Автоматизированный стенд для определения степени осушки и точки росы сжатого воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированный стенд для определения степени осушки и точки росы сжатого воздуха

А.С. Галюжин

Основным требованием к качеству сжатого воздуха по DIN ISO 8573-1:2001 и ГОСТ 17433-80 является определенная температура точки росы сжатого воздуха. В известных источниках приведены устаревшие методы и стенды. Разработаны методика и автоматизированный стенд для определения точки росы, запаса по точке росы и степени осушки сжатого воздуха, содержащий компрессор с электроприводом, фильтр-влагоотделитель, теплоизолированную камеру, термогигрометр ТГ-1 и компьютер с инфракрасным каналом связи.

автоматизированный стенд фильтр влагоотделитель

The main requirement for the quality of compressed air according to DIN ISO 8573-1:2001 and GOST 17433-80 is a certain temperature of dew-point of compressed air. Known sources describe out-of-date methods and stands. We have developed methods and automated stand for determination of dew-point and the range for dew-point and degree of drying of compressed air, which contains a compressor with electric drive, filter-moisture-separator, heat-isolated cell, thermo-hygrometer TG-1 and computer with infra-red channel.

Введение и анализ источников

В современных сельхозмашинах и механизмах достаточно широко используется сжатый воздух. Требования к качеству сжатого воздуха бывают совершенно разными: например, для охлаждения поверхностей путем обдувки воздух вообще не нуждается в какой-либо подготовке. в других случаях он должен быть глубоко осушен и очищен от микроорганизмов. Так, для пневмоприводов мобильных машин существенное значение имеет осушка воздуха, поскольку в наиболее удаленных от компрессора элементах пневмопривода из-за охлаждения будет происходить конденсация наибольшего количества влаги. При эксплуатации машины в условиях отрицательных температур сконденсированная влага будет замерзать и, как правило, будет наблюдаться отказ пневмопривода.

В качестве исходного воздуха, который подвергается дальнейшему сжатию, используется атмосферный воздух. Значительная часть примесей, присутствующих в атмосферном воздухе, невооруженным глазом не видна. Так, в 1 м? городского атмосферного воздуха содержится [1, с. 75; 2, с. 49]:

- до 180 миллионов твердых частиц, размером от 0,01 до 100 мкм;

-от 5 до 50 г влаги в парообразной форме;

- от 0,01 до 0,1 мг минеральных масел и несгоревшего углеводородного топлива;

- до нескольких сотен тысяч бактерий и вирусов.

Атмосферный воздух, поступающий на вход в компрессор, также содержит влагу в виде пара, то есть в молекулярном состоянии, а иногда еще и в виде капель воды. Фильтры, устанавливаемые на входе в компрессор, чаще всего задерживают капельную влагу, которая может находиться в воздухе при движении машины, например, в тумане. В компрессоре воздух значительно сжимается, влага и твердые частицы практически несжимаемы. Поэтому, например, при изотермическом сжатии атмосферного воздуха до избыточного давления в 1 МПа (абсолютное давление 1,1 МПа) концентрация примесей увеличивается в 11 раз. В этом случае количество влаги в сжатом воздухе также увеличится в 11 раз, но часть этой влаги сконденсируется, а часть останется в виде пара. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Содержание водяного пара в атмосферном воздухе может достигать 4% по массе и зависит от метеоусловий и источников испарения воды [1, с. 75-76]. Смесь молекул азота, кислорода, углекислого газа, других газов и молекул воды называют влажным воздухом. Воздух, присутствующий в атмосфере нашей планеты, является влажным. Когда водяной пар в воздухе является перегретым, то этот влажный воздух называется ненасыщенным. С физической точки зрения это означает, что при данной температуре влажный воздух может пополняться молекулами воды. Пополнение воздуха молекулами воды не может происходить до бесконечности, при определённом количестве молекул воды в данном объеме воздуха наступает состояние насыщения. Состояние насыщения зависит от температуры влажного воздуха: чем выше температура воздуха, тем больше молекул воды может в нем находиться. Температура влажного воздуха, при которой наступает состояние насыщения, называется температурой точки росы, или просто точкой росы. Точка росы зависит от давления: чем выше давление влажного воздуха, тем выше температура, при которой наступает состояние насыщения. Если воздух охлаждать ниже точки росы, то находящийся в нем пар начинает конденсироваться (появляется туман) и влажный воздух становится пересыщенным. Таким образом, в компрессор может всасываться ненасыщенный, насыщенный и пересыщенный воздух. Чаще всего в компрессор всасывается ненасыщенный влажный воздух.

С достаточной степенью точности к влажному воздуху можно применять законы, которым подчиняются идеальные газы, поскольку чаще всего пар в воздухе находится в перегретом состоянии и поэтому по своим свойствам близок к идеальным газам [3, с. 78-79, 4, с. 84-88].

В странах Европейского Союза общепринятым стандартом качества сжатого воздуха является стандарт ISO 8573-1:2001. По этому стандарту европейские производители пневмосистем указывают требования к качеству сжатого воздуха, используемого в этих системах в качестве рабочего тела. В свою очередь производители, занимающиеся выпуском оборудования для подготовки сжатого воздуха, указывают показатели сжатого воздуха в соответствии с данным стандартом, которые обеспечивает их оборудование.

Стандарт ISO 8573-1:2001 классифицирует сжатый воздух по следующим показателям (табл. 1):

- остаточное содержание компрессорного масла и прочих углеводородов, содержащихся в сжатом воздухе;

- размер частиц и их остаточная концентрация;

- температура сжатого воздуха, до которой он может быть охлажден без образования конденсата.

Поскольку точка росы сжатого воздуха зависит от его давления, всегда должно быть указано давление, при котором обеспечивается соответствующая температура точки росы.

Таблица 1.Классы чистоты по ISO 8573-1:2001

Стандартом ISO 8573-1:2001 установлены также требования к воздуху классов 7, 8 и 9. Содержание влаги для этих классов оговаривается применительно к жидкой конденсированной влаге. Под м? понимается сжатый воздух, приведенный к стандартным условиям всасывания (температура Т=20°C, атмосферное давление ратм=100 кПа). Сокращение «не огов.» означает, что данный показатель не оговаривается.

В Республике Беларусь качество сжатого воздуха определяется ГОСТ 17433-80. Данным стандартом установлено 14 классов загрязненности (табл. 2). Содержание посторонних примесей указано для воздуха, приведенного к условиям: Т=20оС и ратм=101,325 кПа. Температура точки росы сжатого воздуха должна быть:

- для классов 0 и 1 - ниже минимальной рабочей температуры не менее чем на 10 К (10оС), но не выше 263 К (минус 10оС);

- для классов 3, 5, 7, 9, 11 и 13 - ниже минимальной рабочей температуры не менее чем на 10 К (10оС);

Для классов 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 14 температура точки росы не регламентируется. Минимальная рабочая температура - это наименьшая из температур: минимальной температуры сжатого воздуха или минимальной температуры окружающей среды при эксплуатации пневматических устройств и трубопроводов.

Нечетные классы ГОСТ 17433-80 в определенной степени соответствуют классам чистоты по ISO 8573-1:2001, хотя и есть некоторые различия. Так, в DIN ISO 8573-1:2001 содержание твердых примесей дано в штуках в м?, а в ГОСТ 17433-80 - в мг/м3. Различные подходы и к требованиям по точке росы: в европейском стандарте дано фиксированное предельное значение температуры для определенного класса, в ГОСТ 17433-80 - по сути, запас по точке росы. В целом следует отметить, что стандарт ISO 8573-1:2001 предъявляет к сопоставимому классу сжатого воздуха более жесткие требования, чем ГОСТ 17433-80.

Таким образом, для оценки качества осушки сжатого воздуха по ISO 8573-1:2001и ГОСТ 17433-80 необходимо знать его точку росы после осушки.

Таблица 2. Классы загрязненности сжатого воздуха по ГОСТ 17433-80.

Для осушки сжатого воздуха служат устройства, называемые в соответствии с ГОСТ 17752-81 влагоотделителями: «влагоотделитель - пневмоочиститель, предназначенный для отделения влаги, находящейся в жидком или парообразном состоянии» [7, с. 40]. Данный ГОСТ определяет два типа влагоотделителей: 1) для отделения влаги, находящейся в виде жидкости; 2) для отделения влаги, находящейся в виде пара [7, с. 41].

С начала 1996 г. в Беларуси введен межгосударственный стандарт ГОСТ 17437-93, который устанавливает общие технические требования к фильтрам-влагоотделителям и устанавливает методы их испытаний [8]. Этим стандартом для фильтров-влагоотделителей центробежного действия установлен такой показатель, как степень влагоотделения - «отношение количества воды и масла в жидком состоянии, задержанных фильтром-влагоотделителем, к их общему содержанию в воздухе до фильтра-влагоотделителя» [8, с. 3]. Для фильтров-влагоотделителей контактного действия в качестве основного показателя установлена степень очистки. Определение термина «степень очистки» в данном ГОСТе не приведено, не приведено это определение и в ГОСТ 17752-81, хотя на него сделана ссылка. Кроме того, в ГОСТ 17752-81 нет таких терминов, как «фильтр-влагоотделитель центробежного действия» и «фильтр-влагоотделитель контактного действия», в нем используются несколько иные термины «силовой влагоотделитель» и «контактный влагоотделитель».

В ГОСТ 17437-93 при определении степени очистки воздуха рекомендуется использовать метод, основанный на сравнении интенсивности светорассеивания или концентрации масляного тумана до и после фильтра-влагоотделителя и приводится схема соответствующего стенда [8, с. 8-11].

Таким образом, в рассмотренных стандартах есть несоответствия, которые не позволяют однозначно оценить качество сжатого воздуха, установленное ISO 8573-1:2001 и ГОСТ 17433-80. Так, если определять степень очистки по ГОСТ 17437-93, то установить количество, массу и размеры твердых примесей, а также точку росы под давлением невозможно.

Основная часть

В литературе по технической термодинамике зависимость абсолютной влажности воздуха в состоянии насыщения от температуры влажного воздуха приведена в табличной или графической форме [1, 3, 4], что представляет определенные неудобства при создании автоматизированного стенда для оценки степени осушки и точки росы сжатого воздуха. Поэтому с использованием упомянутых табличных данных и с учетом проведенного выше анализа были получены уравнения регрессии, позволяющие расчетным путем определять необходимые зависимости, т.е.

?н.атм=3?10-6 Т4р.атм + 0,006 Т2р.атм+0,368 Тр.атм+5,969 (1)

и Тр.атм=16,21 ln (?н.атм ) -18,04, (2)

где ?н.атм - абсолютная влажность воздуха при атмосферном давлении в состоянии насыщения, г/м3; Тр.атм - температура точки росы воздуха при атмосферном давлении в диапазоне температур -60 до +1200С. Величина достоверности аппроксимации для уравнения (1) равна 0,999, для уравнения (2) - 0,961.

Тогда методика определения точки росы воздуха при атмосферном давлении будет следующей. С помощью приборов определяем относительную влажность ?атм итемпературу Татм атмосферного воздуха, т.е. воздуха на входе в компрессор (Татм= Твх, ?атм= ?вх). Затем с помощью уравнения (1) определяем абсолютную влажность в состоянии насыщения ?н.вх при Тр.атм = Твх. Используя известную зависимость [3, с. 79], определяем абсолютную влажность воздуха ?п.вх на входе в компрессор:

? п.вх= ?вх ?н.вх.(3)

Зная абсолютную влажность воздуха ?п..вх на входе в компрессор, с помощью уравнения (2), приравняв ?п.вх=?н.атм, определяем точку росы воздуха на входе в компрессор Тр.вх:

Тр.вх = 16,21 ln[ (3?10-6 Т4вх + 0,006 Т2вх+0,368 Твх+5,969 ) ?вх]-18,04 . (4)

Большинство современных датчиков и приборов служат для измерения относительной влажности и температуры при атмосферном давлении. Существуют датчики для измерения данных показателей и в сжатом воздухе, однако их точность измерения ниже, а стоимость выше. Поэтому при создании стенда были использованы приборы для измерения температуры и относительной влажности воздуха при атмосферном давлении.

Известно, что при сжатии воздуха его объем уменьшается, но объем влаги в нем остается практически таким, каким был до сжатия. Причина в том, что сжимаемость воды примерно в 2?104 раз меньше сжимаемости воздуха [10, с. 12]. Таким образом, при сжатии воздуха, находящегося изначально под атмосферным давлением, его абсолютная влажность увеличивается пропорционально коэффициенту сжатия ?сж:

?сж=рсж/ ратм, (5)

где рсж - абсолютное давление сжатого воздуха; ратм - атмосферное давление.

Очевидно, что температура точки росы сжатого воздуха по сравнению с температурой точки росы этого же воздуха при атмосферном давлении будет выше. Поэтому при сжатии влажного воздуха возможно достижение состояния насыщения и даже пересыщения с образованием капельной влаги. Вместе с тем если фильтр-влагоотделитель исправен, то на выходе из него сжатый воздух не будет насыщенным.

Таким образом, если осушенный сжатый воздух подать в специальную камеру с достаточно эффективной теплоизоляцией, продуть ее осушенным воздухом, затем снизить давление в камере до атмосферного, то можно замерить температуру и относительную влажность осушенного воздуха таким же датчиком, которым замеряются эти показатели влажного воздуха на входе в компрессор. С учетом вышеприведенного анализа формула для расчета температуры точки росы сжатого воздуха примет вид:

Тр.сж = 16,21 ln[ (3?10-6 Т4ос.атм + 0,006 Т2ос.атм+0,368 Тос.атм+5,969 ) ?ос. атм ?сж]-18,04 , (6)

где Тос.атм,?ос. атм- температура и относительная влажность осушенного воздуха при атмосферном давлении соответственно.

Запас по точке росы ?Трпри этом равен:

?Тр = Твх - Тр.сж. (7)

В нормативной литературе отсутствует термин «степень осушки воздуха». Поэтому по аналогии с термином «степень влагоотделения» и его определением по ГОСТ 17437-93 сформулируем, что степень осушки воздуха Ао - отношение количества воды в жидком и парообразном состоянии, задержанных фильтром-влагоотделителем, к его общему содержанию в воздухе до фильтра-влагоотделителя, выраженное в процентах. Тогда формула для расчета Ао будет иметь вид:

Ао =100 -(?н вых ?вых / ?н вх ?вх)100, %, (8)

где ?н вых , ?вых - абсолютная влажность в состоянии насыщения и относительная влажность воздуха на выходе из фильтра-влагоотделителя, приведенные к такому же давлению, как и на входе в фильтр-влагоотделитель. Это означает, что в нашем случае ?вых= ?ос. атм, а ?н вых =3?10-6 Т4ос.атм + 0,006 Т2ос.атм+0,368 Тос.атм+5,969.

В соответствии с разработанной методикой создан стенд для определения степени осушки и точки росы сжатого воздуха, схема которого представлена на рис.

Рис. Схема автоматизированного стенда

Стенд содержит электрокомпрессор 1 модели ЭК4В-М с входным сетчатым фильтром 2, фильтр-влагоотделитель 3, теплоизолированная камера 4, регулируемый дроссель 5, реле давления 6, датчик давления 7, термогигрометр ТГ-1 8 и компьютер 9. Связь термогигрометра 8 с компьютером 9 осуществляется посредством инфракрасного канала связи. При испытании фильтра-влагоотделителя пневмосистемы мобильной машины заборник компрессора 1 выводится наружу.

Испытания фильтра-влагоотделителя проводятся следующим образом. Вначале включается компрессор 1 и осуществляется продувка камеры 4 при открытом дросселе 5, датчик 7 при этом вынут из камеры, а отверстие в камере 4 для установки датчика 7 закрыто пробкой. Затем с помощью дросселя 5 устанавливается расход воздуха, который необходим для питания пневмосистемы. Поскольку подача компрессора 1 всегда выше расхода воздуха в пневмосистеме, то давление в камере 4 растет и при достижении верхнего предела давления в камере 4 срабатывает реле давления 6 и отключает электродвигатель компрессора 1. При достижении в камере 4 нижнего предела давления срабатывает реле давления 6, включается компрессор 1 и накачивает в камеру 4 воздух до верхнего предела давления. Срабатывает реле давления 6 и отключает электродвигатель компрессора 1. После этого вручную отключается электродвигатель компрессора 1 от электрической сети, открывается пробка в камере 4, и после стравливания в ней давления до атмосферного в камеру 4 помещается датчик 7, включается термогигрометр 8. В компьютере 9 запускается специальная программа по обработке информации с термогигрометра 8. С помощью данной программы по методике, изложенной выше, определяется точка росы осушенного сжатого воздуха Тр.сж.

При необходимости определения запаса по точке росы ?Тр и степени осушки воздуха Ао измеряем с помощью датчика 7 температуру Т.вх и относительную влажность воздуха ?вх, поступающего в компрессор, запускаем дополнительную программу в компьютере 9 и получаем ?Три Ао.

Заключение

Разработанный стенд позволяет в автоматизированном режиме определять точку росы, запас по точке росы и степень осушки сжатого воздуха. При этом нет необходимости в использовании таблиц, диаграмм и графиков, что ускоряет процесс обработки информации и повышает точность результатов исследований.

Литература

1. Бурцев, С.И. Влажный воздух. Состав и свойства: учеб. пособие/С.И. Бурцев, Ю.Н. Цветков. СПб.: СПбГАХПТ, 1998. 146 с.

2. Сжатый воздух и компрессоры - компендиум [Электронный ресурс]. 2009. Режим доступа: http://www.immertechnik.ru/support/compendium/index. Дата доступа: 10.11.2009.

3. Бальян, С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели/ С.В. Бальян.л.: Машиностроение, 1973. 304 с.

4. Луканин, В.Н. Теплотехника: учеб. для вузов/В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 2000. 671 с.

5. Compressed air - Part 1: Contaminants and purity classes: ISO 8573-1:2001.International Organization for Standardization /2001-02-01 / 8 pages.

6. Промышленнаячистота. Сжатыйвоздух. Классызагрязненности: ГОСТ 17433-80. М.: Изд-востандартов, 1981. 4с.

7. Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения: ГОСТ 17752-81. М. Изд-во стандартов,1982. 71 с.

8. Пневмоприводы. Фильтры-влагоотделители. Общие технические требования и методы испытаний: ГОСТ 17437-93.-Минск: БелГИССиздат, 1995. 22 с.

9. Pneumatic fluid power. Compressed-air filters. - Part 2: Test methods to determine the main characteristics to be included in supplier's literature: ISO 5782-2:1997. International Organization for Standardization / 1997-12-25 / 7 pages.

10. Юшкин, В.В.Гидравликаигидравлическиемашины: учеб. пособие / В.В. Юшкин. Минск: Выш. шк., 1974. 270 с.

Размещено на Allbest.ur