Расход сжатого воздуха и его потребление

На практике различают два вида потребления воздуха в пневматическом цилиндре или в пневматической системе.

Первый вид потребления воздуха представляет собой среднее потребление сжатого воздуха в час, т.е. величину, используемую для расчета затрат энергии как части стоимости затрат на изготовление продукции, а также для оценки необходимой мощности компрессора и расчета магистрали сжатого воздуха.

Второй вид потребления воздуха представляет собой величину пикового потребления в пневмоцилиндре, которая необходима для правильного определения размерных параметров управляющего распределителя и соединительных трубопроводов или же пикового потребления в системе в целом, чтобы можно было подобрать блок подготовки воздуха и подводящие воздуховоды с необходимыми размерами.

Потребление воздуха в цилиндре определяется следующим выражением:

Площадь поршня • Длина хода • количество одинарных ходов в минуту • степень сжатия воздуха в цилиндре (абсолютное давление сжатого воздуха /атмосферное давление)

Пояснение: Если поршень смещен к самой крышке цилиндра (рис. 3а), объем цилиндра равен нулю. Если мы потянем шток на себя, пока поршень не упрется в крышку на противоположном конце, цилиндр заполнится воздухом с атмосферным давлением, равным 101325 Па абсолютного давления (рис. 3b). Как только в цилиндр будет подано давление от источника, к атмосферному давлению 101325 Па добавится манометрическое давление.

Учитывая это, теоретическое потребление воздуха в цилиндре составляет на ход поршня при прямом ходе величину, указанную на рис. 16, а при обратном ходе

При мы получаем для прямого хода:

или

где р – манометрическое давление, a n – количество одинарных ходов.

При обратном ходе D2 меняется на (D2 – d3). Потребление воздуха в трубопроводах между распределителем и цилиндром составляет величину, определяемую выражением:

Внутренний диаметр трубы (мм) • Внутренний диаметр трубы (мм) • Длина трубы (мм) • манометрическое давление в МПа)

В таблице 3 приведены значения для теоретического потребления сжатого воздуха на 100 мм хода при различных диаметрах цилиндров и рабочих давлениях:

Пример 1: Требуется определить стоимость энергетических затрат в час для пневматического цилиндра двустороннего действия диаметром 80 мм с рабочим ходом 400 мм совершающего 12 двойных ходов в минуту при рабочем давлении 6 бар. Из таблицы 3 видно, что цилиндр диаметром 80 мм потребляет 3,5 литра (приблизительно) сжатого воздуха на 100 мм хода. Следовательно:

Q/100 мм хода • 400 мм хода • количество ходов в минуту - ход вперед и назад = 3,5 • 4 - 24 = 336 л/мин. В параграфе «Тепловой и общий КПД» (раздел 4) находим расход электроэнергии равным 1 кВт на 0,12-0,15 м3/мин при рабочем давлении 7 бар. Следовательно, для производства 1 м3н/мин требуется затратить около 8 кВт электроэнергии.

Предположим, что один кВт•ч (киловатт-час) стоит 5 центов. В этом случае затраты на обеспечение объемного расхода величиной: / м3н/мин составят 5 центов • 8кВт/кВт-ч = 40 центов/час.

В нашем примере: 0,336 м3н/мин/1 м3н/мин. 40 цент/час = 13,4 центов в час.

Если по этой схеме рассчитать затраты для всех цилиндров, входящих в состав машины, и суммировать их, мы получим потребление сжатого воздуха, выраженное через стоимость энергетических затрат.

Необходимо отметить, что цифры потребления в приведенной выше таблице не учитывают:

– «мертвый объем» в конечной фазе хода в обоих направлениях (если есть), и «мертвый объем» в соединительных трубах

– потери энергии при ее передаче (см. об этом ниже).

Таблица 3 – Теоретическое потребление сжатого воздуха в цилиндрах двустороннего действия диаметром от 20 до 100 мм, в литрах на 100 мм хода.

Диаметр поршня, мм	Рабочее давление в барах
	0,124	0,155	0,186	0,217	0,248
	0,194	0,243	0,291	0,340	0,388
	0,319	0,398	0,477	0,557	0,636
	0,498	0,622	0,746	0,870	0,993
	0,777	0,971	1,165	1,359	1,553
	1,235	1,542	1,850	2,158	2,465
	1,993	2,487	2,983	3,479	3,975
	3,111	3,886	4,661	5,436	6,211

Для определения размеров распределителя отдельно взятого цилиндра нам необходима другая цифра: пиковый расход. Он наблюдается при максимальной скорости поршня. Общая сумма пиковых расходов для всех одновременно движущихся цилиндров составляет расход, на основании которого должны определяться параметры блока подготовки воздуха.

Таблица 4 – Степень сжатия изотермическое / адиабатическое.

Р, абс
сж. изотермическое	0,987	1,987	2,974	3,961	4,948	5,935	6,923	7.908	8,895	9,882
сж. адиабатическое	0,991	1,633	2,178	2,673	3,133	3,576	3,983	4,38	4,794	5,136
коэффициент		1,216	1,365	1,482	1,579	1,66	1,738	1,80	1,873	1,924

Нельзя не учитывать также тепловые потери. В разделе, где рассматривались свойства газов, мы обсуждали «адиабатический» процесс, суть которого заключается в том, что в нем не хватает времени на теплообмен. В данном случае закон Бойля «pV – const» перестает действовать и вступает в силу равенство «pV^k = const». Показатель степени k (каппа) для воздуха равен 1,4. Таблица 4 представляет собой уже таблицу степени сжатия, дополненную двумя строками: в одной указана степень сжатия для условия pV^k=const, а в другой – коэффициент, характеризующий отношение «изотермическое сжатие/адиабатическое сжатие».

Не вдаваясь в сложные подробности, скажем, что для учета явлений, имеющих место при данном процессе, теоретический объемный расход следует умножить на коэффициент 1,4, представляющий собой эмпирический коэффициент, полученный в результате большого количества практических испытаний. Это число меньше чем теоретическое, однако и процесс, как правило, не является на 100% адиабатическим.

В таблице 5 приведены цифры из таблицы 3, но с учетом данного поправочного коэффициента.

Пример 2: Цилиндр с диаметром 63 мм и ходом поршня 500 мм работает при давлении 6 бар. Каков фактический расход воздуха при 15 циклах в минуту?

По таблице 5 находим 3,021 л /мин на 100 мм хода. Эту величину необходимо умножить на 150, так как 100 мм хода необходимо увеличить в 5 раз, а также учесть 30 циклов в минуту: 150 мин • 3,021 литра = 453,15 л мин.

Таблица 5 – Потребление сжатого воздуха в цилиндрах двустороннего действия.

Диаметр поршня, мм	Рабочее давление в барах
	0,174	0,217	0,260	0,304	0,347
	0.272	0.340	0.408	0.476	0,543
	0,446	0,557	0,668	0,779	0,890
	0,697	0,870	1,044	1,218	1,391
	1,088	1,360	1,631	1,903	2,174
	1,729	2,159	2,590	3,021	3,451
	2,790	3,482	4,176	4,870	5,565
	4,355	5,440	6,525	7,611	8,696

Контрольные вопросы:

Методика расчета:рабочего усилия (теоретическое усилие).

Методика расчета:рабочего усилия (требуемое усилие).

Коэффициент нагрузки.

Методика расчета регулирования скорости.

Методика расчета расхода сжатого воздуха и его потребления.

Дата добавления: 2015-07-15