РАСХОД СЖАТОГО ВОЗДУХА И ЕГО ПОТРЕБЛЕНИЕ
На практике различают два вида потребления воздуха в пневматическом цилиндре или в пневматической системе.
Первый вид потребления воздуха представляет собой среднее потребление сжатого воздуха в час, т.е. величину, используемую для расчета затрат энергии как части стоимости затрат на изготовление продукции, а также для оценки необходимой мощности компрессора и расчета магистрали сжатого воздуха.
Второй вид потребления воздуха представляет собой величину пикового потребления в пневмоцилиндре, которая необходима для правильного определения размерных параметров управляющего распределителя и соединительных трубопроводов или же пикового потребления в системе в целом, чтобы можно было подобрать блок подготовки воздуха и подводящие воздуховоды с необходимыми размерами.
Потребление воздуха в цилиндре определяется следующим выражением:
Площадь поршня • Длина хода • количество одинарных ходов в минуту • степень сжатия воздуха в цилиндре (абсолютное давление сжатого воздуха /атмосферное давление)
Пояснение: Если поршень смещен к самой крышке цилиндра (рис. 3а), объем цилиндра равен нулю. Если мы потянем шток на себя, пока поршень не упрется в крышку на противоположном конце, цилиндр заполнится воздухом с атмосферным давлением, равным 101325 Па абсолютного давления (рис. 3b). Как только в цилиндр будет подано давление от источника, к атмосферному давлению 101325 Па добавится манометрическое давление.
Учитывая это, теоретическое потребление воздуха в цилиндре составляет на ход поршня при прямом ходе величину, указанную на рис. 16, а при обратном ходе
При 
мы получаем для прямого хода:
или
где р – манометрическое давление, a n – количество одинарных ходов.
При обратном ходе D2 меняется на (D2 – d3). Потребление воздуха в трубопроводах между распределителем и цилиндром составляет величину, определяемую выражением:
Внутренний диаметр трубы (мм) • Внутренний диаметр трубы (мм) • Длина трубы (мм) • манометрическое давление в МПа)
В таблице 3 приведены значения для теоретического потребления сжатого воздуха на 100 мм хода при различных диаметрах цилиндров и рабочих давлениях:
Пример 1: Требуется определить стоимость энергетических затрат в час для пневматического цилиндра двустороннего действия диаметром 80 мм с рабочим ходом 400 мм совершающего 12 двойных ходов в минуту при рабочем давлении 6 бар. Из таблицы 3 видно, что цилиндр диаметром 80 мм потребляет 3,5 литра (приблизительно) сжатого воздуха на 100 мм хода. Следовательно:
Q/100 мм хода • 400 мм хода • количество ходов в минуту - ход вперед и назад = 3,5 • 4 - 24 = 336 л/мин. В параграфе «Тепловой и общий КПД» (раздел 4) находим расход электроэнергии равным 1 кВт на 0,12-0,15 м3/мин при рабочем давлении 7 бар. Следовательно, для производства 1 м3н/мин требуется затратить около 8 кВт электроэнергии.
Предположим, что один кВт•ч (киловатт-час) стоит 5 центов. В этом случае затраты на обеспечение объемного расхода величиной: / м3н/мин составят 5 центов • 8кВт/кВт-ч = 40 центов/час.
В нашем примере: 0,336 м3н/мин/1 м3н/мин . 40 цент/час = 13,4 центов в час.
Если по этой схеме рассчитать затраты для всех цилиндров, входящих в состав машины, и суммировать их, мы получим потребление сжатого воздуха, выраженное через стоимость энергетических затрат.
Необходимо отметить, что цифры потребления в приведенной выше таблице не учитывают:
– «мертвый объем» в конечной фазе хода в обоих направлениях (если есть), и «мертвый объем» в соединительных трубах
– потери энергии при ее передаче (см. об этом ниже).
Таблица 3 – Теоретическое потребление сжатого воздуха в цилиндрах двустороннего действия диаметром от 20 до 100 мм, в литрах на 100 мм хода.
| Диаметр поршня, мм | Рабочее давление в барах | ||||
| 0,124 | 0,155 | 0,186 | 0,217 | 0,248 | |
| 0,194 | 0,243 | 0,291 | 0,340 | 0,388 | |
| 0,319 | 0,398 | 0,477 | 0,557 | 0,636 | |
| 0,498 | 0,622 | 0,746 | 0,870 | 0,993 | |
| 0,777 | 0,971 | 1,165 | 1,359 | 1,553 | |
| 1,235 | 1,542 | 1,850 | 2,158 | 2,465 | |
| 1,993 | 2,487 | 2,983 | 3,479 | 3,975 | |
| 3,111 | 3,886 | 4,661 | 5,436 | 6,211 |
Для определения размеров распределителя отдельно взятого цилиндра нам необходима другая цифра: пиковый расход. Он наблюдается при максимальной скорости поршня. Общая сумма пиковых расходов для всех одновременно движущихся цилиндров составляет расход, на основании которого должны определяться параметры блока подготовки воздуха.
Таблица 4 – Степень сжатия изотермическое / адиабатическое.
| Р, абс | ||||||||||
| сж. изотермическое | 0,987 | 1,987 | 2,974 | 3,961 | 4,948 | 5,935 | 6,923 | 7.908 | 8,895 | 9,882 |
| сж. адиабатическое | 0,991 | 1,633 | 2,178 | 2,673 | 3,133 | 3,576 | 3,983 | 4,38 | 4,794 | 5,136 |
| коэффициент | 1,216 | 1,365 | 1,482 | 1,579 | 1,66 | 1,738 | 1,80 | 1,873 | 1,924 |
Нельзя не учитывать также тепловые потери. В разделе, где рассматривались свойства газов, мы обсуждали «адиабатический» процесс, суть которого заключается в том, что в нем не хватает времени на теплообмен. В данном случае закон Бойля «pV – const» перестает действовать и вступает в силу равенство «pVk = const». Показатель степени k (каппа) для воздуха равен 1,4. Таблица 4 представляет собой уже таблицу степени сжатия, дополненную двумя строками: в одной указана степень сжатия для условия pVk=const, а в другой – коэффициент, характеризующий отношение «изотермическое сжатие/адиабатическое сжатие».
Не вдаваясь в сложные подробности, скажем, что для учета явлений, имеющих место при данном процессе, теоретический объемный расход следует умножить на коэффициент 1,4, представляющий собой эмпирический коэффициент, полученный в результате большого количества практических испытаний. Это число меньше чем теоретическое, однако и процесс, как правило, не является на 100% адиабатическим.
В таблице 5 приведены цифры из таблицы 3, но с учетом данного поправочного коэффициента.
Пример 2: Цилиндр с диаметром 63 мм и ходом поршня 500 мм работает при давлении 6 бар. Каков фактический расход воздуха при 15 циклах в минуту?
По таблице 5 находим 3,021 л /мин на 100 мм хода. Эту величину необходимо умножить на 150, так как 100 мм хода необходимо увеличить в 5 раз, а также учесть 30 циклов в минуту: 150 мин • 3,021 литра = 453,15 л мин.
Таблица 5 – Потребление сжатого воздуха в цилиндрах двустороннего действия.
| Диаметр поршня, мм | Рабочее давление в барах | ||||
| 0,174 | 0,217 | 0,260 | 0,304 | 0,347 | |
| 0.272 | 0.340 | 0.408 | 0.476 | 0,543 | |
| 0,446 | 0,557 | 0,668 | 0,779 | 0,890 | |
| 0,697 | 0,870 | 1,044 | 1,218 | 1,391 | |
| 1,088 | 1,360 | 1,631 | 1,903 | 2,174 | |
| 1,729 | 2,159 | 2,590 | 3,021 | 3,451 | |
| 2,790 | 3,482 | 4,176 | 4,870 | 5,565 | |
| 4,355 | 5,440 | 6,525 | 7,611 | 8,696 |
Контрольные вопросы:
Методика расчета :рабочего усилия (теоретическое усилие).
Методика расчета :рабочего усилия (требуемое усилие).
Коэффициент нагрузки.
Методика расчета регулирования скорости.
Методика расчета расхода сжатого воздуха и его потребления.