Dołącz do czytelników
Brak wyników

Obiekt i media

7 czerwca 2021

NR 3 (Maj 2021)

Jak wyeliminować straty energii sprężonego powietrza i poprawić rachunek ekonomiczny?

0 50

Urządzenia pneumatyczne odgrywają w nowoczesnych systemach technicznych ważną rolę. Duża liczba obecnie budowanych maszyn ma mniej albo bardziej rozbudowane pneumatyczne podsystemy napędowe, a w wielu z nich, oprócz pneumatycznych podsystemów sterowania, stanowią ich najważniejszą część roboczą. 

Powszechne stosowanie napędów pneumatycznych wynika z zalet czynnika roboczego – powietrza – oraz z zalet urządzeń napędzanych tym czynnikiem. Dostępność powietrza, jako medium, jest niewątpliwie największą zaletą. Jednak w procesie eksploatacji maszyn i urządzeń układy pneumatyczne wymagają specyficznie przygotowanego powietrza, jego przesyłu obarczonego najmniejszymi startami oraz optymalnego wykorzystania w urządzeniach roboczych, tzw. aktuatorach. 

Sprężone powietrze najczęściej nie jest dostarczane przez zewnętrznych dostawców, tylko wytwarzane przez jego użytkownika na miejscu. Sprężone powietrze wytwarza się w kompresorze, który w większości przypadków napędzany jest energią elektryczną z sieci. Spełnienie wymogów jakościowych oraz maksymalne obniżenie kosztów produkcji spoczywa zatem na użytkowniku [5]. Pojawia się pytanie: jak policzyć te koszty, gdzie są możliwe straty, jak je ograniczać? Najprostszy sposób stanowi zlecenie wykonania pomiarów i oceny stanu systemu pneumatycznego przez wyspecjalizowaną firmę, która przeprowadzi nam audyt [np. 9, 10 i inne]. Ale czy własne służby utrzymania ruchu mogą podjąć wyzwanie oceny i następnie poprawy stanu systemu sprężonego powietrza? Tak, jeśli posiadają (lub posiądą) odpowiednią wiedzę i przeprowadzą to wg pewnego konkretnego planu. Studia inżynierskie w zakresie budowy i eksploatacji maszyn, w tym mechatroniki, najczęściej przygotowują swoich absolwentów do korzystania z systemów pneumatycznych. Również techniki mechatroniczne mają w programie pneumatykę i hydraulikę. Sprawność posługiwania się odpowiednimi zależnościami matematycznymi lub fizycznymi zależy jednak od samych zainteresowanych. Służą tu także pomocą firmowe publikacje internetowe, ale wnioski producentów najczęściej prowadzą do konieczności wymiany na sprzęt nowy, koniecznie tego producenta. 

Przypomnienie kilku informacji pozwoli Czytelnikowi na skojarzenie innych, bardziej złożonych zależności, prowadząc do ustalenia własnego programu naprawczego, w zakresie ekonomii zasilania sprężonym powietrzem. Odniesiemy się tu do instalacji istniejącej fizycznie, a nie takiej w etapie projektowania. Wykorzystanie energii sprężonego powietrza w warunkach przemysłowych prezentowane jest w różnych publikacjach podobnie. Efektywne wykorzystanie oznacza 50-85%, co w sumie oznacza 15-50% straty, z różnych powodów, ale STRATY [np. 2, 4, 6]. Powinniśmy więc zidentyfikować miejsca powstawania strat –eliminując je, poprawimy ostatecznie rachunek ekonomiczny. Wiele z dostarczonej energii przepada z powodu nieszczelności, strat cieplnych, strat spowodowanych pracą kompresorów na biegu jałowym czy nadmiarem siły i momentu w elementach wykonawczych. 

Zapotrzebowanie na siłę na tłoczysku siłownika 

W układach pneumatycznych elementy sterujące (głównie zawory) sterują elementami napędowymi (siłowniki, silniki) wytwarzającymi siły i przemieszczenia. Siły na tłoczysku siłownika z tłoczyskami dwustronnymi (rys. 1a, różne grubości tłoczyska) oblicza się następująco [1]:

\(F_1=A_1\times p_1\)

\(F_2=A_2\times p_2\)

\(A_1= \frac{\pi(D^2-d\frac{2}{1})}{4}\)

\(A_2= \frac{\pi(D^2-d\frac{2}{2})}{4}\)

gdzie: A1, A2 – pole powierzchni czynnej tłoka, p1, p2 – odpowiednie ciśnienia, F – siła wypadkowa.

 

Z tych zależności wynika wpływ ciśnienia powrotu, a szczególnie skuteczna szybkość jego spadku! 

Siła wypadkowa F wyniesie:

\(F=F_1-F_2={A_1}{p_1}-{A_2}{p_2}=\frac {\pi}{4}[(D^2-d \frac{2}{1})p_1-(D^2-d \frac{2}{2})p_2]\)

Gdy d1 = d2 = d (rys. 1b), otrzymuje się:

\(F=\frac{\pi}{4}(D^2-d^2)(p_1-p_2)\)

Siły występujące na tłoczyskach siłowników z tłoczyskami jednostronnymi oblicza się wg poniższych zależności. Dla przypadku z rys. 2a otrzymujemy:

\(F={A_1}{p_1}-{A_2}{p_2}=\frac{\pi}{4}[D^2_{p1}-(D^2-d^2){p2}]\)

gdzie pola powierzchni tłoka wynoszą:

\(A_1=\frac{\pi D^2}{4}\)

\(A_2=\frac{\pi (D^2-d^2)}{4}\)...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy