6. Wytwarzanie i rozprowadzanie pneumatycznego czynnika roboczego

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.

2. Budowa typowej instalacji do wytwarzania i rozprowadzania sprężonego powietrza

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 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.

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 się cienkie, prostokątne łopatki 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 gładź 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 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.

Zakresy wydajności i ciśnień dla różnych rodzajów sprężarek.

5. Sposoby regulacji pracy sprężarki

Regulacja na biegu jałowym	Regulacja przy obciążeniu częściowym	Regulacja przez wyłączenie napędu
przez wydmuch przez odcięcie ssania przez unieruchomienie zaworu ssawnego	przez zmianę liczby obrotów przez dławienie na ssaniu

Rys. 9. Regulacja przez wydmuch Rys. 10. Regulacja przez odcięcie ssania

Rys. 11. Regulacja przez unieruchomienie Rys. 12. Regulacja przez wyłączenie zasilania.

zaworu ssawnego

1. Zbiornik sprężonego powietrza

Wielkość zbiornika sprężonego powietrza zależy od:

• wydajności sprężarki,

• zużycia powietrza,

• pojemności sieci przewodów,

• sposobu regulacji sprężarki,

• dopuszczalnych spadków ciśnienia w sieci,

Rys. 13. Zbiornik sprężonego powietrza

Dane do określenia rzeczywistej liczby pracujących narzędzi ręcznych z napędem pneumatycznym.

Liczba zainstalowanych, pracujących narzędzi pneumatycznych	3	4	6	8	10	15	20	30	40
Średnia procentowa rzeczywistej liczby narzędzi pneumatycznych pracujących w danej chwili przyjmowana do obliczeń	90%	85%	80%	75%	70%	65%	60%	55%	50%

Wykres określenia wielkości zbiornika sprężonego powietrza.

1. 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.

2. 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 skraplają (np. pary oleju lub para wodna) wewnątrz rurociągu.

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 większe niż 5μm będą powodowały erozję, jeśli prędkość przepływu będzie 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 rurociągów dla cząstek o wymiarach powyżej 100μm;

• odpylacze cyklonowe lub typu uderzeniowego dla cząstek o wymiarach odpowiednio 15μm i 20μm;

• ziarnowe filtry porowate (np. spiekany metal, szkło, tworzywo porowate lub ceramika) dla cząstek o wymiarach około 5μm;

• filtry włókninowe typu głębokiego dla cząstek o wymiarach 1μm;

• submikronowe włókninowe filtry koalescencyjne dla cząstek o wymiarach 0,01μm.

1. Woda

Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera parę wodną. 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 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).

1. 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.

1. Olej (w postaci pary)

Ciśnienie pary zwykłego środka smarnego sprężarki jest niskie. Dlatego w temperaturach poniżej/około 35°C dopuszcza się pominięcie wpływu par oleju z wyjątkiem 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.

7. Klasy czystości sprężonego powietrza wg PN-ISO 8573-1 Sprężone powietrze ogólnego stosowania. Zanieczyszczenia i klasy czystości

1. Klasy zanieczyszczeń substancjami stałymi

Tablica 1. Klasy zanieczyszczeń substancjami stałymi

Biorąc pod uwagę mechanizm działania, przejście cząstek stałych mniejszych niż jedna trzecia najmniejszego luzu można na ogół zaakceptować. Dla przeciętnych zastosowań w mechanicznym osprzęcie lotniczym zazwyczaj odpowiedni jest filtr 40μm.

2. Klasy zawodnienia

Tablica 2. Klasy zawodnienia

Gdy są wymagane niższe punkty rosy należy podać ich wartości. Minimalna dokładność zastosowanej metody pomiaru - patrz ISO 7181.

Dopuszczalne największe stężenie wody zależy od zamierzonego zastosowania sprężonego powietrza.

3. Klasy zaolejenia sumarycznego (krople, aerozole, pary)

Tablica 3. Klasy zaolejenia sumarycznego

Oznaczenie klasy czystości sprężonego powietrza powinno zawierać następujące informacje podane w kolejności jak niżej:

• słowa „Klasa czystości sprężonego powietrza”;

• klasa zanieczyszczenia substancjami stałymi;

• klasa zawodnienia

• klasa zaolejenia sumarycznego (krople, aerozole i pary)

Gdy klasa któregokolwiek z zanieczyszczeń nie jest określona, cyfrowe oznaczenie klasy należy zastąpić kreską.

Zgodnie z normą PN-ISO 8573-1 informację o wymaganej czystości powietrza podaje się w formie (przykładowe wymaganie):

„Klasa czystości sprężonego powietrza; klasa zanieczyszczenia substancjami stałymi 2; klasa zawodnienia 3; klasa zaolejenia sumarycznego (krople, aerozole i pary) 4”

Zalecane klasy jakości sprężonego powietrza dla różnych zastosowań podaje tablica 4.

Tablica 4. Zalecane klasy jakości sprężonego powietrza

Zastosowanie	Klasa zanieczyszczenia substancjami stałymi	Klasa zawodnienia	Klasa zaolejenia sumarycznego
Budownictwo, górnictwo	4	5	5
Małe silniki pneumatyczne	3	3 - 1	3
Ciężkie silniki pneumatyczne	4	6 - 1	5
Maszyny obuwnicze, odlewnicze	4	6	5
Maszyny pakujące, tekstylne	4	4	3 - 2
Narzędzia pneumatyczne	4	4	5
Obrabiarki	5	4	5
Obróbka filmów fotograficznych	1	1	1
Piaskowanie	-	4	3
Siłowniki pneumatyczne	5 - 3	4	5
Transport artykułów spożywczych	5 - 3	4	1
Transport materiałów sypkich	2	4	3
Turbiny pneumatyczne	2	2	3

1

---