| Станок для мех. обработки | 75 |
Коэффициент одновременности
Этот коэффициент является эмпирическим значением, полученным на основе опыта использования пневматических устройств, которые не используются одновременно. Вы можете использовать этот коэффициент при вычислении значения потребления воздуха для ряда применений, выбрав то, что наиболее приближено к реальности.
В следующей таблице показаны общепринятые в промышленности коэффициенты одновременности.
| Кол-во применений | Коэфф. одновременности |
| 1 | 1,00 |
| 2 | 0,94 |
| 3 | 0,89 |
| 4 | 0,86 |
| 5 | 0,83 |
| 6 | 0,80 |
| 7 | 0,77 |
| 8 | 0,75 |
| 9 | 0,73 |
| 10 | 0,71 |
| 11 | 0,69 |
| 12 | 0,68 |
Обычно коэффициент одновременности применяется к цилиндрам, пневматическим инструментам, станкам и производственному оборудованию.
Допуски на утечки/резерв
При определении размера компрессорной системы необходимо учитывать следующее.
Утечки (L) в %
Это утечки, возникающие из-за потерь и трения воздуха во всех частях системы сжатого воздуха. Как правило, новая система сжатого воздуха имеет допуск на утечки в размере 5% от общей производительности. Утечки и потери воздуха при трении будут увеличиваться по мере износа оборудования, расположенного ниже по потоку. Этот показатель с течением времени может увеличиться до 30%.
Резервы (r) в %
Системы сжатого воздуха обычно имеют размеры согласно вычислениям. Однако, по нашему опыту, уровень потребления со временем увеличивается. При планировании и расчете системы сжатого воздуха рекомендуется прибавить к полученному значению потребления значение резерва. Значение резерва может составлять 100% необходимой производительности. Однако чаще всего это значение равно 20-30%. Если этого не сделать на данном этапе, расширение компрессорной системы в будущем может стоить очень дорого. Это особенно актуально при определении размеров распределительного трубопровода.
Погрешность (e) в %.
Независимо от того, насколько внимательны вы были при оценке потребления системы, цифры все равно могут быть ошибочными. Точная цифра потребления редко бывает точной. Если система спроектирована слишком компактно и ее необходимо будет расширить позднее, это может повлечь за собой дополнительные расходы. Поэтому при расчете потребления воздуха необходимо прибавить к полученного значению допуск на погрешность 5-15%.
При определении размеров распределительной системы трубопроводов и ресивера сжатого воздуха, выбор большего размера только улучшит эксплуатационную эффективность системы, тогда как размер меньше необходимого будет отрицательно сказываться на эффективности системы и уровне давления воздуха.
Мы определили, что при минимальном давлении 6 бар изб, потребность в сжатом воздухе составляет 10,9 м3 / мин. Теперь необходимо прибавить к этому значению допуски на утечки и резерв.
Общая производительность воздуха (FAD) может быть рассчитана по формуле.
В нашем примере FAD, необходимый для обеспечения потребителя воздуха достаточной подачей воздуха при желаемом рабочем давлении, составляет 14,17 м3 / мин. Это основное значение, которое необходимо учитывать при выборе устройств и трубопроводов.
Утечки сжатого воздуха
Это потребление воздуха в системе, которая не используется для выполнения работы или избыточное потребление. Утечки в системе могут составлять более 30% от производительности компрессора. Согласно результатам исследования Британского общества сжатого воздуха, в среднем расход утечек воздуха в системе составляет около 25%.
Расчет стоимости утечки воздуха
В таблице ниже указаны значения стоимости утечки воздуха. При рабочем давлении воздуха 7 бар изб., затраты на электроэнергию составляют 0,045 евро / час и 8760 часов в год.
| Диаметр утечки, мм | м3/мин | Утечки воздуха/день | Расходы/день евро. | Расходы/месяц евро. | Расходы/год евро. |
| 0,4 | 0,013 | 18,4 | 0,03 | 0,89 | 11 |
| 0,79 | 0,45 | 65,24 | 0,1 | 3,15 | 38 |
| 1,19 | 0,10 | 149,24 | 2,17 | 65,70 | 788 |
| 1,6 | 0,18 | 263 | 2,32 | 70,39 | 845 |
| 2,4 | 0,41 | 591 | 4,98 | 151,03 | 1,812 |
| 3,17 | 0,73 | 1,052 | 6,77 | 205,31 | 2,464 |
| 4,77 | 1,65 | 2,377 | 13,38 | 406,01 | 4,872 |
| 6,3 | 2,92 | 4,200 | 22,26 | 675,25 | 8,103 |
| 7,95 | 4,59 | 6,606 | 36,10 | 1095,00 | 13,140 |
| 9,52 | 6,62 | 9,541 | 44,52 | 1350,50 | 16,206 |
Количественная оценка утечки воздуха
Первым шагом к минимизации потерь сжатого воздуха в системе является количественная оценка утечки.
Количественная оценка утечки воздуха проводится на ресивере сжатого воздуха. Линия подачи к ресиверу сжатого воздуха должна быть изолирована, а все устройства потребителей должны быть отключены. Давление в ресивере (P3) падает в результате утечки до давления (P4). Затем измеряется время падения давления до установленного уровня.
Следующая формула используется для количественной оценки объема утечки.
Пример: ресивер сжатого воздуха и распределительная система трубопроводов имеют объем 3,5 м3 (3500 л). В течение 3-х минут давление в ресивере падает с 7 до 5 бар.
Объем утечки в этом примере составляет 2,33 м3 (23301).
Этот метод измерения подходит только для систем, в которых распределительная система трубопроводов составляет менее 10% объема ресивера сжатого воздуха.
Второй метод определения объема утечки — измерение времени работы компрессора. Этот метод можно использовать только с компрессорами, имеющими прерывистый режим работы и режим холостого хода. Потребительские устройства должны быть выключены. Утечка в системе потребляет сжатый воздух, а затем компрессор включается заново.
Общее время запуска измеряется за период времени. Для получения точного результата время измерения должно длиться не менее 5-ти циклов компрессора.
Пример: компрессор с полезной производительностью (c) 5 м3/мин работает на протяжении 5 циклов с временем измерения 180 секунд (T2). Общее время работы под нагрузкой во время измерения составляет 30 секунд (T1)
Утечка в этой системе составляет 833 л / мин (0,833 м3 / мин)
Допустимый уровень утечки
Утечка в системе сжатого воздуха неизбежна. Дополнительные затраты, возникающие в результате утечки, снижают рентабельность системы. Принятие мер по снижению потерь также потребует дополнительных расходов. В какой-то момент стоимость минимизации потерь от утечки перевесит возможную экономию. Следует минимизировать стоимость при приемлемых расходах.
Допустимый уровень утечки:
- Не более 5% в сетях среднего размера
- Не более 7% в сетях среднего размера
- Не более 10% в крупных сетях
- Не более 13-15% в очень крупных сетях, например, на крупных промышленных объектах (сталелитейные заводы, верфи и т.д.).
Компания Carbon Trust (финансируемый государством орган, отвечающий за снижение выбросов углерода) считает 5% утечки пределом нормы.
При устранении утечек давление будет повышаться в непосредственной близости от места ремонта. Увеличение давления увеличивает поток воздуха через любые оставшиеся более мелкие утечки. Скорость утечки увеличивается с увеличением потока. В результате резко увеличивается распространение оставшихся утечек, что за короткий период времени приведет к восстановлению прежнего уровня утечки. Для более комплексного подхода к решению этих проблем необходимо контролировать давление потребления с исключительной разрешающей способностью, чтобы уменьшение размера утечки не приводило к увеличению локального давления. Необходимо реагировать на изменение давления менее чем на 0,05 бар. Управление компрессорами и устройство задания последовательности операций, даже системы на основе ПЛК, не могут обеспечить такое разрешение. Единственные известные нам устройства, которые могут реагировать таким образом, — это система регулирования давления IntelliFlow. Подробную информацию о системе IntelliFlow.
Минимизация утечки воздуха
Персонал должен быть проинструктирован сообщать о любых утечках или повреждениях в системе сжатого воздуха. Утечка должна быть немедленно устранена. При регулярном техническом обслуживании системы затраты сводятся к минимуму, а уровень утечки находится в допустимых пределах.
Утечка будет увеличиваться с увеличением рабочего давления. Поэтому важно, чтобы давление в системе не превышало минимальное рабочее давление P5. Поскольку системы сжатого воздуха работают в пределах диапазона регулирования давления, а перепад давления будет варьироваться в зависимости от расхода и состояния фильтров, рабочее давление в системе обычно намного выше необходимого уровня.
На схеме показано движение потока через отверстие.
Крупные утечки в системе сжатого воздуха могут быть определены на слух. Однако небольшие и очень маленькие утечки обнаружить сложнее. В этих случаях стыки, ответвления, клапаны и т. д. можно покрыть герметиком с мыльной водой. На месте утечки сразу же образуются пузырьки. В качестве альтернативы можно использовать ультразвуковой индикатор утечки.
Когда утечки будут устранены, давление в зоне вокруг места проведения ремонта повысится. По мере увеличения давления увеличивается поток воздуха. Поэтому небольшие утечки могут стать больше в размерах, что означает, что за короткий период времени уровень потерь может вернуться к исходному уровню.
Для серьезного решения этих проблем необходимо контролировать давление потребления с исключительной разрешающей способностью, чтобы уменьшение утечки не приводило к увеличению локального давления. Необходимо реагировать на изменение давления менее чем на 0,05 бар (0,75 фунта на кв. Дюйм). Элементы управления компрессором и системные контроллеры, даже системы на базе ПЛК или микропроцессора, не могут обеспечить такое разрешение постоянного давления. Рекомендуется использовать регулятор давления со стороны потребителя, который настроен на минимальное желаемое давление установки. Аудит системы сжатого воздуха поможет определить это минимальное давление. В дополнение к точному контролю давления необходимо регулярно проводить проверки с целью обнаружения утечек.
Улучшение эффективности и надежности системы сжатого воздуха.
При реконструкции сети сжатого воздуха в первую очередь необходимо установить систему регулирования давления (IntelliFlow). Также для сокращения потерь воздуха необходимо сделать следующее:
- Затяните стыки с утечками
- Замените протекающие шланги и шланговые соединения
- Модернизируйте отвод конденсата. Замените сливные системы с механическим поплавком и сливные системы с таймером времени на сливные системы PNLD или ENLD.
- Промойте или замените старые трубопроводы, диаметр которых мог уменьшиться из-за отложений.
- Убедитесь, что перепад в трубах может поддерживать скорость потока.
- Замените гибкие нейлоновые шланги длиной более 5 метров на ребристые.
- Уменьшите размер системы за счет изоляции резервных трубопроводов.
- Модернизируйте систему очистки воздуха в соответствии с желаемым стандартом ISO. Если рефрижераторные осушители воздуха удовлетворяют требованиям по качеству воздуха, рассмотрите возможность применения адсорбционных осушителей.
- Если требуется более высокое рабочее давление, рассмотрите возможность применения дожимных компрессоров.
- В системах, где производится большой объем воздуха и расходуется не полностью, рассмотрите возможность установки специального хранилища для уравнивания давления. В точке приложения может быть установлен компрессор с более высоким давлением, чтобы создать необходимую емкость для хранения воздуха. (см. главу 9).
