Энергосбережения при производстве сжатого воздуха

Содержание

Введение

Сжатый воздух - это неотъемлемая часть нашей жизни, ежедневно и повсеместно мы сталкиваемся с ним. Не нужно быть специалистом в области пневматики или работать в данной области, чтобы заметить это. Каждый день, используя автомобиль, Вы так или иначе зависите от сжатого воздуха.

Сжатый  воздух находится в колесах Вашего автомобиля, точнее в колесных шинах. Если вы путешествуете на общественном транспорте, то помимо сжатого воздуха  в шинах транспорта, привод автоматических дверей также приводится в действие от сжатого воздуха. Трудно найти хоть одну стройку, на которой не было бы компрессора для производства сжатого воздуха.

Отдавая свой автомобиль в сервис на покраску, Вы также столкнетесь со сжатым воздухом - от сжатого воздуха работает краскопульт, которым будут красить Ваш автомобиль.

Цель работы – рассмотрение темы энергосбережения при производстве сжатого воздуха.

Задачи:

• Рассмотреть сжатый воздух
• Рассмотреть энергосбережение в производстве сжатого воздуха.

1 Сжатый воздух

Сжатый воздух - это обыкновенный атмосферный воздух искусственно сжатый, обычно при помощи компрессора, и  заключенный в емкость. В зависимости от того какой объем воздуха «загнали» в емкость определяется давление. Чем больше воздуха сжали до заданного объема, тем больше будет давление этого сжатого воздуха в заданном объеме.

Подготовка  сжатого воздуха

Подготовка и очистка сжатого  воздуха осуществляется практически  на всех предприятиях и строительных площадках. Дело в том, что изначально, выходя из компрессора, сжатый воздух имеет примеси масла и твердых частиц - они являются продуктами работы и износа компрессора во время эксплуатации. Помимо вышеописанных проблем существует и проблем в избыточной влаги в пневматических магистралях. В этом нет ничего необычного и удивительного - абсолютно любой, даже очень хороший и надежный компрессор производит влажный сжатый воздух - это факт. Где то к качеству сжатого воздуха не применяют особые требования, а где то относятся весьма трепетно. [3, с.11]

Наиболее просто с подготовкой  сжатого воздуха обстоят на строительных площадках. Как правило, вся воздухоподготовка сводится к установки циклонного влагоотделителя (сепаратора) и предварительным фильтром сжатого воздуха. Такая система подготовки сжатого воздуха малоэффективна, тем более в условиях низких температур окружающей среды, но, тем не менее, препятствует быстрому выходу из строя пневмоинструмента. Те же самые меры по подготовке сжатого воздуха, но уже в отапливаемых помещениях или при плюсовых температурах, дают значительно лучший эффект очистки сжатого воздуха от влаги и масла. На предприятиях сжатый воздух такого качества может быть использован для работы пневмоинструментов, исключая окрасочные инструменты, может быть использован для работы пневмоцилиндров станков, предъявляющих низкие требования к качеству сжатого воздуха, Также может использоваться для обдува станков от пыли и стружки.

Существует группа оборудования потребляющая более качественный сжатый воздух. Для этого на предприятиях применяется  более сложная система подготовки сжатого воздуха, включающая в себя вместо простого влагоотделителя рефрижераторный осушитель воздуха и многоступенчатую систему воздушных фильтров. Давайте рассмотрим пример одной из наиболее распространенных схем подготовки сжатого воздуха. Как говорилось ранее, из компрессора выходит, мягко говоря, не совсем чистый воздух, особенно если это касается поршневого компрессора. Рассмотрим две мало отличающиеся друг от друга схемы подготовки воздуха. Одна из них предназначена для поршневого компрессора, другая - для винтового компрессора. Итак, представим, что у нас на предприятии есть средних размеров компрессор, например поршневой компрессор на 3 м3/мин. С помощью такого компрессора можно обеспечить воздухом весьма приличный цех по обработки дерева. Давайте представим, что нам необходимо обеспечить сжатым воздухом несколько станков с пневмоцилиндрами, а также покрасочную камеру. [1, с.124]

Требования к сжатому воздуху, в данном случае, у станков и  окрасочного оборудования будут  примерно одинаковы. Поэтому можно  сделать централизованную систему воздухоподготовки для всего производственного участка. Сразу же после поршневого компрессора устанавливается циклонный сепаратор - он отсечет приличную часть влаги и масла. Далее устанавливается фильтр грубый очистки - его действие направлено, в основном, на масло и твердые частицы, которые могут засорить осушитель. Т.к. компрессор у нас поршневой, то температура сжатого воздуха на выходе из компрессора равна примерно 90оС. Стандартный рефрижераторный осушитель не способен качественно осушить такой горячий воздух. Поэтому перед рефрижераторным осушителем устанавливают охладитель сжатого воздуха. Далее устанавливается рефрижераторный осушитель - цель его работы - это полное избавление от влаги в пневмосети. После рефрижераторного осушителя устанавливается система фильтров сжатого воздуха со степенью очистки до 0,01 мкм, с целью окончательной очистки сжатого воздуха от мелких твердых частиц и масла. Далее от этой системы просто идет разводка до потребителей сжатого воздуха. В случае, если бы у нас был установлен винтовой компрессор, система подготовки сжатого воздуха осталось бы та же за исключением охладителя. Установка охладителя теряет всякий смысл, т.к. винтовой компрессор выдает сжатый воздух с температурой обычно не выше 50оС, а рефрижераторный осушитель имеет температуру входящего воздуха равной 60оС. [1, с.125]

Одними из самых технологичных  и наименее распространенных являются системы с адсорбционным осушителем сжатого воздуха. Такие системы  очистки сжатого воздуха обычно устанавливаются в лабораториях различных НИИ, на производствах с пневматическими трасами идущими по открытой местности. Также адсорбционные осушители устанавливают в системах подготовки воздуха для современных многокоординатных обрабатывающих центров.

Типы компрессоров

На сегодняшний день в мире известно два основных способа получения сжатого воздуха. Это принципы объемного и динамического сжатия газа. Наиболее известные в производстве это объемные компрессоры. Наибольшее распространение среди объемных машин получили поршневые и ротационные компрессоры. Давайте рассмотрим принцип действия поршневых компрессоров. Здесь воздух поступает в камеру сжатия, через открытое впускное отверстие. После того как поршень достигает своего нижнего положения в цилиндре, впускной клапан закрывает отверстие, а поршень начинает движение вверх, осуществляя сжатие попавшего в камеру воздуха или газа. После того, как воздух в камере достигает заданного значения, выпускной клапан открывается и воздух поступает в ресивер или в линию под постоянным давлением, при этом поршень продолжает движение вверх, тем самым уменьшая объем камеры. Достигнув верхнего значения в цилиндре, поршень вновь двинется вниз, вместе с этим выпускной клапан закроется, а впускной откроется вновь для новой порции воздуха. Все цикл замкнулся.

В отличие  от объемного сжатия, динамическое сжатие представляет собой процесс, при котором воздух всасывается  в рабочее колесо компрессора, вращающееся  с большой скоростью и сам  достигает высокой скорости движения. Далее воздух проходит через диффузор, а его кинетическая энергия. В свою очередь, превращается в статическое давление. Стоить заметить, что существуют компрессоры с исключительно высокой производительностью, способные единственным компрессором обеспечить огромный производственный комплекс. Это компрессоры с осевым и радиальным потоками. [5]

В качестве простейшего примера объемного  компрессора можно рассмотреть  обыкновенный автомобильный насос  для накачки шин. Атмосферный  воздух сжимается внутри насоса под  действием хода поршня внутри цилиндра. Аналогичным образом работает и поршневой компрессор для производства сжатого воздуха или сжатого газа. Поршневой компрессор во многом унаследовал свою конструкцию у двигателя внутреннего сгорания. На самом деле многие поршневые компрессоры, существующие сегодня построены на основе автомобильных двигателей. Самая большая деталь компрессора это блок цилиндров, внутри которого вращается коленчатый вал, передавая возвратно поступательное движение шатуну, а тот, в свою очередь, поршню. Чаще всего для сжатия воздуха используется только верхняя сторона поршня. Поршневые компрессоры с такой схемой работы называются компрессорами одинарного действия. Реже задействуются обе стороны поршня. Компрессоры с таким внутренним устройством получили название компрессоров двойного действия. Компрессоры принято разделять по нескольким основным техническим характеристикам. Одна из них это максимальное давление компрессора. Немногим известно, что атмосферное давление на уровне моря принято считать равным единице. То есть, на самом деле, если Вы покупаете компрессор с максимальным давлением 10 бар, то к этой цифре , чаще всего, правильно будет прибавить единицу. Исключение могут составить высокогорные районы, где атмосферное давление ниже.

Динамические  компрессоры обеспечивают непрерывный поток воздуха без пульсаций, в отличие от поршневых компрессоров. В динамическом компрессоре давление воздуха увеличивается в процессе прохождения его через компрессор. К слову сказать, наиболее известным динамическим компрессором в массах является турбина устанавливаемая на впускной коллектор автомобильного двигателя, что существенно увеличивает мощность последнего. Лопатки турбокомпрессора(радиального компрессора) вращаются и разгоняют воздух до высокой скорости, который, в дальнейшем, при расширении, увеличит свое давление и уменьшит скорость соответственно. Для динамических компрессоров характерно то, что даже при небольшом изменении рабочего давление мы получаем колоссально изменившеюся производительность. Интересной особенностью является то, что в динамических компрессорах воздух, при пиковых нагрузках, может достигать скорости звука. [2]

Поршневой компрессор известен с давних лет. За многие годы компрессоры этого типа получили огромную известность и  наибольшее распространение по сравнению с любыми другими компрессорами. Именно эти компрессоры делают более половины мировых продаж среди всех видов компрессоров. Поршневые компрессоры представлены так широко, как никакие другие компрессорные установки. Наиболее распространены, конечно, масляные компрессоры с электрическим приводом одинарного действия. Но, помимо них, существуют безмасляные поршневые компрессоры, одинарного и двойного действия. Расположение цилиндров может быть самым различным: рядным, V-образным, W-образным, L-образным, оппозитным. Также компрессоры отличаются приводом от двигателя. Компрессор может быть коаксиальным (с прямым приводом) или с ременным приводом. Системы подачи смазки у масляных компрессоров также различны. Существуют две основных системы подачи, это естественная и система принудительной подачи масла под давлением, которая распространена меньше. [1, с.131]

Безмасляные поршневые компрессоры известны тем, что работают без смазки. Конструктивно  они несколько отличаются от своих  масляных собратьев. Например, поршневые  кольца безмасляного компрессора изготавливаются не из металла, а из композитных полимерных материалов или даже графита. Компрессоры могут как вовсе не содержать масло в компрессорной головке, так могут и иметь масло в картере, для смазки коленчатого вала. В таком случае картер надежно отделен от цилиндра и попадание масла в воздух исключается, а само масло, находящееся в картере обычно используется на протяжении всего срока эксплуатации изделия.

Еще один вид  компрессоров, способных давать безмасляный  воздух представляют мембранные компрессоры. Существуют два основных типа мембранных компрессоров. Это компрессоры с механической или с гидравлической мембраной. Компрессоры изготовленные на основе механической мембраны чаще всего предназначены для получения небольшого объема сжатого воздуха на малых давлениях. Гидравлические же мембраны, напротив, используются в компрессорах для достижения высоких показателей давления.

Пожалуй самый  распространенный вид промышленных компрессоров это винтовые компрессоры. Несмотря на то, что для многих и сегодня винтовой компрессор вещь абсолютно новая и неизвестная, это вовсе не означает новизну этой технологии. На самом деле винтовые компрессоры появились еще в 30-х годах прошлого столетия. Конечно они существенно и во многом отличались от сегодняшних винтовых компрессоров, но сам принцип был известен уже тогда. Плюсы такого компрессора, по сравнению с поршневыми агрегатами, были на лицо. Винтовой компрессор способен работать практически без останова, чего не скажешь про поршневые компрессоры, особенно тех лет. Винтовой компрессор производит сжатый воздух без пульсаций. Винтовой компрессор потребляет меньше электрической энергии для выработки одного и того же объема сжатого воздуха с одинаковым давлением, по сравнению с поршневым компрессором. Итак, давайте рассмотрим устройство винтового блока.

Внутри  корпуса блока винтового компрессора  расположены два ротора отличные друг от друга по форме, это ведущий  и ведомый роторы. Роторы вращаются  на подшипниках в противоположных  направлениях навстречу друг другу, при этом пространство между ними и корпусом винтовой пары уменьшается. Достоинствами винтового компрессора является то, что винтовой блок не имеет в своем составе ни одного клапана, а его устройство такого, что механические силы отсутствуют. [4]

Тем самым  с уверенностью можно сказать, что  винтовой компрессор устойчив к разбалансированию  и может эксплуатироваться на высокоскоростных режимах. Вследствие чего, при малых габаритных размерах винтовой компрессор способен производить  большое количество сжатого воздуха. Интереса ради стоить заметить, что первые винтовые компрессоры изготавливались с роторами, имеющими симметричные профили, которые позже сменили ассиметричные спиральные роторы.

Помимо  повсеместно распространенных масляных винтовых компрессоров, существуют и безмасляные компрессорные станции. Эти компрессоры появились также достаточно давно, порядка шестидесяти лет назад. Используются такие машины значительно реже чем масляные, поскольку такие компрессоры очень дороги, владельцы предприятий предпочитают их приобретать только в исключительных случаях. Первые безмасляные компрессоры были аналогичны первым масляным винтовым компрессорам, они так же изготавливались на основе симметричных роторов. Спустя годы были изготовлены компрессоры с асинхронным спиральным профилем роторов. В этих компрессорах целиком отсутствует масло в камере сжатия. Технология изготовления «винтов» для безмасляного компрессора сложна и требует большой точности. Роторы изготовлены прецизионно и при вращении не касаются друг друга. Благодаря такой конструкции трение роторов попросту отсутствует и ресурс такого компрессора исключительно велик. Исходя из всего вышеизложенного и складывается столь высокая стоимость винновых безмасляных компрессоров.