Определение производительности компрессора

Контрольные задания для выполнения

Контрольной работы по дисциплине

«Элементы и схемы пневмоавтоматики»

Задание № 1

Произвести расчёт параметров (характеристик) и произвести выбор компрессора, охладителя (доохладителя), циклонного сепаратора, воздушного ресивера, рефрижераторного осушителя сжатого воздуха, магистрального фильтра и конденсатоотводчика для магистрального блока подготовки воздуха для пневматической системы, обеспечивающей сжатым воздухом требуемой кондиции (качества) пневматическое оборудование технологических машин.

При выборе вышеуказанного пневматического оборудования (кроме компрессора) рекомендуется воспользоваться техническим каталогом фирмы OMEGA AIR (электронный вариант технического каталога прилагается в виде отдельного файла «Каталог продукции OMEGA AIR Подготовка сжатого воздуха и газа».

Выбор компрессора осуществляется из каталогов фирм-производителей по усмотрению студента.

Параметры и характеристики пневматической системы приведены в таблице 1.

    Выбор варианта задания № 1 определяется последней цифрой номера зачётной книжки студента.

 

Порядок расчёта и выбора основных компонентов

Компрессорной станции

Выбор типа компрессора

В настоящее время в системах автоматизации технологических объектов и системах управления пневматических приводов наибольшее распространение получили два типа компрессоров: поршневые и винтовые.

Основные особенности винтовых компрессоров следующие:

- идеальны в качестве машин основной нагрузки, когда в системе отсутствуют резкие пики потребления. Винтовые компрессоры приспособлены к длительной безостановочной работе.

Например, на некоторых предприятиях, эксплуатирующих винтовые компрессоры, они безостановочно работают в режиме нагрузки до 3000 часов - это время между проведением планового технического обслуживания (само техническое обслуживание обычно занимает от 0,5 до 2 часов, в зависимости от опытности и расторопности персонала, и, конечно, типоразмера компрессорной установки).

 

Таблица 1 – Исходные данные для расчёта задания № 1

 

Параметры и характеристики пневматической системы		Номер варианта задания
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Давление сжатого воздуха питания потребителя, бар		4	5	6	4	5	6	4	5	6	4
Средняя величина потребления сжатого воздуха потребителем, QB, Нм³/мин		5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
Пиковое потребления сжатого воздуха потребителем, % QB		120	125	130	135	140	145	150	155	160	165
Время действия пика потребления, мин		5	6	7	8	9	7	6	5	4	3
Производительность компрессора, QK, м3/мин		Производительность компрессора выбирается студентом самостоятельно из каталогов фирм-производителей с учётом нижеприведённых рекомендаций и условий.
Утечки сжатого воздуха, v, % QВ		3,5	4,0	2,5	2,0	2,5	3,5	5,0	4,5	5,5	2,5
Резерв сжатого воздуха, r, % QВ		5,0	7,5	10,0	12,5	5,0	7,5	10,0	12,5	5,0	7,5
Ошибка при расчётах, е, % QВ		10	9,5	9,0	8,5	8,0	7,5	7,0	6,5	6,0	5,5
Сменность работы пневматического оборудования		1	2	3	3	2	1	1	2	3	2
Количество рабочих дней в неделю		7	6	5	5	6	7	7	6	5	6
Тип компрессора: П – поршневой; В – винтовой		П	В	П	В	П	В	П	В	П	В
Температура воздуха (0С) в компрессоре:	на входе	+10	-5	0	+15	+10	+20	-10	-15	-10	0
	на выходе	+60	+70	+80	+75	+50	+90	+65	+70	+55	+85
Требуемый класс чистоты сжатого воздуха для пневматического оборудования		класс 6.6.4 – для нечётных вариантов; класс 7.6.4 – для чётных вариантов и 0 варианта по ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016 (ISO 8573-1:2016)

 

В то же время, управление компрессором в случае колебаний потребления сжатого воздуха решается с помощью включения режима холостого хода, в том числе и с возможностью отсрочки остановки, или без остановки вообще - таким образом, винтовой компрессор может работать в том же режиме, что и поршневой;

- высокая производительность. Винтовые компрессоры - это наиболее экономичный тип компрессоров в тех случаях, когда требуется высокая производительность;

- высокое качество сжатого воздуха. Благодаря встроенной системе сепарации масла, сжатый воздух, вырабатываемый винтовыми маслозаполненными компрессорами, имеет значительно более высокое качество, чем вырабатываемый поршневыми маслосмазываемыми компрессорами.

- сжатый воздух на выходе без пульсаций давления. Сжатый воздух, вырабатываемый винтовыми компрессорами, можно использовать для снабжения чувствительных к пульсациям потребителей без применения ресиверов;

- экономичны при финальных давлениях сжатия от 5 до 13 бар. Обычными модификациями винтовых компрессоров основных фирм-производителей, являются компрессоры с максимальным давлением сжатия 8, 10 и 13 бар (избыточного давления).

- винтовые компрессоры более пригодны для эксплуатации в местах установки, где ключевое значение имеет уровень производимого шума при работе. Уровень звукового давления винтовых компрессоров ниже, чем поршневых, и, что также важно, структура производимого винтовыми компрессорами шума такова, что дискомфорт ощущается человеком в меньшей степени, чем при использовании поршневого компрессора.

Основные особенности поршневых компрессоров следующие:

- могут использоваться в условиях переменной величины потребления сжатого воздуха. Идеальный вариант для использования в качестве машин компенсирующих пиковую нагрузку, в добавление к винтовым компрессорам, обеспечивающих покрытие базовой (основной) нагрузки;

- малая производительность. Поршневые компрессоры достаточно экономичны при малых расходах сжатого воздуха, сочетающихся с неравномерностью потребления;

- возможность сжатия воздуха до средних, высоких и особо высоких давлений.

 

Определение (выбор) основных параметров

Компрессора

 

Основными параметрами компрессоров являются выходное избыточное давление Р_max и производительность компрессора Q_K.

 

Факторы, влияющие на выбор Р_max.

Давление в воздушном ресивере (или вообще в трубопроводе на выходе компрессора), которое колеблется между максимальным давлением Р_max и давлением перехода под нагрузку Р_min, всегда должно быть выше, чем то давление, которое необходимо для работы потребляющим сжатый воздух агрегатам.

Второй момент, который нужно принимать во внимание при выборе максимального рабочего давления компрессора - это падение давление в пневматической сети.

Типичными причинами и факторами, влияющие на величину падения давления в сетях сжатого воздуха являются: конфигурация пневматической сети, состав пневматического оборудования и особенности работы компрессора.

Конфигурация пневматической сети. В случае наличия небольшой сети сжатого воздуха (незначительной протяжённости и слабой разветвлённости), принято принимать расчетное падение давления на трубопроводах за 0,1 бар. Разумеется, при проектировании трубопроводов следует придерживаться определенных правил, и обеспечивать минимальное падение давления в магистральных трубопроводах.

Для большой (протяжённой) и сильноразветвленной пневматической сети сжатого воздуха, обычно принимают падение давление  равное 0,5 бар в самой удалённой точке магистрали.

Осушители сжатого воздуха. На осушителях сжатого воздуха (при наличии таких устройств в пневматической сети), также происходит падение давления.

Типичным уровнем падения давления на рефрижераторных осушителях является 0,2...0,4 бар - хотя некоторые удачно сконструированные осушители обеспечивают и меньший перепад, как, например, есть конструкции осушителей, падение давления на которых составляет 0,1 бар.

На адсорбционных осушителях большинства фирм-производителей давление падает на 0,3...0,8 бар - опять же, перепад давления на адсорбционных осушителях ведущих фирм может и не превышает 0,3 бар.

Магистральные фильтры. Перепад давления на магистральных фильтрах сжатого воздуха растет по мере загрязнения их фильтрующих элементов.

 «Опорной точкой» для оценки того, как быстро это будет происходить, является начальный уровень дифференциального давления, который обеспечивает новый, сухой и чистый фильтрующий элемент.

Например, современные качественные фильтрующие элементы общей очистки сжатого воздуха имеют начальное дифференциальное давление 0,03 бар.

При обычных условиях эксплуатации, примерно за год это дифференциальное давление возрастает до уровня 0,3 … 0,35 бар, что является рекомендуемым многими производителями значением дифференциального давления, при котором фильтрующий элемент нужно заменять или прочистить (если это возможно).

Так как и начальный уровень падения давления, и динамика его роста у фильтров бюджетной линейки большинства производителей значительно выше, рекомендуется, в общем случае, отталкиваться от того, что если падение давления на каждом магистральном фильтре будет составлять 0,5 бар его обязательно надо заменить.

На циклонных сепараторах (фильтрах) падение давления составляет обычно 0,06...0,08 бар, и является постоянным на протяжении всего срока эксплуатации. Это связано с тем, что данные фильтры являются фильтрами бесконтактного типа, отделение загрязнений в данных фильтрах обеспечивается за счёт действия центробежных сил на загрязнители.

Циклический дифференциал компрессора. Циклический дифференциал компрессора - это то, о чем никогда нельзя забывать при выборе максимального рабочего давления.

Нужно помнить, что если максимальное рабочее давление компрессора Р_max составляет Х бар, это не значит, что он всегда будет выдавать такое давление.

Напротив, давление на выходе компрессорной установки будет колебаться между Р_max и Р_max – n, где n – циклический дифференциал.

Для винтовых компрессоров циклический дифференциал составляет (настраивается) обычно 0,5...1,0 бар или больше, по желанию пользователя.

Для поршневых компрессоров циклический дифференциал обычно устанавливается как величина равная 20% от Р_max.

Компрессоры с регулируемой производительностью, как известно, подстраивают свою производительность под потребление сжатого воздуха.

Поэтому, давление на выходе установки с регулируемой производительностью является постоянным,

Но, следует помнить: в случае, если компрессор уже снизил свою производительность до минимума, но она все равно выше, чем потребление сжатого воздуха, компрессор достигнет Р_max, а затем перейдет в режим холостого хода и будет работать на холостом ходу до тех пор, пока давление не упадет до Р_min.

Поэтому, с некоторыми оговорками, циклический дифференциал актуален и для компрессоров с переменной производительностью.

Таким образом, делая выбор компрессора по величине выходного давления должны быть, учтены:

- давление питания потребителя;

- потери давления в магистральном трубопроводе;

- потери давления в воздухоподготовительном пневматическом оборудовании (осушители, фильтры, охладители);

- циклический дифференциал (разница между Р_max и Р_min);

- резерв (минимальный запас по давлению) величиной до 0,5 …1, 0 бар (данный запас давления понадобится для компенсаций возможных утечек сжатого воздуха в процессе эксплуатации и снижения выходного давления, связанного с износом поршневых колец и уплотнений компрессора).

Определение производительности компрессора

     

Поршневой компрессор. Поршневые компрессоры, как правило, следует рассчитывать с запасом примерно в 40% от их эффективной производительности (производительности по нагнетанию).

Делается это для того, чтобы обеспечить периодическую (непостоянную) работу компрессора (работу с «передышками»).

Для поршневых компрессоров работа с перерывами является основным режимом работы и обеспечивает их меньший износ.

Несмотря на то, что многие компании-производители официально декларирует возможность стабильной беспроблемной работы поршневых компрессоров при полной загрузке, т.е. в непрерывном режиме работы, следует помнить, что наиболее благоприятным, и с экономической и с технической точки зрения, режимом работы поршневых компрессора являет как раз периодический режим работы.

Преимущества такого режима работы поршневых компрессоров будут обоснованы ниже.

 Кроме того, следует помнить том, что производительность поршневых компрессоров с течением времени, по мере износа поршневых колец, клапанов всасывания и нагнетания и прочих причин и факторов, несколько снижается.

Скорость износа и, соответственно, снижения производительности, зависит от качества комплектующих деталей и удачности конструкции конкретного компрессора, и мало поддается исчислению.

Чтобы рассчитать необходимую минимальную производительность поршневого компрессора Q_К.min с учетом 40% резервов, нужно разделить требуемую производительность Q_B на коэффициент 0,6.

Таким образом, формула для определения минимальной производительности поршневого компрессора примет вид:

 

 ,                                                                           (2)

 

где Q_Кmin – минимальная производительность компрессора, м³/мин;

Q_В – требуемая производительность (необходимый расход

воздуха для обеспечения нормального функционирования

потребителя), м³/мин.

Выбор компрессора из каталогов производится с учётом выполнения условия Q_Кmin  £ Q_К, где Q_К – каталожное значение производительности выбираемого компрессора в линии нагнетания.

Винтовой компрессор. В идеале, коэффициент использования винтового компрессора должен составлять 100%.

Это означает, что потребление сжатого воздуха Q_B должно быть равным производительности компрессора Q_K.

Конечно, на практике такое случается редко, поэтому, следует выбирать компрессор, производительность которого несколько превышает потребление сжатого воздуха.

При эксплуатации пневматических систем неизбежны утечки сжатого воздуха из системы, неравномерность потребления воздуха и ряд других факторов и причин, которые повлияют на принятие решения о необходимости оснащения пневматической системы ресивером.

В связи с этим при определении требуемой производительности компрессора (любого типа) необходимо учесть влияние данных факторов.

Величина Q_В в формуле (2) должна учитывать численные величины (объёмы) потерь воздуха через утечки, резервы и ошибки в расчёте потребления сжатого воздуха.