Pneumatika i kompresori

EAP - Lekcija 9

PNEUMATIKA Korišteni su nastavni materijali: –Red.prof. dr.sc Dubravka Siminiati –Neven Maleš, dipl.ing. KOMPRIMIRANI ZRAK

Prof.dr.sc. Dario Matika Vedran Gudenić,dipl.ing

Katapult (III st. p.n.e.)

ZRAK MJEŠAVINA: N2(79,09%), O2(21,25%), Ar(0,92%), CO2(0,03%), Ne(0,002%), He(0,0005%) uz dodatak vode i nečistoća. Smatra se idealnim plinom za temperature i tlakove koji vladaju u normalnom pneumatskom sustavu.

Fizikalne konstante zraka su:  Molekularna masa..................... m = 28,96 kg/kmol  Gustoća kod 15oC i 1 bar......... ρ = 1,21 kg/m3

 Plinska konstanta...................... R = 286,9 J/kg K

APSOLUTNI TLAK = manometarski tlak + atmosferski tlak Apsolutni [bar]

Pretlak [bar]

TLAK p = F / A [N/m2 = Pa]

Atmosferski tlak 106 Pa = 1 MPa = 10 bara Atmosferski tlak – tlak na površini zemlje izazvan težinom zraka u atmosferi. Varira od mjesta do mjesta, ali se za pneumatske sustave smatra da je konstantan i da iznosi 1 bar.

Numerički primjer Površina klipa Statička sila 3000 N Atmosferski tlak Površina klipnjače

Manometarski tlak

Atmosferski tlak

PROTOK Q [m3/min, l/min ili l/s] - kao standardna vrijednost uzima se protok kod apsolutnog tlaka od 1 bara i na temperaturi od 20oC. Relativna vlažnost je omjer sadržaja vode u atmosferi i sadržaja vode u zasićenom zraku kod iste temperature.

Točka rošenja je ona temperatura kod koje nastupa izdvajanje vode iz zraka.

Sadržaj vode u kg u 100 m3 zraka za odreĎeni tlak i temperaturu

EKSPANZIJA I KOMPRESIJA PLINOVA

PLINSKI ZAKONI I KOMPRESIJA

Boyle-Mariotteov zakon Edme Mariotte (1620 –1684) – francuski fizičar

Robert Boyle (1627 –1691) – irski filozof i znanstvenik Volumen se mijenja inverzno s promjenom tlaka kod konstantne temperature (izotermna promjena stanja)

V2 p1  V1 p2

ili

p1 V1  p 2 V 2  k

Animacija Boyle –Mariottovog zakova

Charlesov zakon (Gay – Lussac)

Joseph Louis Gay – Lussac (1778 – 1850) Francuski kemičar i fizičar

Jacques Charles (1746 – 1823) - Francuski matematičar i fizičar Volumen se mijenja proporcionalno s promjenom apsolutne temperature kod konstantnog tlaka (izobarna promjena stanja)

V1 T1  V 2 T2

ili

V1 V 2  k T1 T2

Animacija Charlesovog zakona

Amontonov zakon Guilliaume Amontons (1663 – 1705) – francuski fizičar

mase danog plina mijenjat će se proporcionalno promjeni apsolutne temperature, kod konstantnog volumena. Tlak

p1 T1  p 2 T2

ili

p1 p 2  k T1 T2

Daltonov zakon John Dalton (1776 –1844) engleski kemičar i fizičar

Totalni tlak mješavine plinova jednak je sumi parcijalnih tlakova pojedinog plina u mješavini. Parcijalni su tlakovi oni, koje bi svaki plin imao kada bi sam zauzimao isti volumen kao mješavina.

1

p   pn 1

Amagatov zakon Emile Amagat (1841 – 1915) – francuski fizičar

Volumen mješavine plinova jednak je sumi volumena pojedinih plinova, ako su temperatura i tlak isti.

Poissonov zakon Siméon-Denis Poisson (1781 – 1840) – francuski matematičar i fizičar

U procesu, gdje nema razmjene topline s okolišem, odnos izmeĎu tlaka i volumena slijedi relaciju:

 1

p1 V  p 2 V

 2



cp cv

Jednadžba stanja plina Jednadžba stanja plina nastala je kombinacijom BoyleMariotteovog zakona i Charlesovog zakona, a glasi:

pV  m R T

Izotermna kompresija (konstantna temperatura)

p1 V1  p2 V2  k

Grafički predstavlja hiperbolu u p –V dijagramu Rad kompresije je predstavljen osjenčanom površinom.

 p2  W   p dV  p1 V1 ln    p1  V1 V2

Adijabatska (izentropska) kompresija (nema razmjene topline)



pV  k Rad kompresije je predstavljen osjenčenom površinom u p –V dijagramu.  1     p2    W   V dp  p1 V1    1  p1    1 p1   p2

PROJEKTIRANJE PNEUMATSKOG SUSTAVA

PRINCIP RADA

PROJEKTNA SHEMA

KOMPRESORSKI SUSTAV ZA OPSKRBU ZRAKA

KOMPRESOR I SPREMNIK

KOMPRESORSKA STANICA ZA VELIKI INDUSTRIJSKI POGON

KOMPRESORSKA STANICA

KOMPRESORSKA STANICA ZA MALI I SREDNJI INDUSTRIJSKI POGON

PRIPREMNA JEDINICA

SIMBOLI U PNEUMATICI

1. KOMPRESORI

1 bar = 100.000 Pa

10 m3/min = 600 m3/h

1. JEDNOSTUPANJSKI I VIŠESTUPANJSKI KLIPNI KOMPRESORI

Jednostupanjski klipni kompresor

Dvostupanjski klipni kompresor

LAMELASTI KOMPRESORI

Lamele (krilca)

Rotor

Stator

VIJČANI KOMPRESORI

2. SUŠENJE I PODHLAĐIVANJE

SUŠENJE PODHLAĐIVANJEM Zrak se podhlaĎuje čime se snižava točka rošenja (-1,7 oC) - složen ureĎaj

- nema utroška materijala - pogodan za industriju - utrošak energije

KEMIJSKI ILI APSORPCIJSKI POSTUPAK SUŠENJA ZRAKA

Vlaga iz zraka veže se za odreĎenu tvar (higroskopnu) – magnezijev perklorat, litijev klorid, kalcijev klorid itd.

- Jednostavna konstrukcija ureĎaja

- nema mehaničkog trošenja

- nema utroška energije - potrošak kemikalija - kemikalije su jako korozivne

FIZIKALNI ILI ADSORPCIJSKI POSTUPAK SUŠENJA ZRAKA

Vezuje se vlaga na površini odreĎenih krutih tvari – SiO2 (silikagel) i Al2O3

- utrošak materijala mali

- prikladno za industrijske svrhe - visoki postotak sušenja

- utrošak energije za regeneraciju

3. SPREMNICI ZRAKA

Horizontalni spremnik zraka

Vertikalni spremnik zraka

Potrebni volumen spremnika

(Qk)

(1bar)

3. PRIPREMNA GRUPA Prije svakog pneumatskog ureĎaja ili grupe ureĎaja postavljaju se elementi, koji pripremaju zrak u stanje prikladno za rad. Pripremnu grupu čine: filter – pročistač zraka

 regulator tlaka  zauljivač

Ispust kondenzata iz čašice filtera Izdvojeni kondenzat i druge nečistoće ne smiju preći oznaku na čašici filtera, jer bi ih struja zraka mogla ponovo povući za sobom. Ispuštanje se obavlja preko vijka za ispust koji se nalazi na dnu čašice. Za udaljena mjesta ili gdje je mali broj ljudi u nadzoru pogona, koriste se automatski ispuštači.

Automatski ispuštač kondenzata

FILTER Čišćenje se obavlja uz pomoć tri efekta: centrifugalnog – zrak koji ulazi tangencijalno dobiva rotaciju, zbog čega teže čestice u struji zraka bivaju potisnute na čašicu filtera i padaju na dno  inercijskog – čestice zbog promjene smjera strujanja, zbog djelovanja sile inercije nastavljaju kretanje prema dolje, gdje se talože  filtrirajućeg – struja zraka mora proći kroz uložak filtera (sinter bronca ili porozna keramika) – otvori 5 do 40 μm

REGULATOR TLAKA

Regulator ulogu:

tlaka

ima

trojaku

 regulacije tlaka  promjene protoka

 održavanja konstantnog izlaznog (sekundarnog) tlaka

ZAULJIVAČ

Uloga je nauljivača ubaciti u struju stlačenog zraka finu uljnu maglicu koja služi za podmazivanje precizno obraĎenih pokretnih površina pneumatskih ventila i aktuatora.

Princip rada zauljivača Zauljivač radi na principu Venturijeve cijevi. V2 p2 A2  V1 p1 A1 

Temeljem Bernoullijeve jednadžbe:   v12   v 22 p1   p2  2 2 Pad tlaka u suženju:

  (v22  v12 ) p1  p2  p  2 Iz jednadžbe kontinuitet: v1  A1  v2  A2

v 2  v1 

A1 A2

Zbog pada tlaka u suženom dijelu, siše se ulje iz spremnika i raspršuje u struju zraka. Obično je to 1 do 10 kapi na 1m3 zraka ili 1 do 2 kapi/min Mineralno ulje kin. viskoznosti oko 45 cSt na 20oC

4. CJEVOVODI

Pripremna grupa

Simboli pripremne grupe

Elementi

Shema razvodne mreže

PAD TLAKA (gubici)

Dimenzioniranje cjevovoda

Očitanje podataka:

Zamjena dužine cijevi

5. PNEUMATSKI ELEMENTI

5.1 Izvršni elementi (cilindri i strojevi)

5.2 Upravljački elementi

PRIMJERI

Simulacija rada jednoradnog klipnog cilindra

Maksimalna dužina hoda je do 100 mm Ekonomični su u potrošnji stlačenog zraka Koriste se za:  stezanje predmeta  izbacivanje nakon obrade  utiskivanje  dodavanje  pomicanje itd.

Nisu prikladni na onim mjestima gdje je bitna određena brzina gibanja klipa u povratnom hodu

Shema upravljanja

Razvodnik

Pripremna grupa

Razvodnik s tri priključka i dva položaja 3/2

Upravljanje jednoradnim cilindrim s dva razvodnika 2/2

Upravljanje jednoradnim cilindrim s razvodnikom 3/2

Ručno aktiviranje razvodnika 3/2

Pneumatsko aktiviranje razvodnika 3/2

Pneumatski mehanizam

PNEUMATSKA SHEMA UPRAVLJANJA 1.0

1.2

1.3

Upravljanje dvoradnim cilindrom s dva razvodnika 3/2

Aktiviranje razvodnika

Aktiviranje razvodnika

OSTALI PRIMJERI CILINDARA, RAZVODNIKA I VENTILA

Simulacija rada jednoradnog membranskog cilindra s tanjurastom membranom

 Ostvaruju velike sile  maksimalna dužina hoda 80 mm

 povrat se ostvaruje pomoću opruge i silom prednapona membrane

Simulacija rada tandem cilindra

Koriste se na mjestima gdje nema prostora za povećanje promjera cilindra, a za proces rada je potrebna veća sila.

Višepoložajni cilindri To su cilindri sastavljeni od najmanje dva dvoradna cilindra. Spojeni su svojim stražnjim poklopcima.

Cilindri s različitim hodovima mogu ostvariti 4 položaja vrha klipnjače. To se postiže različitim aktiviranjem pojedinih ili oba cilindra. Posebne izvedbe mogu imati i do 12 položaja.

Simulacija rada cilindra bez klipnjače

Za sada se rade cilindri promjera do 50 mm i dužine hoda do 10 m. Primjenjuju se tamo gdje su potrebni veliki hodovi.

Simulacija rada udarnog cilindra

Koriste se za kovanje, zakivanje, utiskivanje, štancanje i sl.

Pneumo-hidraulički ureĎaj za posmak – paralelna izvedba

Tanjurasti razvodnik 3/2

Upravljanje jednoradnim pneumatskim cilindrom

Primjena razvodnika 5/2

Upravljanje dvoradnim pneumatskim cilindrom

ZAPORNI VENTILI Nepovratno – prigušni ventili

Naizmjenično zaporni ventili (ILI – ventili) Dolazak stlačenog zraka na bilo koji ulaz odmiče brtveni element u ventilu, zatvara drugi ulaz i propušta zrak na izlaz.

Koristi se u pneumatskim sklopovima gdje signali dolaze na jedno mjesto s više strana

Uvjetno zaporni ventil (I – ventil)

Tlak će se na izlazu pojaviti samo ako postoji tlak zraka na oba ulaza.

U pneumatskim se sklopovima koristi tamo gdje je za postojanje izlaznog signala uvjet postojanje dva ulazna signala.

I – funkciju u pneumatici ostvaruje uvjetno - zaporni ventil

ILI – funkciju u pneumatici ostvaruje naizmjenično zaporni ventil

Brzoispusni ventili Ispušta stlačeni zrak u atmosferu preko velikog otvora. Koristi se za povećanje brzine klipa, budući da se zrak direktno odzračuje u atmosferu, a ne preko vodova i razvodnika.

Vakuumski ureĎaj – ejektor Koristi se efekt ejektora za stvaranje vakuuma.

P

Dolaskom stlačenog zraka na ulaz P, stvara se potlak na priključku U. Dodatnim vodom ulazi zrak u spremnik iznad brzoispusnog ventila. U trenutku prestanka dovoda stlačenog zraka, prestaje ejektorski efekt, zrak se iz spremnika odzračuje pomicanjem brtve brzoispusnog ventila. Zrak struji prema priključku U i izbacuje radni predmet.

PRORAČUN PNEUMATSKOG SUSTAVA

Pneumatski sustav

Cilindri

Dvoradni cilindar

Dvoradni F  k  A  p do cilindar

DC D  A1  4 2 C

k = 0,4 – 0,6

p1 , p 2 A2

D 

2 C



 d K2 π 4

dK

F1  A1  p do  A2  p 2  FT

F2  A2  p do  A1  p1  FT

Zadano - dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Zadano: Sila F=1,6 kN Tlak (standardni) pdo=7 bara Promjer klipnjače dk=20mm Koeficijent trenja k= 0,5 Traži se: Promjer cilindra Dc=? Radni tlak pr=?

Dvoradni cilindar

pdo = 7 bara

Dc = ? Područje rješenja

F = 1,6 kN

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Kako je A1 = A2 = A , to slijedi da je: A = F/(k∙p) = 1,6∙100/(0,5∙7∙10000) = = 0,000457m2 = 457 mm2

A2

 D 

dk = 20mm

2 C



 d K2 π 4

Dc= 78,87 mm

Dc, standardno = 80 mm

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Redefinirati tlak pdo

[10 000 Pa (N/m2) = 1 bar]

pdo = F/(k∙A) = 6,794 bar < 7 bar (- 3%) 1,6∙1000

0,5

A2

 D 

2 C

 d K2 4



π

= 0,00471 m2

Dc, standardno = 80 mm

dk = 20mm

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Snaga Pc i protok Qc cilindra Pc= pdo∙Qc; Zadano:

h = 60mm τc = 2 sek

Brzina klipa

Qc=(ΔVc/Δt) = A∙Δh/Δt = A∙h/τc Volumen cilindra

Hod cilindra

Idealno

Pc =pdo∙Qc = 96W

Vrijeme hoda cilindra

Qc [m3/s] = pdo∙A∙n∙h/τc =0,00471∙0,06/2 = = 0,0001413 m3/s = 0,1413 l/s

pdo = 6,794 bar

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Pojavljuju se gubici: – uslijed propuštanja (brtvljenje) – kvg (15 – 30%) – gubici u cjevovodu (duljina cjevovoda L , zatim ventili, račve, razvodnici i sl. - Le) – Lekv = L + Le

Pojavljuje se veći broj cilindara koji rade u ciklusima: – Broj ciklusa cilindra, n – Broj cilindara, nc – Koeficijent istodobnosti rada cilindara, ki (50 – 100%)

Qc,uk= ki ·(1+kvg) ΣQci

Lekv = L + Le Qc1

Qci

Qc2

Qcnc

Qci= 0,0001413 m3/s = 0,508 m3/h

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom Zadano: kvg = 20% ki = 60% Qci= 0,0001413 m3/s = 0,508 m3/h nc = 25 Lekv = 600m

Qc,uk= ki ·(1+kvg) ΣQci = 0,6·(1+0,2) ·25·0,508 = 9,144 m3/h

Q (15 postrojenja) = 15·9,144 = 137,16 m3/h

d = 50 mm

Le = 200 m

Potrebni volumen spremnika Vs = 15-20m3

z = 15 (Qk)

(1bar)

p = 0,15 Q= min 2,28 m3/min

Fotografija eksperimentalnog modela

Regulacija pneumatskih servo sustava http://www.fsb.unizg.hr/acg/hrvatski/pneum_istraz.html

Zaključak Elektro-pneumatski sustav (pokreće se asinhronim motorom) Sastavnice sustava – pneumatski elementi (kompresor, sušilo/hladnjak, spremnik, priprema zraka, ventili, razvodnici, cilindri, motori, senzori, cjevovod, itd)

Pretvorba energije stlačenog zraka u mehanički rad