6. Wytwarzanie i rozprowadzanie pneumatycznego czynnika roboczego
6.1. Zastosowanie sprężonego powietrza jako pneumatycznego czynnika
roboczego
Gazy i pary sprężone znajdują w technice szerokie zastosowanie. Sprężone powietrze jest
używane do napędu ręcznych narzędzi pneumatycznych, maszyn formierskich, hamulców
kolejowych i samochodowych itp. Sprężone powietrze stosuje się także do zasilania pieców
metalurgicznych, do rozruchu i doładowywania silników spalinowych, do wdmuchiwania
ciekłego paliwa lub pyłu węglowego do palenisk kotłowych. Duże zastosowanie mają dziś
również urządzenia transportu pneumatycznego, urządzenia wentylacyjne oraz mechanizmy
napędów pneumatycznych.
6.2. Budowa typowej instalacji do wytwarzania i rozprowadzania
sprężonego powietrza
1
 2
6.3. Podział Sprężarek
Maszyny do sprężania gazów i par noszą nazwę sprężarek.
Sprężarki z napędem o ruchu posuwisto-zwrotnym i rotacyjne są sprężarkami wyporowymi,
w których ssanie, sprężanie i wytłaczanie gazu odbywa się wskutek kolejnego powiększania i
zmniejszania objętości komory sprężania przez poruszający się w niej element roboczy.
Sprężarki tłokowe
Rys. 1. Rys. 2.
Rysunek 1. przedstawia sprężarkę dwustopniową z chłodzeniem międzystopniowym. Zasada
działania sprężarki jest następująca: tłoki wykonujące ruchy postępowo-zwrotne poruszane są
przez silnik za pomocą mechanizmu korbowego. Każda głowica cylindra zaopatrzona jest w
dwa zawory, które otwierają się samoczynnie pod wpływem różnicy ciśnień z obu stron
zaworu. Sprężany gaz rozgrzewa się znacznie, co wymaga chłodzenia sprężarki wodą lub
strumieniem powietrza.
Rys. 2 przedstawia sprężarkę membranową. Jej zasada działania jest podobna jak w
poprzednim przypadku z tą różnicą, że tłok porusza membranę oddzielającą zasysane i
sprężane powietrze od mechanizmu napędowego. Dzięki temu sprężane powietrze nie jest
zanieczyszczane olejem do smarowania sprężarki.
W celu uzyskania dużego ciśnienia buduje się sprężarki wielostopniowe, złożone z kilku
sprężarek jednostopniowych, które kolejno sprężają gaz do coraz wyższego ciśnienia. Oprócz
zwykłego chłodzenia poszczególnych cylindrów w sprężarce wielostopniowej stosuje się tzw.
chłodzenie międzystopniowe. Polega ono na tym, że po sprężeniu gazu w pierwszym
3
niskoprężnym cylindrze gorący gaz przechodzi do chłodnicy, gdzie za pomocą zimnej wody
ulega izobarycznemu ochłodzeniu do początkowej temperatury i dopiero wówczas zostaje
silniej sprężony w następnym, średnioprężnym cylindrze. Po wyjściu z niego znów jest
chłodzony w drugiej chłodnicy międzystopniowej, a następnie jeszcze silniej sprężany w
cylindrze wysokoprężnym itd. W technice stosuje się sprężarki tłokowe nawet
siedmiostopniowe umożliwiające uzyskanie ciśnienia do 200 MPa. Współczynnik sprawności
0,65-0,9.
6.4. Sprężarki rotacyjne
Sprężarki rotacyjne są stosowane do sprężania gazów, gdy wymagana jest dość
znaczna wydajność przy ciśnieniu nie przekraczającym 1,6 MPa. Ich zaletami są:
szybkobieżność, małe wymiary i mały ciężar, równomierna praca i nieskomplikowana
konstrukcja; wadami: ograniczone ciśnienie tłoczenia, mała sprawność mechaniczna i
konieczność dużej dokładności wykonania.
Najczęściej stosuje się sprężarki łopatkowe, rys. 3. W cylindrycznym kadłubie, zamkniętym
dwiema pokrywami, jest mimośrodowo osadzony wirnik ze szczelinami, w których znajdują
siÄ™ cienkie, prostokÄ…tne Å‚opatki metalowe lub z tworzywa sztucznego. W czasie ruchu wirnika
łopatki wysuwają się pod działaniem siły odśrodkowej i ślizgają się po gładzi kadłuba. W celu
zmniejszenia nacisku łopatek na gładz
stosuje się dwa pierścienie ślizgowe, umieszczone w
wytłoczeniach kadłuba i obracające się razem z wirnikiem. Komora sprężania ma kształt
sierpowy, a łopatki tworzą zamknięte przestrzenie międzyłopatkowe o zmiennej objętości,
która początkowo wzrasta, co powoduje zassanie gazu, a następnie maleje, co wywołuje
sprężanie i wytłaczanie gazu.
Sprężarka łopatkowa jest zwykle chłodzona wodą. Konieczne jest smarowanie łożysk, ale
również pierścieni i innych powierzchni ślizgowych w celu zmniejszenia tarcia pomiędzy
wirnikiem i łopatkami a kadłubem oraz dla zapewnienia szczelności. Wydajność sprężarek
łopatkowych dochodzi do 7000 m3/h, ciśnienie tłoczenia do 0,5 MPa w sprężarce
jednostopniowej, a do 1,6 MPa w dwustopniowej. Prędkość obrotowa wynosi 360-1500
obr/min, liczba łopatek wynosi od 2 do 30. Współczynnik sprawności 0,7-0,97
Rys. 3. Rys. 4.
Często są stosowane także sprężarki krzywkowe systemu Roots a, użytkowane jako
dmuchawy w hutnictwie i w budowie tłokowych silników spalinowych (do przepłukiwania i
doładowywania cylindrów). Sprężarki tego systemu pracują na tej samej zasadzie, co pompy
4
zębate do cieczy: w kadłubie sprężarki obracają się w przeciwnych kierunkach dwa tłoki
krzywkowe jednakowego kształtu jak na rys. 4, napędzane z zewnątrz parą czołowych kół
zębatych. Kształt tłoków i kadłuba jest tak dobrany, że podczas obrotu tłoki pozostają w
stałym styku (z luzem ok. 0,1mm), co powoduje odcięcie przestrzeni dolotowej od wylotowej.
Sprężarka krzywkowa dostarcza powietrze nie w sposób ciągły, lecz oddzielnymi porcjami:
tłoczy ona cztery dawki powietrza podczas jednego obrotu wirnika. Pulsujące działanie
sprężarki powoduje dość znaczny hałas w czasie pracy. Wydajność sprężarek krzywkowych
dochodzi do 3000 m3/h (ANR), spręż do 1,6, prędkość obrotowa wynosi 300-9600 obr/min,
współczynnik sprawności około 0,8.
Poniżej przedstawiono inne rodzaje sprężarek: śrubowa rys.5., osiowa rys.6., promieniowa
rys.7.
Rys. 5. Rys. 6.
Rys. 7.
5
Zakresy wydajności i ciśnień dla różnych rodzajów sprężarek.
6.5. Sposoby regulacji pracy sprężarki
Regulacja na biegu jałowym Regulacja przy obciążeniu Regulacja przez wyłączenie
częściowym napędu
- przez wydmuch - przez zmianÄ™ liczby
- przez odcięcie ssania obrotów
- przez unieruchomienie - przez dławienie na ssaniu
zaworu ssawnego
6
Rys. 9. Regulacja przez wydmuch Rys. 10. Regulacja przez odcięcie ssania
Rys. 11. Regulacja przez unieruchomienie Rys. 12. Regulacja przez wyłączenie zasilania.
zaworu ssawnego
6.6. Zbiornik sprężonego powietrza
Wielkość zbiornika sprężonego powietrza zależy od:
- wydajności sprężarki,
- zużycia powietrza,
- pojemności sieci przewodów,
- sposobu regulacji sprężarki,
- dopuszczalnych spadków ciśnienia w sieci,
7
Rys. 13. Zbiornik sprężonego powietrza
Dane do określenia rzeczywistej liczby pracujących narzędzi ręcznych z napędem
pneumatycznym.
Liczba zainstalowanych,
pracujących narzędzi
3 4 6 8 10 15 20 30 40
pneumatycznych
Åšrednia procentowa
rzeczywistej liczby
90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50%
narzędzi pneumatycznych
pracujÄ…cych w danej chwili
przyjmowana do obliczeń
8
Wykres określenia wielkości zbiornika sprężonego powietrza.
9
6.7. Warunki jakie powinno spełniać sprężone powietrze
Metody osuszania sprężonego powietrza
Powietrze w instalacji powinno być suche. Istnieją następujące metody osuszania
powietrza:
- osuszanie absorpcyjne, rys. 14.
- osuszanie adsorpcyjne, rys. 15.
- osuszanie przez oziębianie rys. 16.
Rys. 14. Rys. 15.
Rys. 16.
10
6.8. Zanieczyszczenia
Wyróżnia się trzy rodzaje zanieczyszczeń występujących w sprężonym powietrzu
wykorzystywanym w instalacjach:
- ciała stałe (pyły),
- woda,
- olej,
Wszelkie zanieczyszczenia oddziałują na siebie (np. cząstki pyłu aglomerują w obecności
oleju lub wody tworząc większe cząstki, olej tworzy emulsje z wodą), niekiedy osadzają się
lub skraplajÄ… (np. pary oleju lub para wodna) wewnÄ…trz rurociÄ…gu.
6.8.1. Ciała stałe
Pył jest zawsze wchłaniany przez sprężarkę wraz z zasysanym powietrzem. Inne
cząstki stałe (produkty zużywania się, rdza itp.) także mogą dołączyć do zasysanego
powietrza podczas jego przepływu przez sprężarkę i połączony z nią rurociąg, choć pewne
cząstki zostaną zawieszone w smarze i w tym stanie będą zatrzymane przez filtry wylotowe.
Jeżeli rurociąg sprężarki jest dobrze utrzymany, to zawartość rdzy i złuszczeń zazwyczaj nie
przekracza 2mg/m3 do 4mg/m3, ale gdy przepływ się rozpoczyna lub gdy są narażone na
uderzenia mechaniczne, mogą wystąpić wartości znacznie wyższe.
Średni wymiar cząstek pyłu wykazuje tendencje wzrostu wraz ze wzrostem stężenia pyłu,
które może się zmieniać od wartości pomijalnie małych aż do ponad 1,4g/m3.
Stężenie pyłu można ograniczyć stosując odpowiednie filtry dobierane w zależności od
stężenia pyłu w zasysanym powietrzu oraz od budowy i zasady działania sprężarki. Oprócz
stężenia istotne znaczenie mają właściwości pyłu. Te właściwości to nie tylko kształt i
wymiary ziaren, ale także ich twardość. Małe cząstki pyłu tworzą za zwyczaj osady, podczas
gdy wiÄ™ksze niż 5mðm bÄ™dÄ… powodowaÅ‚y erozjÄ™, jeÅ›li prÄ™dkość przepÅ‚ywu bÄ™dzie dostatecznie
duża. Zaleca się zwrócić uwagę, że pewne ciała stałe mogą wykazywać efekt katalityczny, a
ich właściwości chemiczne mogą powodować korozję.
Olej i woda powodują aglomerację i jego adhezję do powierzchni. Jeżeli kilka rodzajów
zanieczyszczeń występuje jednocześnie, należy zwrócić uwagę na ich określenie
indywidualne.
Do usuwania zanieczyszczeń stałych mogą być stosowane następujące środki:
- filtry siatkowe do rurociÄ…gów dla czÄ…stek o wymiarach powyżej 100mðm;
- odpylacze cyklonowe lub typu uderzeniowego dla czÄ…stek o wymiarach odpowiednio
15mðm i 20mðm;
- ziarnowe filtry porowate (np. spiekany metal, szkło, tworzywo porowate lub ceramika)
dla czÄ…stek o wymiarach okoÅ‚o 5mðm;
- filtry włókninowe typu gÅ‚Ä™bokiego dla czÄ…stek o wymiarach 1mðm;
- submikronowe włókninowe filtry koalescencyjne dla czÄ…stek o wymiarach 0,01mðm.
6.8.2. Woda
Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera parÄ™ wodnÄ…. Gdy powietrze atmosferyczne
jest sprężane, ciśnienie cząstkowe pary wodnej wzrasta, ale dzięki wzrostowi temperatury
powietrza wskutek sprężania, woda nie wykrapla się. Gdy powietrze jest następnie chłodzone
(np. w chłodnicy międzystopniowej lub końcowej, w rurociągu rozprowadzającym lub
11
podczas rozprężania w narzędziu o napędzie pneumatycznym) woda wykropli się w postaci
cieczy; powietrze będzie nasycone parą wodną.
Wilgoć może być przyczyną korozji, zamarzania itp. wpływając niekorzystnie na jakość
produktu końcowego, na przykład przy malowaniu natryskowym.
Olej ma niekorzystny wpływ na działanie niektórych osuszaczy powietrza (np. powierzchnie
chłodzące ulegają zanieczyszczeniu, zatykane są pory adsorbentu i nie może on być
zregenerowany). Niektóre higrometry są podatne na takie oddziaływanie oleju.
W celu usunięcia wody mogą być stosowane następujące metody:
- wykraplanie z oddzieleniem przez chłodzenie lub sprężanie osuszające;
- sorpcja (absorpcja lub desorpcja);
- filtracja (tylko dla wody w fazie ciekłej).
6.8.3. Olej (mineralny lub syntetyczny
W sprężarkach ze smarowaną komorą sprężania jest nieuniknione zabierane pewnej
ilości oleju przez powietrze. Powietrze ze sprężarek bezsmarowych (suchych) może także
zawierać ślady oleju zassanego z powietrzem wlotowym. W pewnych zastosowaniach
przemysłowych (np. piekarnie) jest używany środek smarny nie toksyczny (np. biała parafina
ciekła).
Olej może występować w powietrzu w jednej z następujących postaci:
- ciecz;
- aerozol;
- para;
Olej można usnąć za pomocą filtrów o wysokiej skuteczności.
6.8.4. Olej (w postaci pary)
Ciśnienie pary zwykłego środka smarnego sprężarki jest niskie. Dlatego w
temperaturach poniżej/okoÅ‚o 35°ðC dopuszcza siÄ™ pominiÄ™cie wpÅ‚ywu par oleju z wyjÄ…tkiem
przypadków, gdy sprężarka jest stosowana podczas produkcji żywności, napojów itp. lub gdy
skroplona para oleju może gromadzić się np. w butlach sprężonego powietrza.
Stężenie węglowodorów gazowych można określić używając następujących środków i metod:
- analizator płomieniowo-jonizacyjny;
- analizator widma w podczerwieni wyposażony w komorę gazową.
Do adsorbowania par oleju mogą być użyte różne materiały adsorpcyjne. Węgiel aktywny
lepiej adsorbuje cząstki niespolaryzowane (pary oleju mineralnego) niż spolaryzowane (para
wodna i pary oleju syntetycznego). Cząstki węgla o wymiarach do uformowania w złoże
mogą skutecznie oczyścić sprężone powietrze. Praktycznie wszystkie resztki par oleju mogą
być usunięte za pomocą drobnocząstkowego węgla aktywnego na podłożu z tkaniny lub bez
podłoża, na przykład po uformowaniu go i spieczeniu w kształcie walca filtracyjnego. W celu
osiągnięcia dobrej skuteczności należy wcześniej usunąć krople oleju i wody.
12