Воздух под давлением: что это такое и формула потенциальной энергии сжатого газа

Общая информация

При давлении 7 бар сжатый воздух практически безопасен для использования. Он может обеспечить достаточную мощность для инструмента, как и электрическая сеть. Кроме того, их требуется меньше. Кроме того, он отличается более быстрым временем отклика, что может сделать его более удобным в долгосрочной перспективе. Однако для этого необходимо учитывать перечисленные ниже параметры.

1. Чем длиннее путь компрессор-потребитель, тем больше потребляется энергии.
2. Сжатый воздух очень эффективен при большом количестве операций одного типа, и в этом случае имеются преимущества перед электрической установкой. Эффективнее установить цилиндр, чем электродвигатель.
3. Утечки должны постоянно контролироваться.
4. Мы привыкли быть экономными при использовании воды, бытового газа и т.д., но при использовании этого вида энергии многие люди становятся расточительными и считают ее бесплатной. Пневматические системы на производстве нуждаются в постоянном совершенствовании, например, в Западной Европе постоянно разрабатываются новые конструкции сопел, использующие меньше воздуха и меньше шума.
5. 

Что представляет собой сжатый воздух?

Сжатый воздух — это воздух под давлением, превышающим атмосферное. Это то же самое, что и воздух, которым мы дышим, только принудительно сжатый до меньшего объема и удерживаемый под давлением. Воздух состоит из 78% азота, 20-21% кислорода и около 1-2% других газов и водяного пара. После сжатия воздух остается той же смесью газов, но он вытесняется в меньшее пространство, в котором расстояния между молекулами уменьшаются.

Сжатый воздух, который может храниться под высоким давлением, является отличной средой для передачи энергии. Сжатый воздух является популярным источником энергии, поскольку он безопаснее и проще в обращении, чем такие альтернативы, как пар и батареи. Пар может быть опасен, так как он очень горячий, а батареи могут разрядиться, что делает оба варианта нежелательными.

Сжатый воздух безопасен в использовании, его легко хранить и он имеет множество универсальных применений.

Выделенная область показывает сжатый воздух

Каким образом происходит сжатие воздуха?

Воздух сжимается с помощью воздушного компрессора. Воздушный компрессор всасывает воздух через впускной клапан, сжимает его до необходимого объема и выпускает сжатый воздух в резервуар для хранения через выпускной клапан. Процесс сжатия обычно приводится в действие электродвигателем.

Системы сжатого воздуха могут работать на основе двух видов вытеснения воздуха.

Вытеснение — наиболее распространенный метод сжатия; компрессор, работающий по принципу вытеснения, выталкивает воздух в замкнутое пространство, обычно за счет движения механического устройства.

Динамическое перемещение — В отличие от компрессора с принудительным перемещением, компрессор с динамическим перемещением физически уменьшает количество всасываемого воздуха и разгоняет его до высокой скорости. Вырабатываемая энергия увеличивает давление воздуха.

Технологии положительного смещения

Компрессоры объемного типа используют различные технологии для сжатия воздуха, и их можно разделить на две категории: ротационные и поршневые. В ротационных компрессорах для сжатия воздуха используется вращающийся компонент, а в поршневых компрессорах для сжатия воздуха используется поршневой цилиндр, который совершает возвратно-поступательное движение вверх и вниз.

Температура

После того как воздух всасывается в компрессор, начинается сжатие. Во время сжатия воздуха в компрессоре температура может повышаться до 180 градусов, но после попадания в ресивер температура снижается примерно до 40 градусов. При понижении температуры начинает образовываться конденсат, т.е. осаждение влаги.

Характеристики сжатия воздуха.

• При сжатии воздуха его температура всегда повышается, поскольку молекулы начинают двигаться быстрее, выделяется тепло, и существует прямая зависимость между повышением температуры и степенью сжатия. Другими словами, чем сильнее мы сжимаем воздух, тем выше становится его температура. Это справедливо и для малых давлений.
• Водяной пар также сжимается и впоследствии конденсируется.
• Конденсат является загрязнителем и собирает частицы пыли, масла, накипи и т.д.
• Конденсат и другие загрязнения необходимо удалять, так как они могут нанести вред системе сжатого воздуха, привести к коррозии, повышенному износу и повреждениям.

Состав сжатого воздуха

Воздух, подаваемый в компрессор, может содержать до двух миллиардов частиц пыли, загрязненных в виде твердых частиц. Кроме того, добавляются влага, пары масла и частицы углерода. Масляный туман может повредить компрессор во время работы, а также может попасть на людей или продукты питания, если компрессор используется в медицинской, фармацевтической или пищевой промышленности. Масляный туман трудно отделить от основного потока воздуха. Поэтому для предотвращения износа и обеспечения длительной работы необходимо очищать воздух. Сжатый воздух также должен соответствовать требованиям DIN ISO 8573-1:2001 или ГОСТ 17433-80.

Очистка сжатого воздуха

Для того чтобы соответствовать высоким требованиям к сжатому воздуху на современных производствах и, соответственно, к продукции, необходимо наличие комплексных систем подготовки и очистки воздуха.
Производство высококачественного сжатого воздуха в последнее время приобретает все большее значение в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к оборудованию современной промышленностью, и ожиданием потребителей высококачественной продукции.

Это привело к разработке интегрированных систем подготовки и очистки сжатого воздуха. Охладители воздуха, например, используются для удаления влаги и выпадения конденсата путем охлаждения воздуха примерно до 10 градусов Цельсия относительно температуры окружающей среды. Кроме того, осушители воздуха используются для получения сжатого воздуха с требуемым содержанием влаги (точка росы). Для удаления примесей и загрязнений, таких как пыль, окалина, ржавчина и пары масла, необходимо использовать фильтры.

Применение сжатого воздуха

Очень часто операторы используют эту форму энергии для быстрой и эффективной очистки оборудования от загрязнений и пыли. Сжатый воздух также широко используется для промывки труб в котельных. В деревообрабатывающей промышленности он используется для очистки помещений, станков и даже древесной стружки с одежды. Стандарты на этот источник энергии уже существуют в большинстве стран, например, CUVA в Европе и OSHA в США. Помимо его использования в производственных операциях, распространены инструменты, работающие непосредственно на воздухе — это шуруповерты, пневматические дрели, гайковерты, отбойные молотки (при установке и строительстве оборудования) и шредеры (при капитальном ремонте). Кроме того, в настоящее время в пневматическом оружии широко используется сжатый воздух из газовых баллонов.

Зажатие или растяжение сжатым воздухом.

Это очень распространенное применение сжатого воздуха в автоматизированных процессах. Обрабатываемый объект зажимается в заданном положении. Цилиндр предназначен для преобразования энергии сжатого воздуха в возвратно-поступательное движение штока. Когда в цилиндр подается воздух под давлением, поршень перемещается вместе со штоком, создавая толкающую или тянущую силу. Усилие не зависит от установленного значения. Когда работа завершена, давление ослабевает, и сила больше не прикладывается.

Инструменты с пневматическим приводом

Пневматические инструменты используются во всех отраслях промышленности. Пневматические механизмы и инструменты преобразуют энергию сжатого воздуха в кинетическую энергию для перемещения поршня.

В эту категорию входят вибраторы, пневмомолотки и формовочные машины. Пневматическая энергия также используется для приведения в действие клапанов и направляющих, инструментов, регулирующих устройств, систем подачи и транспортных средств.

Транспортировка/пневмотранспорт

В механических и автоматических системах объекты перемещаются с помощью сжатого воздуха.

Сжатый воздух часто используется для взрывной обработки конвейерных систем, чтобы перевернуть продукты или предметы, не соответствующие спецификациям.

Пневматическая транспортировка порошков и сыпучих материалов по трубам имеет много преимуществ перед другими альтернативными методами. Использование таких систем позволяет транспортировать материалы на расстояния более полумили. Пневматическая система имеет относительно долгий срок службы и низкие эксплуатационные расходы. Загрязнение продукта исключено, а выбросы мелких частиц в окружающую среду минимальны.

Для транспортировки этих материалов используется транспортировка плотной фазы. Этот метод известен уже давно, но обычно используется только для транспортировки нескольких материалов, таких как цемент и летучая зола. В последнее десятилетие значительно увеличилось количество пневмотранспортных установок, использующих технологию плотной фазы для транспортировки широкого спектра материалов — от собачьего корма до пластиковых гранул.

Плотные растения получили широкое распространение на рынке благодаря своей экономической эффективности. Производители продуктов питания, пластмасс, фармацевтических препаратов, строительных материалов и сухих химикатов являются глобальными поставщиками. Системы перемещения материалов, необходимые для доставки этих продуктов, рассчитаны на обработку миллионов тонн в год. Затраты на совершенствование этих систем быстро окупаются за счет сокращения отходов продукции.

Распыление

Энергия сжатого воздуха используется для проталкивания материалов или жидкостей через сопло. Процессы обработки поверхности, такие как очистка песка или гравия, также относятся к этой категории. Другим применением струйной обработки является производство снега или распыление жидкостей через форсунку.

Обдув и продувка воздухом

Сжатый воздух является рабочей средой для продувки и очистки. Декомпрессия и объемное расширение воздуха создают скорость потока. Сжатый воздух используется для выдувания бутылок, очистки инструментов и форм, удаления остатков и транспортировки. Сжатый воздух также используется для охлаждения. Если сжатый воздух используется непосредственно из главного коллектора, рекомендуется сначала отрегулировать его. В противном случае при увеличении давления будет расходоваться больше воздуха (см. приложение, поток через отверстия). Для открытых систем охлаждения рекомендуется использовать специальные форсунки. Распылитель следует использовать при максимальном давлении 2 бар.

Испытания и проверки

Изменение давления в точке измерения используется для позиционирования, изменения веса и формы. Это позволяет пересчитать товар, скорректировать положение или определить наличие деталей.

Управление производственным процессом

Это очень распространенный способ использования сжатого воздуха. Управление воздушными компрессорами осуществляется с помощью пневматических электромагнитных клапанов и реле давления. Все пневматические системы должны управляться каким-либо методом. Механизм управления может приводиться в действие различными способами, например, с помощью механических переключателей, стопоров или вручную. Также широко используются электрические выключатели.

Другие варианты применения

Ниже перечислены области применения сжатого воздуха в промышленности.

• Сельское и лесное хозяйство — для защиты растений и борьбы с сорняками, транспортировки кормов и зерна, автоматических дозирующих устройств и систем вентиляции для теплиц.
• Химическая промышленность — сырье для окислительных процессов, управление процессами и контрольно-измерительные приборы, дистанционное управление клапанами и системы наведения.
• Строительная промышленность — бурильные и отбойные молотки, бетонные катки, системы транспортировки для кирпичных заводов.
• Ремесленная промышленность — степлеры и гвоздодеры, краскопульты, дрели и шуруповерты, угловые шлифовальные машины.
• Энергетика — монтаж и извлечение активных зон реакторов, регулирующих клапанов и задвижек в паровых и тепловых контурах, вентиляционных системах котельных.
• Технологии защиты окружающей среды — образование масляных барьеров в воде, обогащение воды кислородом, защита компонентов от замерзания, приводы заслонок в очистных сооружениях, повышение давления в системах подачи питьевой воды.
• Пищевая промышленность — оборудование для дозирования напитков, укупорочное и инспекционное оборудование, оборудование для укладки и пакетирования сыпучих продуктов, дозаторы этикеток, весовое оборудование, сушильное и холодильное оборудование.
• Здравоохранение — стоматологические бормашины, кислородное оборудование.
• Производство пластмасс — оборудование для транспортировки трубчатых гранул, резки и сварки, выдува деталей из производственных форм, замковые механизмы для литейных форм, оборудование для формовки и склеивания.
• Бумагообрабатывающая промышленность — оборудование для регулировки и подачи рулонов, оборудование для резки, тиснения и прессования, контроль бумажных рулонов, удаление разрывов из бумажных рулонов.

• Сталелитейные и литейные заводы — снижение углерода при производстве стали, оборудование для соединения заготовок, охлаждение и системы для горячего инструмента.
• Текстильная промышленность — устройства для фиксации материала в швейных машинах, швейные иглы и системы охлаждения, устройства для укладки, выдувания остатков материала и швейной пыли.
• Транспортные средства — пусковые устройства для дизельных и реактивных двигателей, пневматические тормоза для грузовиков и железнодорожного транспорта, пневматические автоматические двери, испытание давлением резервуаров для транспортировки газов.
• Деревообрабатывающая промышленность — регулировка роликов рамных пил, систем подачи сверл, рамных, клеевых и фанерных прессов, удаление стружки и опилок из рабочих зон, автоматических гвоздезабивных устройств для производства поддонов.

Безопасность

При использовании сжатого воздуха необходимо соблюдать следующие меры предосторожности

1. Струя не должна быть направлена в рот, глаза, нос, уши или другие места.
2. Не обрабатывайте открытые раны сжатым воздухом, так как под кожей могут образоваться пузырьки воздуха, что может привести к сердечному приступу, если они достигнут сердца, или к кровоизлиянию в мозг, если они достигнут мозга. Кроме того, если воздух попадает в рану, он может занести инфекцию в компрессорную систему или трубки.
3. Не направляйте струи сжатого воздуха на других людей.
4. Не подавайте избыточное давление в систему компрессора.
5. Все детали системы сжатого воздуха должны быть тщательно закреплены во избежание разрывов и травм.
6. Не допускается удаление пыли и грязи в присутствии источника открытого пламени или при проведении сварочных работ. Это может привести к взрыву из-за взвешенной пыли.
7. При работе с системами сжатого воздуха необходимо использовать средства индивидуальной защиты, такие как защитные очки или лицевые щитки.
8. Не затягивайте муфты, резьбовые соединения, болты в узлах или болты на трубах, находящихся под давлением.
9. При установке пневматических систем закрепляйте шланги в местах, где риск их повреждения наименьший (потолки, стены).

Хранение и транспортировка сжатого воздуха

Воздух хранится в металлических баллонах малого и среднего объема при давлении 150-200 атм. Цилиндры изготовлены из легированной и углеродистой стали и окрашены в черно-белый цвет с символом «сжатый воздух».

Перед помещением в цилиндр воздух очищается от примесей и сжимается под давлением, значительно превышающим атмосферное. Распыление сжатого воздуха на незакрытые части тела может привести к ожогам.

Баллоны со сжатым воздухом можно найти рядом с компрессорным оборудованием, а также использовать в домашних условиях, например, для надувания воздушных шаров. Небольшие цилиндры очищают оборудование, выдувая струю воздуха, тем самым удаляя пыль. Сжатый воздух необходим для использования любого пневматического оружия, такого как пневматическое оружие и пейнтбольные шары.

Сжатый воздух есть везде: он необходим и для накачивания шин, и для промышленных процессов. Сжатый воздух используется в промышленности как в качестве источника энергии («аэродинамический»), так и как часть производственного процесса (активный воздух).

Преимущества сжатого воздуха

Вот некоторые преимущества использования этого источника энергии на производственной линии

1. Пневматические инструменты легкие, но при этом обеспечивают достаточную мощность.
2. Эти системы могут использоваться в течение длительного времени без перегрева.
3. Низкие затраты на обслуживание системы.
4. Пневматические компрессоры могут использоваться в качестве источника энергии в производственных линиях со взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами (подземные туннели, шахты).
5. Эти инструменты подходят для использования в мастерских с высокоагрессивной средой. Однако следует учитывать, что рабочая температура сжатого воздуха должна быть на десять градусов Цельсия выше, чем температура окружающей среды. Кроме того, влажность в воздушном потоке увеличивается пропорционально этому параметру.
6. Использование пневматических систем позволяет значительно упростить автоматизацию производственных процессов. Например, сушка, покраска и т.д.
7. Время простоя также сокращается.

Сети сжатого воздуха

Для достижения оптимальной и высокоэкономичной системы необходимо соблюдать следующие требования. Потери в пневматической системе должны быть сведены к минимуму, а воздух должен поступать в помещение заказчика чистым и сухим, этого можно достичь, установив осушитель, который позволяет конденсировать влагу. Особое внимание следует также уделить состоянию основных воздуховодов. Правильно установленные воздухопроводы — это гарантия долгого срока службы и снижения затрат на обслуживание. Повышенный уровень давления сжатого воздуха в компрессоре компенсирует падение давления в воздуховодах.

Расчет потребления сжатого воздуха

Компрессорные системы всегда включают в себя ресивер (накопитель воздуха). В зависимости от мощности и производительности установки, система может содержать несколько ресиверов. Их основная функция заключается в сглаживании пульсаций давления, а внутри ресивера газовая масса охлаждается, тем самым образуя конденсат. Расчет сжатого воздуха включает в себя определение потребления воздушных ресиверов. Этот показатель рассчитывается по следующей формуле.

• V = (0,25 x Qc x p1 x T0)/(fmax x (pu-pl) x Tl), где.
  — V — объем ресивера.
  — Qc — производительность компрессора
  — p1 — давление на выходе устройства.
  — Tl — максимальная температура.
  — T0 — температура сжатого воздуха в ресивере.
  — (pu-pl) — Установленная разность давлений между нагрузкой и нагнетанием.
  — fmax — Максимальная частота.

Что такое воздушный компрессор — 8 основных типов устройств для сжатия воздуха

Компрессоры — это механические устройства, используемые для повышения давления различных сжимаемых жидкостей или газов (обычно воздуха). Они используются во всех видах промышленности для подачи воздуха в помещения или оборудование. Питание пневматических инструментов, распылителей краски, хладагентов с фазовым переходом, кондиционирование и охлаждение воздуха, транспортировка газов по трубам и т.д.
Как и насосы, компрессоры делятся на центробежные (динамические или с приводом) и объемные. Однако компрессоры чаще всего представляют собой объемный тип, а не динамический тип насоса, который доминирует. Их размер может варьироваться от насосов для накачивания шин до гигантских поршневых или турбокомпрессоров для обслуживания трубопроводов.
Компрессоры различаются по способу производства сжатого воздуха или газа.

Поршневой компрессор

Поршневые компрессоры основаны на возвратно-поступательном движении одного или нескольких поршней для сжатия газа в одном (или нескольких) цилиндрах и выпуска его через клапан в сосуд под давлением. Во многих случаях резервуар и компрессор устанавливаются как единое целое на общей раме или салазках.
Хотя основной функцией поршневых типов является производство сжатого воздуха в качестве источника энергии, они также используются для транспортировки природного газа по трубопроводам. Выбор этого типа устройства обычно основывается на требуемом давлении и расходе.
Одноступенчатого компрессора будет недостаточно для достижения более высокого давления, поэтому используется двухступенчатый компрессор. Сжатый воздух, проходящий через вторую ступень, предварительно охлаждается при прохождении через первую ступень.
Говоря о температуре, многие поршневые компрессоры предназначены для работы в режиме «включено-выключено», а не в непрерывном режиме. Этот цикл позволяет выравнивать тепло, выделяемое во время работы, в большинстве случаев через охлаждающие трубы.
Поршни выпускаются в двух исполнениях: с маслом и без масла. Безмасляный тип подходит там, где требуется наилучшее качество воздуха без примесей.

Мембранный компрессор

Мембранные компрессоры внешне похожи на поршневые и используют концентрически расположенный двигатель, который колеблет гибкий диск. Она попеременно расширяет и сжимает камеру сжатия. Как и в мембранных насосах, привод герметизируется гибким диском для предотвращения попадания жидкости, поэтому жидкость не может вступить в контакт с газом.
Воздушный мембранный тип представляет собой устройство малой производительности и используется в тех случаях, когда требуется очень чистый и неочищенный воздух, например, в лабораториях или медицинских учреждениях.

Винтовой компрессор

Винтовой компрессор — это ротационная винтовая машина, которая может работать весь день, что делает его хорошим выбором для применения в строительстве или дорожном строительстве. Он захватывает главный и ведомый роторы и втягивает газ внутрь к приводу, сжимая его до тех пор, пока ротор не образует клетку, а газ выходит через отверстие в конце машины вдоль ее оси.
Вращательное действие винтового типа делает его более тихим, чем поршневой компрессор, благодаря снижению вибрации. Еще одним преимуществом этого типа по сравнению с поршневым является функция выпуска воздуха без вибрации. Эти устройства могут использовать в качестве смазки масло или воду. Однако, если используется масло, устройству может потребоваться частая диагностика.

Пластинчатый компрессор

Пластинчатый компрессор работает с помощью ряда лопаток, установленных на роторе, которые перемещаются вдоль внутренней стенки устройства. Лопасти уменьшают радиус своего вращения, чтобы сжать захваченный газ (воздух) при вращении от стороны входа газа к стороне выхода. Лезвия скользят по масляной пленке, образующейся на стенках полости внутри прибора, обеспечивая уплотнение.
Лопастные типы не производят воздух без масла, но они способны обеспечить сжатый воздух без колебаний и ударов. Они относительно тихие, надежные и могут работать без перерыва в течение значительного времени. Компрессоры используются во многих «безвоздушных» приложениях, например, в нефтегазовой и других технологических отраслях.

Спиральный компрессор

В спиральных компрессорах используются неподвижные и вращающиеся спирали, расстояние между которыми уменьшается по мере того, как движущаяся спираль обходит неподвижную. Газ входит через внешний край спирали, а выходит ближе к центру. Поскольку спирали не соприкасаются, дополнительная смазка не требуется, что позволяет этому типу производить безмасляный воздух.
Однако производительность спиральных компрессоров несколько ограничена тем, что для снижения температуры после сжатия не используется масло, как в других типах. Спирали часто используются в установках малой мощности и для бытового кондиционирования воздуха.

Роторный компрессор

Роторные компрессоры — это высокопроизводительные агрегаты низкого давления, более известные как воздуходувки. Два ротора вращаются в противоположных направлениях. Когда каждый ротор проходит через воздухозаборник, он захватывает воздух и несет его к выходу. Когда газ приближается к точке выхода, он сжимается и вытесняется под давлением.
Роторно-лопастной тип состоит из двух сцепленных роторов, установленных на параллельных валах. В двухлопастных компрессорах каждый ротор имеет две пластины (четыре пластины на машину). В трехлопастных машинах на каждый ротор приходится по три пластины (шесть пластин на блок).

Центробежный компрессор

Центробежные компрессоры работают по принципу высокоскоростных насосных машин, передавая скорость газу для повышения давления. Они в основном используются в крупносерийном производстве, например, в коммерческих холодильных установках мощностью 100 л.с. и выше.
Почти идентичные по конструкции центробежным насосам, центробежные насосы увеличивают скорость за счет выталкивания газа наружу под действием вращающейся турбины. Газ расширяется в спиральной камере, его скорость уменьшается, а давление увеличивается.
Центробежные компрессоры имеют очень низкую степень сжатия, но захватывают большой объем газа. Большинство центробежных типов используют несколько ступеней для увеличения степени сжатия. В таких многоступенчатых компрессорах газ обычно проходит через промежуточный охладитель между двумя ступенями.

Осевой компрессор

Осевые компрессоры обеспечивают максимальную производительность воздуха, от 80 до 13 миллионов кубических футов в минуту в промышленных установках. Реактивные двигатели используют этот тип компрессора для создания больших объемов.
По сравнению с центробежными компрессорами, осевые компрессоры чаще всего имеют многоступенчатую конструкцию из-за относительно низкой степени сжатия. Как и в случае с центробежными компрессорами, компрессоры с осевым потоком сначала повышают давление за счет увеличения скорости газа. Затем осевой компрессор замедляет газ с помощью изогнутых неподвижных лопаток, тем самым повышая давление.

Варианты питания и топлива

Воздушные компрессоры могут приводиться в действие электричеством, обычно 12 или 24 вольта постоянного тока. Компрессоры также могут работать от стандартного напряжения переменного тока 120 В, 220 В или 440 В.
Существуют также агрегаты с двигателями, работающими на горючем, например, бензиновыми и дизельными. Как правило, когда необходимо обеспечить работу без выхлопа, или когда использование или наличие горючего топлива нежелательно, желательно использовать устройства с электрическим приводом. Шум также играет роль при выборе топлива, поскольку электрические воздушные компрессоры обычно имеют более низкий уровень шума, чем двигатели, работающие на горючем топливе.
Кроме того, некоторые типы агрегатов могут иметь гидравлический привод без использования горючего топлива и выброса выхлопных газов.