Системы снабжения потребителей сжатым воздухом

Сжатие воздуха – неэффективный с энергетической точки зрения процесс, так как КПД этого процесса находится в пределах 10%.

В установках сжатого воздуха применяются следующие компрес- соры: центробежные, осевые, поршневые, винтовые.

Снизить затраты электроэнергии в установках сжатого воздуха возможно за счет:

• снижения номинального рабочего давления компрессора и в сети сжатого воздуха;

• понижения температуры воздуха, всасываемого компрессорами;

• отключения лишних компрессоров при снижении расходов сжа- того воздуха;

• внедрения в поршневых компрессорах прямоточных клапанов;

• уменьшения длины магистральной и распределительной сети по- дачи сжатого воздуха;

• использования эффекта резонансного наддува поршневых ком- прессоров;

• подогрева сжатого воздуха перед пневмоприемниками;

• замены компрессоров старых конструкций на новые с более вы- соким КПД;

• систематического контроля за утечками сжатого воздуха;

• отключения отдельных участков или всей сети сжатого воздуха в нерабочее время;

• замены пневмоинструмента на электроинструмент.

Потребление сжатого воздуха с давлением выше необходимого приводит к непроизводительному расходу электроэнергии.

Понижение давления у потребителей сжатого воздуха может быть осуществлено с помощью редуктора, инжектора, дросселированием и регулированием давления. Наиболее эффективно применение регулято- ров давления.

Необходимо избегать уровней давления выше 5 бар. Понижение давления на 1 бар дает экономию энергии в 5–10 %.

Опыт эксплуатации показывает, что при установке прямоточных клапанов вместо кольцевых (пластинчатых), удельный расход электро- энергии на выработку сжатого воздуха снижается в среднем на 13–15 % при одновременном увеличении подачи компрессоров на 10 %. Одним из эффективных способов экономии электроэнергии при использовании сжатого воздуха является теплоизоляция воздухопровода, позволяющая подать потребителю сжатый воздух с повышенной температурой. При этом уменьшается расход воздуха и, следовательно, потери электро- энергии.

Правильный выбор места забора воздуха и прокладки всасывающе- го воздуховода (в тени, на северной стороне здания, в отдельности от цехов и стен с большими тепловыми выделениями) снижает расход электроэнергии на выработку сжатого воздуха на 1 % на каждые 2,5 °С понижения температуры всасываемого воздуха.

Использование эффекта резонансного наддува цилиндров поршне- вых компрессоров путем обеспечения рациональной длины всасываю- щего воздуховода или включения в воздуховод резонатора определен- ного объема сокращает удельный расход электроэнергии примерно на 3–5 % при одновременном повышении производительности до 5–8 %.

Внедрение автоматических регуляторов компрессоров для обеспе- чения постоянного давления у пневмоприемников дает экономию элек- троэнергии от 15 до 30 % в зависимости от режима потребления.

Устранение вибрации воздухопроводов и пульсаций в них воздуха путем установки ресивера на вводах в литейные, кузнечнопрессовые и

другие цехи с резко пульсирующим потреблением сжатого воздуха мо- жет дать до 20 % и более экономии электроэнергии.

Повседневная борьба с утечками сжатого воздуха путем система- тического контроля за состоянием сети и оборудования (и устранения дефектов), установки самозапирающихся клапанов, пистолетов, штуце- ров, зажимов позволит снизить непроизводительные потери сжатого воздуха на 10–20 % и более. Снижения потерь воздуха и нерациональ- ных потерь давления можно добиться также за счет:

1) отключения цехов и участков в нерабочее время;

2) разделения питающих воздуходувов для потребителей высокого и низкого давления, а также для потребителей с неравномерным и пере- менным режимами работы;

3) в отдельных случаях дросселирования воздуха у потребителей низкого давления при отборе из сети высокого давления.

Большую экономию электроэнергии можно получить путем пра- вильного выбора числа и мощности компрессоров, особенно это касает- ся крупных компрессоров, при их работе на односменных и двусменных предприятиях, так как они имеют ограничение по числу возможных пусков. Это приводит к тому, что компрессоры работают непрерывно с частичным снижением нагрузки при дросселировании на всасывании в нерабочее время. Это приводит к потерям электроэнергии до 60–70 %.

На крупных предприятиях следует идти на децентрализованные системы снабжения потребителей сжатым воздухом, что позволит зна- чительно снизить мощности компрессоров и потери в магистральных сетях.

Для регулирования подачи следует применять параллельно рабо- тающие компрессорные агрегаты или частотное регулирование частоты вращения компрессоров.

Подогрев сжатого воздуха, поступающего в пневматические при- емники, является простым и вместе с тем эффективным средством уменьшения его расхода. Подогрев увеличивает удельный объем возду- ха и уменьшает его весовой расход. Поскольку подогрев производится в магистралях при неизменном давлении, можно считать, что удельный объем воздуха изменяется прямо пропорционально изменению абсо- лютной температуры:

v 2 =  T 2.

v 1 T 1

(4.3.1)

В цилиндрах пневматических машин (молоты, подъемники, молотки, сверлилки, трамбовки и т. д.) имеет место объемный расход воздуха, т. е. в цилиндре расходуется неизменное по объему количество воздуха V, м³.

Пользуясь соотношением

m = V,

v

 

(4.3.2)

можно получить отношение массового расхода воздуха до подогрева m ₁

к массовому расходу после подогрева

m 2:

 

 

откуда

m 1 =  v 2 m 2      v 1

= T 2,

T 1

(4.3.3)

m 1  T 1

T 2

= m 2,

(4.3.4)

а уменьшение весового расхода, m D, кг, равно

D m = m - m = m æ1 - T 1 ö.

(4.3.5)

1   2   1 ç T 2 ÷

è     ø

В соплах для обдувки, в пескоструйных аппаратах, в форсунках, а также при утечках, когда воздух расходуется на истечение, массовый расход определяется по формуле:

m = 0, 68 ×m × f

p 1, кг/сек (p 1 в н/м)2

v 1

 

 

(4.3.6)

é                   p                               ù

m = 214 ×m × f 1, кг/сек (p в кГ/см)2

ê                   v 1                1                ú

ë                                                        û

где m – коэффициент расхода;

f – площадь узкого сечения, м²;

p 1 – давление воздуха, н/м² (кГ/см²);

v ₁ – удельный объем воздуха, м/кг.

Соотношение массовых расходов до и после подогрева равно

 

 

откуда

m 1 =   =  ,

m 2

(4.3.7)

D m = m - m

æ        ö

= m 1 -    .

 

(4.3.8)

1   2   1 ç       ÷

è        ø

Так например при подогреве воздуха от 20 до 180 °С расход на ра- боту пневматических машин уменьшится на

D m = æ1 - T 1 ö ×100 = æ1 - 293 ö ×100 = 35%,

ç T ÷      ç

453 ÷

è  2 ø      è       ø

а расход на работу в соплах и на утечки соответственно уменьшится на

ç

D m = æ1 -

ö ×100 = 20%.

÷

453

è         ø

При подогреве от 20 до 60 °С расход воздуха уменьшается в пер- вом случае на 12 и во втором – на 6,5 %. На рис. 4.3.1 даны кривые эко- номии сжатого воздуха для объемного расхода и для истечения (пунк- тиром) в зависимости от степени подогрева и начальной температуры (0, 20 и 40 °С).

При одновременном полезном расходе и утечках экономия опреде- ляется в зависимости от их соотношения. Так, например, для воздушно- го молота на графике жирной линией показана средняя экономия возду- ха.

Рис. 4.3.1. Экономия воздуха в молотах в зависимости от степени подог-

рева

1 – полезный расход; 2 – средний расход; 3 – утечки

 

Производственные сравнительные испытания неоднократно под- тверждали выгодность подогрева воздуха и правильность предвари- тельных расчетов, как для объемного расхода, так и для истечения.

Особенно выгоден подогрев за счет тепла отходящих газов.

Пример 4.3.1. Оценить экономические потери от утечек воздуха

через отверстия в воздуховоде диаметром d 1 мм, если в компрессор-

ной установке смонтированы двухступенчатые компрессоры, сжатие в которых адиабатное. Начальные параметры ₁ 0,1 p МПа, ₁ 18 t =°С,

2 50 t =°С; конечное давление воздуха по манометру ₂ 2,5 p М= Па. Ох- лаждение в промежуточном и концевом холодильнике происходит до температуры 50 °С. Воздух считать идеальным газом с теплоемкостью

c p   = 1 кДж/кг. Производительность компрессора

V 125

м ³/мин (при

условии всасывания). Цена электроэнергии 600 руб./(МВт·ч).

Решение:

Экономические потери от утечек воздуха через отверстия опреде- ляются:

DЭ=DЦ, N ×

где N D– потери мощности компрессора на сжатие утечек. Определя- ются:

( 1 2), N m l l D =   +

где l ₁ – работа первой ступени;

l ₂ – работа второй ступени;

m – расход воздуха через отверстие. Давления в компрессоре:

1а1        0,1 p МПа p; = =

p 2а2б

p p =

2,+5 0=,1 2,+6,

М=Па.

 

Степень сжатия в компрессоре:

e =      =     = 5,1.

 

 

ле:

Массовый расход воздуха через отверстие определяется по форму-

 

2

m = F ×

2 k ×  p 2а æ 2 ö k +1,

è   ø

k + 1 J2 ç  k + 1 ÷

где F – площадь отверстия, определяется по формуле:

p× d 2

3,14 × 0,001²

-7 2

F =     =                = 7,85 ×10, м;

4           4

J₂ – удельный объем воздуха, находится по формуле:

J2 =

R × T 2

p 2а ×m

=  8314 × (50 + 273)  = 0,036,

2,6 ×10⁶ × 29

м³/кг;

Для воздуха показатель адиабаты принимается 1, 4 k.

Находим массовый расход воздуха через отверстия:

 

-7

m = 7,85 ×10

= 0,0067,

кг/с.

 

Определим работы сжатия в ступенях компрессора:

k R æ

k -1 ö

1, 4 8314

æ 1,4 -1 ö

l 1 =    ×

T 1 × çe k -1÷ =      ×    (18 + 273) × ç 5,1 1,4 -1÷ =

k -1 m ç        ÷ 1, 4 -1 29              ç            ÷

è        ø                                    è            ø

= 173,1, кДж/кг;

k R æ

k -1 ö

1, 4 8314

æ 1,4 -1 ö

l 2 =    ×

T 2 × çe k -1÷ =      ×    (50 + 273) × ç 5,1 1,4 -1÷ =

k -1 m ç        ÷ 1, 4 -1 29               ç            ÷

è        ø                                    è            ø

= 192,1, кДж/кг;

Определяем потери мощности компрессора:

N D (1=73,1                    19+2,1) 0,0× 067  2,=45, кДж/с (кВт).

Экономические потери от утечек воздуха через отверстия опреде- лятся:

DЭ=2, 45×10-3 × 3600 × 600=5292, руб./ч.

Пример 4.3.2. Для тех же параметров, что и в предыдущей задаче оценить экономический эффект от использования тепла промежуточно- го и концевого холодильников, используемых на ГВС. Цена тепловой энергии 300 руб./Гкал.

Решение:

Степень повышения давления в каждой из ступеней:

e1 = e2 =

p 2а p 1а

= 2,6 = 26.

0,1

Температура после первой ступени:

k -1

 

T 1¢ = T 1 × e1  k

0,4

 

= (18 + 273) × 261,4

 

= 738, К;

Тепло, отводимое в промежуточном холодильнике:

q 1 = c p   × (T 1¢ - T 1 ¢  ) = 1×(738 - (50 + 273)) = 415, кДж/кг; Температура после второй ступени:

k -1

 

T 2¢ = T 2 × e2 k

0,4

 

= (50 + 273) × 261,4

 

= 819, К;

Тепло, отводимое в концевом холодильнике:

q 2 = cp  × (T 2¢ - T 2) = 1× (819 - (50 + 273)) = 496,

Массовый расход сжимаемого газа:

M V = × r V =,

J

 

кДж/кг;

где J – удельный объем воздуха, находится по формуле:

J =  R   ×  T 1 =  8314 × (18 + 273)  = 0,83,

м³/кг;

p 1 ×m

0,1×10⁶ × 29

M = 125=

0,83

150,6

кг/мин = 2,51 кг/с.

Тепловая мощность, получаемая в холодильниках:

Q M (q 1 q 2=) 2×,51+(415= 496)× 228+6,6 кВ=т = 1,97, Гкал/ч.

Экономический эффект от использования тепла промежуточного и концевого холодильников:

Э=Ц Q 1D,97т.э30× 0 5=91,

×  =руб./ч.

 

Пример 4.3.3. На 30-м километре участка газопровода протяжен- ностью 150 км образовался свищ (сквозное коррозионное отверстие)

площадью 20 мм2. Какой объем газа (

D = 0, 62,

g = C p   / C v = 1, 37) будет

потерян за сутки в результате утечки через свищ, если известно, что давление в начале участка газопровода составляет 5,5 МПа, а в конце – 3,5 МПа? Температуру газа в сечении утечки принять равной 12 С°, а коэффициент сжимаемости c 0, 9. Z

Решение:

Найдем сначала давление пользуемся формулой:

p * газа в сечении утечки. Для этого вос-

p 2 (x) p 2 (p 2 p 2) x / L. = -  -  ×

н     н   к

Подставив в нее исходные данные из условия, получим:

*

р =2 5,5-2 (5,5-2     3,52-) 30 / 150 = 5,162, МПа.

g                       1,37

Найдем: æ g + 1 ög-1 = æ 1,37 + 1 ö1,37-1 = 1,87.

ç 2 ÷    ç 2 ÷

 

 

Если

è   ø    è       ø

g

 

p * > æ g +1 ög-1, имеет место критический режим истечения

p ç 2 ÷

 

газа

а è   ø

(vс cс=). В этом случае:

g

p c = p * × æ  g +   1 ög-1 ; T c

 

T *=

 

2×; v =

 

2g RT * ,

ç 2 ÷

g + 1 c

g + 1

è   ø

Имеем:

R R в=озд / D28=7,1 / 0, 62 46@3,1 Дж/(кг × К);

1,37

p c = 5,162 × æ  1,37 +   1 ö1,37-1 @ 2,753, МПа;

ç 2 ÷

è       ø

T c=

(273+ 12×) 2 @ 240,5, К;

 

v c =

1,37 + 1

2 ×1,37 × 463,7 × (273 +12)

1,37 + 1

 

@ 390,6, м/с.

Отсюда находим массовый расход

M & ут

утечки:

&                     2,753 ×106                              -6

M утc=cr c v S

=                      × 390,6 × (20 ×10) @ 0, 215, кг/с.

0,9 × 463,1× 240,5

За сутки будет потеряно:

24 3600 0, 215 18,5 10׳

кг г×аза или=, ×

учитывая, что плотность газа при стандартных условиях равна

1, 204 0,62 0,746× кг/м @³ объем потерянного в утечке газа составит

24,85»тыс.м³.

 

Пример 4.3.4. Для производства ремонтных работ участок газо- провода изолировали от остальной части трубопровода, перекрыв его

кранами, и начали выпускать газ (  1, 35,   487 Дж/к(г·К R g) )=в атмо- =

сферу через короткий патрубок (свечу) с внутренним диаметром

100 мм. Определить скорость истечения газа на срезе свечи в моменты времени, когда давление внутри газопровода сделалось сначала 1,2, а потом 0,12 МПа, если известно, что температура газа в сечении, где ус- тановлена свеча, составляет +10 °С. Газ считать совершенным.

Решение:

Атмосферное давление, как известно, равно 0,1013 МПа, поэтому легко проверить, что в первом случае превышение давления в трубо- проводе над атмосферным больше, а во втором случае меньше величи-

ны (

*а/тм кр): p p

g

 

1,35

æ p * ö

= æ g + 1 ög-1 = æ 1, 35 + 1 ö1,35-1 @ 1,863,

ç  p ÷  ç 2 ÷    ç 2 ÷

è атм øкр

è   ø    è       ø

определяющей режим истечения газа из короткого насадка (свечи).

Действительно:

1, 2

 

0,1013

0,12

 

0,1013

= 11,8 > 1,863;

 

= 1,18 < 1,863.

Отсюда следует, что в первом случае режим истечения будет звуко- вым (критическим), а во втором – дозвуковым (докритическим).

Для звукового режима истечения имеем:

v c =         =                         @ 398, м/с; для дозвукового:

 

v c                                                                                                                        214, м/с.

 

Пример 4.3.5. Участок газопровода (см. условие задачи 4.3.4) изолиро- вали от остальной части трубопровода и начали выпускать газ

(1,35,  487 Дж/к(г·К) R)g =в атмосф=еру через короткую свечу с внут-

ренним диаметром 100 мм. Определить массовые расходы истечения га- за в моменты времени, когда давления газа в месте установки свечи бы- ли равны 1,2 и 0,12 МПа. Известно, что температура газа в сечении, где установлена свеча, составляет +10 °С. Газ считать совершенным.

Решение:

При решении предыдущей задачи было установлено, что в первом случае режим истечения газа – звуковой, скорость истечения составила 398 м/с; во втором случае режим истечения – дозвуковой, скорость ис- течения составляет 214 м/с.

1. Рассмотрим звуковой режим (p *

1,2 МПа):

 

p с*= p

g

 

× æ g +   1  ö1-g

1,35

 

= 1, 2æ  1,35 +   1  ö1-1,35 = 0,644, МПа;

ç 2 ÷        ç 2 ÷

è   ø        è       ø

T с*   T = 2× (1=0 27+3) 2   240,= 9, К.

                                                                                         

g + 1              1,35 + 1

Отсюда следует, что газ, истекая в атмосферу через свечу, охлаж- дается из-за адиабатического расширения от +10 до –32,1 °С.

rс =

 

&

p с RT с

= 0,644 ×10⁶

487 × 240,9

= 5, 489, кг/м;³

æ 3,14 × 0,12 ö

M ут = rс v с S с = 5, 489 × 398 × ç

4  ÷ = 17,15, кг/с.

 

Зная плотность газа:

è           ø

r = r ×  R возд

= 1, 2 × 8314 / 29 = 0,71

 

кг/м³,

г   возд R г

можно найти объемный расход:

 

487

V = M & ут=

rг

17,15=

0,71

 

24,15

м³/с.

2. Рассмотрим дозвуковой режим истечения, скорость истечения составляет 214 м/с (p *= 0,12 МПа):

p с p =атм 0,=1013 МПа;

g-1

T = T

× æ  p атм ö g

= (10 + 273)  0,1013  = 270,84 К°.

с*    ç

è

÷

p * ø

0,12

В этом случае газ охлаждается меньше, чем в случае звукового ис- течения, всего до –2,16 °С.

Далее находим:

rс =

 

&

p с RT с

= 0,1013 ×10⁶ 487 × 270,84

= 0,768, кг/м;³

æ 3,14 × 0,12 ö

M у = rс v с S с = 0,768 × 214 × ç 4  ÷ = 1, 29, кг/с

è           ø

(или 1,29/0,71=1,82 м/³с).