735

ся, например, удержанием всасывающего клапана в открытом состоянии. От недопус-

имеет две ступени сжатия (см. рис. 15.4): КМ1 – первая ступень (цилиндры большего диаметра), КМ2 – вторая ступень (цилиндры меньшего диаметра). В напорную линию первой ступени включен охладитель АТ1 (промежуточное охлаждение для понижения температуры воздуха на входе во вторую ступень). В напорную линию второй ступени включен охладитель АТ2.

Стационарные компрессорные установки чаще имеют водяную систему охлаждения, которая хорошо охлаждает стенки цилиндров, повышает КПД компрессора и

142

Вправой части рис. 15.5 изображены схемы двух исполнительных пневматических систем. Одна из них – для управления размыканием ленточного тормоза, другая – для привода рабочего органа вращательного действия.

Ленточный тормоз замыкается весом груза, а размыкается при подаче воздуха в поршневую полость цилиндра Ц1. Для замыкания тормоза распределитель Р3 ставят в позицию, соединяющую поршневую полость цилиндра Ц1 с атмосферой. Между распределителем Р3 и цилиндром Ц1 расположен клапан быстрого выхлопа воздуха КБВ, благодаря которому выхлоп основного объёма воздуха из поршневой полости цилиндра Ц1 при затормаживании идёт не через распределитель Р1, а по более короткому пути – через клапан КБВ. Это ускоряет процессы выхлопа и торможения. Распределитель Р3 имеет обратную связь по давлению, что обеспечивает чувствительность управления тормозом.

Вприводе рабочего органа вращательного действия (см рис. 15.5) подвод сжатого воздуха к распределителю Р4 выполнен через маслораспылитель РА. При переводе Р4 в рабочую позицию воздух подаётся в пневмомотор М и через логический элемент ИЛИ – в штоковую полость пневмоцилиндра Ц2, размыкающего тормоз. При постановке Р4 в нейтральную позицию пружина цилиндра Ц2 замыкает тормоз. Выхлоп отработавшего воздуха – через распределитель Р4 и глушитель Г.

15.4.Термодинамические процессы в пневмопередаче

Впневмопередаче идут термодинамические процессы сжатия и расширения воздуха, при которых изменяются его давление, температура и плотность. При отсутствии массообмена и давлении до 10 МПа для идеального газа (в том числе воздуха) справедливо уравнение Клапейрона или уравнение состояния идеального газа:

где р – абсолютное давление; v = 1/ – удельный объём воздуха; – плотность воздуха; Т – абсолютная термодинамическая температура; R – газовая постоянная.

Теоретически процессы сжатия и расширения могут быть:

– изотермическими, т.е. протекающими при идеальном теплообмене с окружающей средой и постоянной температуре. Для такого процесса:

– адиабатными, т.е. протекающим при полном отсутствии теплообмена с окружающей средой. Для такого процесса:

где k – показатель адиабаты. Для сухого воздуха k = 1,4.

В реальных условиях термодинамические процессы в пневмопередачах политроп-

ны, т.е. протекают при ограниченном теплообмене с окружающей средой. Для политропных процессов:

где n – показатель политропы (для сухого воздуха: 1 n 1,4).

Чем лучше теплообмен, тем процесс ближе к изотермическому, а величина n ближе к единице. Чем лучше теплоизоляция и хуже теплообмен, тем процесс ближе к адиабатному, а величина n ближе к 1,4. Процессы, происходящие в пневмопередачах, часто характеризуются значениями n = 1,2 … 1,3.

Рассмотрим изменения характеристик воздуха на пути от входа в компрессор (точка 1 на рис. 15.6 и 15.7) до места его выхлопа из пневмомотора в атмосферу (точка 5).

144

Рис. 15.6. К рассмотрению изменения характеристик воздуха в пневмопередаче

Изменение параметров воздуха в компрессоре

Задано: р1, 1 и Т1 – давление, плотность и температура атмосферного воздуха; р2 – давление на выходе из компрессора; = р2/р1 – степень повышения давления.

Найти: 2 и Т2 – плотность и температуру воздуха на выходе из компрессора. Сжатие в цилиндрах идёт при постоянной массе воздуха и ограниченном тепло-

обмене с окружающей средой. Для политропного процесса справедливо уравнение (15.4), из которого следует:

лась в 443/293 = 1,51 раза.

Из примера видно, что при политропном сжатии давление воздуха увеличивается в большее число раз, чем плотность. Это объясняется ростом температуры при сжатии.

Температура воздуха на выходе из цилиндра компрессора в данном примере равна 443 К или 170 С. Она близка к температуре вспышки компрессорного масла (220…240 С), применяемого для смазки стенок цилиндра.

Для увеличения степени повышения давления необходимо улучшить охлаждение стенок цилиндра. Если охлаждением удастся уменьшить показатель политропы до n = = 1,15…1,2, можно получить степень повышения давления 10 при допустимой температуре воздуха в конце сжатия. При 10 применяют многоступенчатое сжатие. Например, степень повышения давления = 25 можно получить в двухступенчатом компрессоре. В цилиндре первой ступени получают 1 = 5, затем воздух охлаждают и подают в цилиндр второй ступени. В цилиндре второй ступени 2 = 5. В результате = 1 2 = 25.

145

Изменение характеристик воздушного потока на пути от компрессора до выхода из ресивера

На пути между точками 2 и 3 температура воздуха существенно понижается, но это не ведёт к падению давления, так как оно при установившемся движении воздуха в пневмопередаче постоянно поддерживается компрессором. Длина пути между точками 2 и 3 мала, падением давления на этом пути можно пренебречь, приняв р3 = р2.

Пример. Дано: Т3 Т2; р3 = р2. Найти: плотность воздуха 3 в точке 3. Из уравнения р = RT находим плотность 3 воздуха при р3 = р2:

= 7,2 кг/м3. Температура сжатого воздуха после охлаждения стала равной его начальной температуре (Т3 = Т1), плотность воздуха 3 стала больше начальной плотности 1 в раз ( 3/ 1 = 7,2/1,2 = 6 = ).

Рис. 15.7. Изменение характеристик воздушного потока на пути от входа в компрессор до выхлопа из пневмомотора

Изменение характеристик воздушного потока на пути от ресивера до пневмодвигателя

Если в точке 3 температура сжатого воздуха Т3 равна температуре окружающего воздуха Т1, тогда на пути от точки 3 до точки 4 температура постоянна и равна Т4 = = Т3 = Т1. Длина пути 3–4 может быть значительной. Потеря давления на этом участке

Массовый расход при отсутствии утечек остаётся неизменным(Qm = 3Q3 = 4Q4), поэтому с уменьшением плотности 4 объёмный расход Q4 = Q3 3/ 4 и скорость воз-

духа увеличиваются. Если потери давления p3-4 составят 25 % от величины р3, то плотность 4 уменьшится на 25 %, а объёмный расход и скорость воздуха настолько же увеличатся.

146

Изменение характеристик воздушного потока при его выхлопе из пневмодвигателя

На выходе из пневмодвигателя происходит интенсивное расширение воздуха.

Дано: Т4 = 293К; р4 = 0,5 МПа; р5 = 0,1 МПа; n = 1,2.

Найти: температуру воздуха Т5 на выхлопе. Из формулы (15.7) запишем:

Т5 = Т4(р5/р4)(n-1)/n = 293(0,1/0,5)(1,2-1)/1,2 = 224 К = –49 С,

т.е. при быстром расширении, приведшем к падению абсолютного давления от 0,5 до 0,1 МПа, температура воздуха понизилась с +20 С до –49 С.

15.5. Энергия в единице объёма потока сжатого воздуха

Как сказано выше, единица объёма движущегося сжатого воздуха переносит механическую энергию ЕV = ЕVвн + ЕVp + ЕVк. Рассмотрим этот важный вопрос подробнее.

Внутренняя потенциальная энергия ЕVвн, сообщенная единице объёма сжатого воздуха при сжатии в компрессоре, равна работе, которую может совершить сжатый воздух при адиабатном расширении и понижении давления от р1 до р2.

Для единицы объёма сжатого воздуха с удельным объёмом v1 и давлением р1 работа расширения при уменьшении давления до значения р2 и соответствующем увеличении удельного объёма до значения v2 равна (рис. 16.9):

После подстановки (15.10) в (15.9) и интегрирования получено:

Из формулы (15.11) при р2 = 0 получено выражение для определения всей внутренней упругой энергии в единице объёма воздуха:

Потенциальная энергия внешнего статического давления ЕVp, сообщенная ком-

прессором единице объёма сжатого воздуха при вытеснении, численно равна статическому давлению:

Кинетическая энергия в единице объёма движущегося сжатого воздуха ЕVк:

где – коэффициент, учитывающий форму эпюры скорости по поперечному сечению потока ( = 1 – для турбулентного, = 2 для ламинарного течения); – плотность сжатого воздуха; vс – средняя по сечению скорость воздуха.

Пример. При k = 1,4; р1 = 0,6 МПа; р2 = 0,1 МПа; vс = 40 м/с; 1 = 7,2 кг/м3 расчё-

тами по формулам (15.12), (15.13) и (15.14) получено, что величины ЕVвн, ЕVp и ЕVк находятся в соотношении ЕVвн: ЕVp: ЕVк = 49:49:2.

15.6. Индикаторная диаграмма, производительность и мощность привода поршневого компрессора

Индикаторная диаграмма поршневого компрессора – это график зависимости давления воздуха в цилиндре от текущего значения объёма между крышкой цилиндра и поршнем (рис. 15.9).

За полный двойной ход поршня в цилиндре пройдут четыре процесса: расширение воздуха из «мёртвого объёма», всасывание атмосферного воздуха, сжатие воздуха, вытеснение сжатого воздуха в напорный трубопровод.

Началу открытия всасывающего клапана соответствует точка 1, а его закрытию – точка 2. Линия 2–3 соответствует процессу сжатия, линия 3–4 – процессу вытеснения сжатого газа; линия 4–1 – процессу расширения воздуха из «мёртвого объёма».

Объём поступившего в цилиндр воздуха из атмосферы Vв при всасывании меньше рабочего объёма Vр на величину приращения объёма воздуха в процессе расширении «мёртвого объёма». «Мёртвый объём» при понижении давления от р2 до р1 увеличивается до значения Vра. Это существенно уменьшает объём всасываемого из атмосферы воздуха и производительность компрессора.

Рис. 15.9. Схема устройства и индикаторная диаграмм

реального поршневого компрессора:

r – длина кривошипа; Хп = 2 r – ход поршня; Vр = Хп πd2/4 – рабочий объём, равный объёму цилиндра между верхней и нижней мёртвыми точками (ВМТ и НМТ); Vм – «мёртвый объём»; Vра – объём, занятый воздухом, расширившимся

из «мёртвого объёма» к началу всасывания из атмосферы; Vв – объём взятого из атмосферы воздуха; ра – атмосферное давление;

р1 – давление в цилиндре при всасывании; р2 – давление воздуха в конце сжатия

Из индикаторной диаграммы при политропном расширении «мёртвого объёма» следует, что объём взятого из атмосферы воздуха Vв:

где а = Vм /Vр – отношение «мёртвого объёма» к рабочему объёму; ε = р2 /р1 – отношение давления в конце сжатия и вытеснения к давлению при всасывании (степень повышения давления); n – показатель политропы процесса расширения «мёртвого объёма».

148

Наличие «мёртвого» пространства уменьшает объём всасываемого воздуха и производительность компрессора, но не влияет на величину энергии, затраченной компрессором на сжатие единицы массы воздуха и мощность привода на единицу производительности, так как воздух, расширяясь из «мёртвого» пространства, совершает работу.

15.7.Выбор компрессора, ресивера, пневмоцилиндров

итрубопроводов

Компрессор выбирают:

–по необходимому давлению pм в напорной магистрали;

–по необходимому расходу воздуха Qкм, приведенному к атмосферному давле-

нию (производительность компрессора Qкм = Qвх).

Необходимая производительность компрессора, м3/с:

где Qа – необходимый для работы пневмодвигателей расход сжатого воздуха, м3/с; pм / ра – множитель, приводящий расход воздуха к атмосферному давлению ра; 1,35 – множитель, учитывающий утечки воздуха и неравномерность работы потребителей.

Необходимый расход Qа зависит от характеристик и одновременности работы пневмодвигателей:

где zi – количество включений i-го пневмодвигателя в час; Vрi – объём сжатого воздуха, м3, расходуемый i-м пневмодвигателем за одно включение; Vрi = ti Qрi; ti – продолжительность одного включения i-го пневмодвигателя; Qрi – расход сжатого воздуха i-м пневмодвигателем, м3/с.

Объём ресивера Vрс принимают из условия его подкачки за желаемое время tп при допустимом падении давления от рmax до pmin:

где ра/(рmax – pmin) – множитель, приводящий объём при атмосферном давлении к объёму сжатого воздуха.

Выбор пневмоцилиндров

Пневмоцилиндры по назначению бывают зажимные и транспортирующие (приводные). Зажимной пневмоцилиндр (рис. 15.10) предназначен для прижатия детали к опорной поверхности с заданной силой.

Условия выбора зажимного пневмоцилиндра:

–обеспечение необходимой силы прижатия детали;

–давление в поршневой полости рп равно минимальному давлению в магистрали 4 или давлению настройки редукционного клапана КР.

Диаметр пневмоцилиндра должен удовлетворять условию:

где ηц мех – механический КПД цилиндра (ηц мех = 0,5…0,9; большие значения соответствуют большим диаметрам цилиндра); kз – коэффициент запаса по силе (kз 1,1).

Транспортирующий пневмоцилиндр (рис. 15.11) предназначен для перемещения рабочего органа поступательного действия. Условия выбора:

–разгон рабочего органа с требуемым ускорением;

–преодоление сопротивления Fро на рабочем органе при разгоне и установившемся движении;

–давление рп в поршневой полости пневмоцилиндра равно минимальному давлению в магистрали 4 или давлению настройки клапана КР.

150