Pneumatika

Full text

(1)VIŠA TEHNIČKA SKOLA SUBOTICA. Dr. Njerš Jožef. PNEUMATIKA. SUBOTICA,2004..

(2) Autor: Dr. Nyers József - Njerš Jožef Profesor VTŠ Subotica. Stručni recenzent: Dr. Firstner Stevan Profesor VTŠ Subotica. Tehnički realizatori: Antal Károly - Antal Karolj inž. Szügyi Zsolt - Siđi Žolt inž. Ivković Miroslav inž.. 2.

(3) PREDGOVOR. Pneumo na grčkom znači pluća. Na bazi te reči je formiran naziv, pneumatika. Naziv nije sasvim adekvatan, jer se radi o sistemu koji je ispunjen sa vazduhom (na grčkom aero) zato je možda pravilnije koristiti aerotiku umesto pneumatike. Sistemi sa vazduhom služe za prenos - transport energije i informacije. Energetski vazdušni sistemi mogu da transportuju toplotnu energiju u obliku unutrašnje energije ili mehanički radni potencijal u obliku pritisne energije (pV). Vazdušni sistemi za transport toplotne energije služe za grejanje i hlađenje, njihovo proučavanje izlazi iz okvira tradicionalne pneumatike. Tehnička pneumatika uglavnom se bavi sa prenosom informacija i mehaničkog radnog potencijala pomoću sabijenog vazduha. U savremenoj industijskoj praksi dominirajuću ulogu igra energetska pneumatika dok je pneumatska informatika praktično zamenjena sa elektronikom i mikroprocesorima. Eventualno, u izvesnim prostim slučajevima, još se primenjuje tradicionalna ventilska pneumatska logika sa ventilskim senzorima.. NAPOMENA: U vezi svih vidova reprodukcije, štampanja knjige sva prava su zadržana.. 3.

(4) SADRŽAJ. 4.

(5) OZNAKE. l m t T F p V ρ γ. dužina, masa, vreme, temperatura, Sila, pritisak, zapremina, gustina, specifična težina,. c G L Q E P ∆ A U x ϕ g w δ. specifični toplotni kapacitet Protok mehanički rad toplotna energija Energija Snaga matematički - razlika, fizički – promena površina, poprečni preseka unutrašnja energija apsolutna vlažnost relativna vlažnost ubrzanje zemljine teže Brzina debljina zida cevi Ubrzanje Brzina Napon Prečnik koeficient koji uzima u obzir vrste strujanja i relativnu hrapavost unutrašnje površine cevi koeficijent lokalnih gubitaka Rejnolds-ov broj odnos obima kruga i njegovog rpecnika, Ludolfov broj Viskoznost Entalpija mehanički radni potencijal. &x& x&. σ D, d ξ1 ξlok Re π ε I Pv. 7.

(6) η A B P R, S, T, ... X, Y, Z, ... ⊥ ↑ a , a, ... N yA+, yA−, ... A+, A−, .... 8. stepen dobrote priključak koji spalja jedan kraj Pneumatskog izvršnog organa priključak koji spalja drugi kraj Pneumatskog izvršnog organa priključak za napajanje, priključen u cev od kompresora priključci za ispuštanje vazduha u atmosferu, za odzraku priključak za upravljanje ventilom zatvorenost priključka otvorenost priključka položaj aktiviranih senzora broj izvršenih organa označavanje upravljačkih funkcija u ciklogramima označavanje smera kretanja radnog organa A.

(7) 0. PARAMETRI I MERNE JEDINICE U FLUIDNOJ TEHNICI.

(8) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. 0.1 OSNOVNI PARAMETRI STANJA I MERNE JEDINICE U mehanici osnovne fizičke veličine stanja i njihove merne jedinice, po ISO (Internacionalna Standardna Organizacija ) su: • dužina, l[m] • masa, m[kg] • vreme, t[s] • temperatura, T[K] Popularan naziv ovog mernog sisitema u tehničkoj praksi je MKS – metar, kilogram, sekundum. Ostali parametri stanja i merne jedinice su izvedene na bazi gore definisanih osnovnih veličina stanja a njihove merne jedinice sadrže osnovne merne jedinice m, kg, s, K. Stari, prevaziđeni sistem mera je MKpS – metar, kilopond, sekundum. • dužina, l[m] • sila, F[kp] • vreme, t[s] • temperatura, T[C] Primena MKpS sistema jedinica i mera po međunarodnoj konvenciji je zabranjena.. 02. IZVEDENI PARAMETRI STANJA I MERNE JEDINICE r. 0.2.1. SILA ( F ) Fizički, sila predstavlja dejstvo između dva tela. Matematički, po Njutnu (Newton) sila je umnožak mase i ubrzanja. Sila je definisana sa četiri podatka: sa intenzitetom (F) sa napadnom tačkom, sa napadnom linijom i smerom dejstva. Grafički je možemo prikazati vektorom. Matematička formulacija sile po Njutnu:. r r F = m ⋅a 10. m  kg ⋅ s 2  ≡ [N ].

(9) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. v F. napadna tačka. napadna linija. F Slika 1. Grafičko prikazivanje sile. r. 0.2.2. PRITISAK ( p ) Pritisak je jedinična sila i pokazuje nivo mehaničke energije u materiji. U fluidima pritisak se prostire podjednako u svim pravcima. U čvrstoj materiji pritisak menja intenzitet u zavisnosti od pravca. Kao sila i pritisak je vektorska veličina. U opštem slučaju intenzitet pritiska zavisi od prostornog položaja i vremena p(x,y,z,t). dA. r dF. Slika 2. Elementarna sila i površina. Matematička formulacija: elementarna sila po elementarnoj površini r r dF  N  p= Pa – Paskal   ≡ [Pa ] dA  m 2 . Jedan Paskal je veoma mala jedinica zato je uvedena veća merna jedinica pod nazivom bar. Bar je po veličini veoma blizu staroj mernoj jedinici, atmosfera. Značajan je praktičan značaj da su približno jednaki. Nova merna jedinica bar i atmosfera po veličini se približno razlikuju 3 %, dakle korisnici novih manometara sa podeocima [bar] ne moraju se privikavati na potpuno nove veličine. primer . 1[atm] = 0.981 [bar] 1[bar] = 105 [Pa] definicija. 11.

(10) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice  daN  1[bar ] = 1 2   cm   kp  1[atm] = 1 2   cm  odnos između bar i atm.. 1. daN cm 2. 1 ⋅ 10 ⋅ N 10 1bar = = = kp 1 ⋅ 9,81 ⋅ N 9,81 1atm 1 2 cm dokaz. 1da = 10 1kp = 9,81 [N] 1kp = 9,81. 0.2.3.. m   kgm  F[kp] = G = m ⋅ g kg ⋅ 9,81 2  = 9,81 2  s    s . kgm = 9,81[N ] s2. HIDROSTATIČKI PRITISAK ( ps ). Fizička definicija. Hidrostatički pritisak je dejstvo težine fluidnog sloja na određenu površinu. U fluidu se hidrostatički pritisak prostire podjednako u svim pravcima.. h H. dA. dQ h dA. Slika. 3 Elementarni fluidni stub. Matematička definicija. 12.

(11) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice dF = dQ = γ ⋅ dV = γ ⋅ h ⋅ dA ⋅ p(h ) =. dF dA = γ⋅h⋅ dA dA. p(h) = γ ⋅ h 0.2.4. HIDRODINAMIČKI PRITISAK ( pd ). Hidrodinamički pritisak nastaje pri opstrujavanju neke uronjene površine ili pri skretanju struje fluida. Dejstvo nastaje usled udaranja čestica fluida o zid čvrste površine. Ispred ploče stvara se ukupan pritisak (pu) a iza ploče prostor statičkog pritiska (ps). U prostoru smanjenog pritiska čestice se vrte u krug i stvaraju vrtloge. Vrtlozi su nepoželjni jer se kinetička energija čestica zbog prisustva viskoznog trenja pretvara u toplotnu energiju.. Slika 4. Srujnice i vrtlozi u fluidu pri opstrujavanju ploče. p. w2 =p − p = ξ ⋅ ⋅ρ d u s 2. 0.2.5. SPECIFIČNA ZAPREMINA ( v ). Ako geometrijsku zapreminu podelimo sa masom fluida u njoj dobijamo specifičnu zapreminu.. v=. V − V2 dV ∆V = lim = 1 ∆m → 0 ∆m m1 − m 2 dm.  m3     kg . U opštem slučaju intenzitet specifične zapremine može da se menja u toku vremena i da bude različit u prostornim tačkama. v (x,y,z,t). 13.

(12) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice 0.2.6. GUSTINA ( ρ ) Specifična gustina je recipročna vrednost specifične zapremine. U opštem slučaju se menja u toku vremena u svim tačkama prostora.. ρ=. 1 dm ∆m = ≅ v dV ∆V.  kg   m 3 . 0.2.7. SPECIFIČNA TEŽINA ( γ ) Specifična težina je količnik težine i zapremine. Srazmerna je gustini, umesto mase uzima se težina.. γ=. dG ∆G ≅ dV ∆V. N   m3    m g = 9,81 2  s . dG = g ⋅ dm. γ = g⋅. dm = g ⋅ρ dV. 0.2.8. TEMPERATURA ( T ) Temperatura je termički parametar stanja i pokazuje nivo unutrašnje energije materije. Mikro posmatrano, gledajući unutar materije, srazmerna je kinetičkoj energiji čestica fluida.. T = k⋅. m ⋅ w2 2. [ C] o. [K ]. Meri se indirektno širenjem žive, alkohola ili bimetala. Izražava se u stepenima Celziusa ili Kelvina. -273,13[oC]. 0[K]. 0[oC]. 273,16[K]. Celzius Kelvin. Slika 5. Grafički prikaz odnosa Celziuseve i Kelvinove temperaturske skale °C i K. 14.

(13) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Kelvin za početak skale uzima apsolutnu nulu. Priraštaj tj. Kelvinov stepen se poklapa sa stepenom Celziusa. Celzius je ranije definisao svoju skalu od Kelvina i za nulu je uzeo temperaturu ključanja vode na pritisku od 1[atm] a za sto, stepen temperaturu smrzavanja vode. Temperatursku razliku između ključanja i smrzavanja vode je podelio na sto jednakih delova i dobio je jedan stepen koji je nazvan po njemu temperaturskim stepenom Celziusa. Skalu je kasnije okrenuo Stremmer i sa 100 označavao temperaturu ključanja vode na 1atm. 0.2.9. PROTOK ( G ). Protok je količina fluida koja proteče kroz posmatrani poprečni presek u toku vremena. Količina može da bude izražena u zapremini ili masi. Zato imamo zapreminski i maseni protok. U opštem slučaju protok menja intenzitet u zavisnosti od prostora i vremena. G(x,y,z,t). za dt dV dm dx Slika 6. Pomeranje elementarne količine fluida za elementarno vreme. Zapreminski protok:. GV =. dV ∆V ≅ dt ∆t. m3   sec   . Maseni protok:. Gm =. dm ∆m ≅ dt ∆t.  kg   sec . Odnos između zapreminskog i masenog protoka G V dV dt dV = ⋅ = Gm dt dm dm. 15.

(14) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice v=. dV 1 = dm ρ. GV 1 =v= Gm ρ. ⇒. G = v ⋅G v m Ako je strujanje ustaljeno (slika strujanja se ne menja u toku vremena) i uzimamo prosečnu brzinu u preseku proticanja, onda protok možemo izraziti sa prostom formulom. GV ≅. ∆V ∆t ∆V = A ⋅ ∆x. GV = A ⋅. ∆x ∆t. GV = A⋅w. zapreminski ili. Gm =. ∆m ∆t. Gm = ρ ⋅ A ⋅ maseni protok. ∆m = ρ ⋅ ∆V = ρ ⋅ A ⋅ ∆x ∆x ∆t. Gm = ρ ⋅ A ⋅ w. 0.3. ENERGETSKI SPOLJNI UTICAJI Toplotna energija i mehanički rad su spoljni uticaji. U sistemu materije, samo pomoću spoljnih uticaja je moguće postići promene. Promene se odražavaju u promeni parametara stanja sistema. Menja se : pritisak, spec. zapremina, temperatura, .... U datom slučaju posmatrana materija je fluid. Fluid može da poseduje razne vidove energije kao što je kinetička, pritisna, položajna, toplotna. Nivoe spomenutih energija možemo menjati isključivo pomoću spoljnih uticaja.. 16.

(15) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice 0.3.1. MEHANIČKI RAD ( L ) Mehanički rad je umnožak komponente sile u pravcu kretanja i pređenog puta.. r FR. m. m. r F. α. dx Slika 7. Plan sila i pređeni put. dL = FR ⋅ cos α ⋅ dx dL = F ⋅ dx. [Nm] ≡ [J ]. 0.3.2. TOPLOTNA ENERGIJA ( Q ) Toplotna energija je razmenjena količina energije između dva tela. Toplotni sadržaj u samoj materiji je unutrašnja energija (U). Ako ne postoji mehanički rad promena količine unutrašnje energije se poklapa sa razmenjenom količinom toplotne energije. Na osnovu prvog zakona termodinamike. dQ = dU + dL dQ = dU = c ⋅ m ⋅ dT. ako je dL = 0  J  ⋅ kg ⋅ K  = [J ]   kg ⋅ K   J  c   kgK . - specifična toplota. m[kg ]. - masa. dT[K ]. - promena temperature materije tela. 17.

(16) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. 0.3. ENERGIJE STRUJNOG FLUIDA Energija znači na grčkom mogućnost, a u energetici znači mogućnost izvršenje rada. U opštem slučaju svaka čestica u prostoru može da sadrži različitu količinu energije, i da je ta količina promenljiva u toku vremena. Radi dobijanja prostijih matematičkih relacija prilikom matematičkog opisivanja energije, uvodimo neka uprošćenja. Smatramo da je strujanje stacionarno, tj. da se slika strujnog fliuda ne menja u toku vremena, da je brzina svake čestice fluida u poprečnom preseku proticanja ista. Sa navedenim uprošćenjima se uvodi izvesna greška, beznačajna za inženjersku praksu, ali se dobija veoma mnogo, jer matematičke formule postaju proste a sa time i lako primenljive u praksi. 0.4.1. KINETIČKA ENERGIJA ( EK ). Kinetička energija je mogućnost mase u kretanju da izvrši rad ili da se pretvori u drugi vid energije, npr. u toplotu. Pri matematičkom izvođenju kinetičke energije polazi se od mehaničkog rada. Po intenzitetu te dve veličine su jednake. Deo mehaničkog rada uvek se pretvara u kinetičku energiju i obratno uz izvesne gubitke.. dE k = dL = F ⋅ dx = m ⋅ a ⋅ dx dw dt dx w= dt a=. dE k = m ⋅. dw ⋅ w ⋅ dt dt. dEk = m ⋅ w ⋅ dw U opštem slučaju primenom određenog integrala dobija se jednačina Ek. ∫ dE. Ek0. 18. w K. =. ∫ m(. w0. w). ⋅ w ⋅ dw.

(17) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. Ako se količina mase ne menja u toku vremena m = const, fizički to znači, da se sa strane strujnom fluidu ne dovodi i ne odvodi nikakva količina fluida. Masa fluida kao constantna veličina može da izlazi ispred integrala. Ek. w. Ek 0. w0. ∫ dE K = m ∫ w ⋅ dw = m ⋅. E k − E k 0 = ∆E k = m ⋅. w2 2. w w0. w2 w2 −m⋅ 0 2 2. Dakle kinetička energija constantne mase u jednom trenutku vremena.. Ek = m ⋅. 0.4.2.. w2 2.  m2   m  kg ⋅ = kg m = [N ⋅ m] = [J ]  s 2   s 2  . PRITISNA ENERGIJA – RADNI POTENCIJAL ( EP ). Pritisna energija ili radni potencijal predstavlja energiju fluida usled prisustva mehaničkog radnog potencijala, čije je merilo nivoa pritisak. Po intenzitetu promena pritisne energije je jednaka mehaničkom radu. dE P = dL = F ⋅ dx F=p⋅A. sila usled pritiska. dE P = p ⋅ A ⋅ dx dV = A ⋅ dx promena zapremine. dE P = p ⋅ dV. N 3  m 2 ⋅ m  = [N ⋅ m ] = [J ]  . U opštem slučaju primenom određenog integrala dobija se diferencijalna jednačina. Ep. ∫. Ep0. V. dE P =. ∫ p(v) ⋅ dV. V0. 19.

(18) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Ako se pritisak ne menja u funkciji zapremine i vremena, p = const. p izlazi ispred integrala V. E P − E p 0 = p dV = p ⋅ (V − VO ) = p ⋅ ∆V. ∫. V0. Trenutna vrednost pritisne energije fluida, ako je pritisak isti u svakoj tačci zapremine fluida u toku vemena. za p=const.  N 3  m 2 ⋅ m  = [N ⋅ m ] = [J ]  . EP = p ⋅ V. 0.4.3.. POLOŽAJNA ENERGIJA ( Eh ). Mehanička položajna energija postoji usled gravitacionog polja zemlje (zemljina teža). Masa zemlje privlači svaku masu u svoju okolini. Tu privlačnu silu zovemo težinom. Ako telo određene mase dižemo, uložimo rad, rad se pretvara u položajnu energiju, a ako ga spustimo, položajna energija prelazi u rad. Svaka energetska transformacija je praćena sa izvesnim energetskim gubicima. dE h = dL = F ⋅ dx F=G dx = dh dE h = G (h ) ⋅ dh. Težina G zavisi i od radijusa zemlje i nije sasvim konstantna veličina. Oblik površine zemlje nije idealna lopta, na polovima je udubljena. Na polovima svaka masa za nijansu ima veću težinu. Tu promenu uzimamo u obzir gravitacionom konstantom (g). Eh. ∫. E h0. h. dE h =. ∫ G(h). dh. h0. ako je G = const. 20.

(19) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice E h − E h 0 = ∆E h = G ⋅ h. h h0. = G (h − h O ) = G ⋅ ∆h. Položajna energija konstantne mase (m) na datoj visini (h) jednaka je:. [Nm] = [J ]. Eh = G ⋅ h. Eh = m ⋅ g ⋅ h. 0.4.4. SNAGA ( P ). Snaga ili učinak pokazuje brzinu izvođenja rada. Po matematičkoj definiciji snaga je promena rada u vremenskom intervalu posmatranja.. P=. dL F ⋅ dx = =F⋅w dt dt.  m J  N s  =  s  ≡ [W ]    . Smenom parametara stanja koji su lako merljivi kod fluida npr. pritisak i protok, matematička relacija se pretvara u sledeći oblik. Važi za fluide ako su. p = cost. i Gv=const.. F = p⋅A P = p⋅A⋅. dx dV = p⋅ dt dt GV =. P = p ⋅GV. dV dt. [W ]. 21.

(20) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. 0.5. OSNOVNE JEDNAČINE STRUJNOG FLUIDA Raspolažemo sa dve osnovne jednačine. Jedna je za održanje materije, a druga je za održanje energije. Obe jednačine su izvedene za prostorne i vremenske nepromenljive parametra stanja, drugačije rečeno, za ustaljeno strujanje sa prosečnim veličinama stanja.. 0.5.1.. JEDNAČINA KONTINUTETA. Ova jednačina je izvedena na osnovu zakona o održanju materije. Zakon glasi ovako: materiju ne možemo stvoriti niti uništiti. Materija je neuništiva, tj.večna. Primenjeno za fluide. U ustaljenom režimu strujanja kroz svaki poprečni presek duž strujanja mora da proteče ista količina fluida. Gm1=Gm2 ---------------------------------. ρ1A1w1=ρ2A2w2. A1. A2 W1. W2. Gm2 Gm1. Slika 8. Strujanja fluida u cevi promenljivog poprečnog preseka. 22.

(21) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Ako je fluid nestišljiv, a strujanje je ustaljeno, i zapreminski protoci su isti u svakom poprečnom preseku duž cevi, jednačina kontinuiteta značajno se uprošćuje i dobija sledeći oblik:. ρ1=ρ2 ρ≠ρ(t) --------------------------. A1w1=A2w2. 0.5.2. BERNOULIJEVA ENERGETSKA JEDNAČINA. Bernoulijeva energetska jednačina je izvedena na osnovu zakona o održanju energije. Sadrži zbir energija u posmatranom preseku fluida. Strujna energija fluida se sastoji od kinetičke, pritisne i položajne energije. Kod stvarnih fluida uzima se u obzir i promena unutrašnje "toplotne" energije. Primer: Promena unutrašnje energije se odvija zbog viskoziteta (unutrašnje trenje) u fluidu. Posledica toga je delimično pretvaranje pritisne energije u unutrašnju (toplotnu) energiju.. Za ustaljeni režim strujanja u toku vremena, zbir energija se u svakom poprečnom preseku fluida ne menja. E = E k + E P + E h + U = const. ∑ ∑E = ∑E 1. 2. Matematička formulacija energija u fluidu w2 2 EP = p ⋅ V. Ek = m ⋅. Eh = m ⋅ g ⋅ h U = c ⋅ m ⋅ dT. 23.

(22) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. 1. 2 Ek2 Ep2 Eh2 U2. Ek1 Ep1 Eh1 U1. Slika 9. Energetska struktura fluida u cevi promenljivog porečnog preseka. Ukupna strujna energija fluida u jednom preseku proticanja. Za ustaljeni režim strujanja za nestišljivi, viskozni fluid.. ∑E = m ⋅. w2 + p ⋅ V + m ⋅ g ⋅ h + U = const 2. ---------------------------------------------------------. ρ=. m v. ili. v=. m ρ. ---------------------------------------------------m⋅. w2 m + p ⋅ + m ⋅ g ⋅ h + U = const 2 ρ. w2 p U + + g ⋅h + = const 2 ρ m. 24. /:m.

(23) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. Ukupna strujna energija fluida u dva posmatrana preseka proticanja, zbog zakona o održanju energije,u svim presecima je isti.. ∑E = ∑E 1. 2. w12 p1 U w2 p U + + g ⋅ h1 + 1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 2 ρ1 m 2 ρ2 m w12 p1 w2 p U U + + g ⋅ h1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 − 1 2 ρ1 2 ρ2 m m. w 12 p 1 w2 p ∆U + + g ⋅ h1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 ρ1 2 ρ2 m ∆U je priraštaj unutrašnje energije. Kod ustaljenog strujanja priraštaj ∆U nastaje zbog opadanja pritisne energije. Pritisna energija, zbog prisustva viskoznog trenja, delom se pretvara u unutrašnju energiju (toplotu). Pokazatelji te promene su pad pritiska i porast temperature fluida.. 25.

(24) 0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice. Slika!. 26.

(25) 1. PODELA PNEUMATIKE.

(26) 1. Podela pneumatike 1.1 ENERGETSKA PNEUMATIKA Energetska pneumatika igra bitnu ulogu u industrijskoj praksi. Primenjivana je gde tehnološki - tehnički zadatak zahteva da: . kretanje bude:. •. •. pravolinijsko, periodično o dugačko o sa brzinom do ( ≅ v = 2[m/s]) o sa silom do 30 [kN] kružno o. sa visokim brojevima obrtaja (i do 25000 [o/min]) o za male snage, zbog lošeg stepena dobrote nema kretanja, što znači stezanje (samo indirektno preko mehanizma). 1.1.1. OSOBINE ENERGETSKE PNEUMATIKE Prednosti: Osobine pneumatike proizlaze uglavnom iz osobine samog sabijenog vazduha. • Zbog velike sabitljivosti vazduha pneumatski sistem može da akumuliše veliku količinu radnog medijuma, tj. sabijenog vazduha, što istovremeno znači i veliku količinu mehaničkog radnog potencijala tj. energije. Akumulacija se odvija u rezervoaru. • Zbog relativno niske viskoznosti moguće je formirati veću strujnu brzinu (nekoliko [m/s]) uz manji pad pritiska. • Zbog malog pada pritiska moguć je transport vazduha na veća rastojanja. • Transporovana količina mehaničkog radnog potencijala (pV) jediničnoj masi vazduha je relativno visoka vrednost što omogućava manje gabarite komponenata (kompresora, prečnika cevovoda, ventila, cilindara..itd...). • Radni medijum, vazduh, prisutan je svugde, nije potreban poseban izvor.. 28.

(27) 1. Podela pneumatike • • • • • •. Regulacija brzine kretanja izvršnih organa je relativno lako izvodljiva primenom izentalpskog prigušivanja što se realizuje prigušnim ventilima. Izentalpskim prigušivanjem sabijenog vazduha koje se realizuje prigušnim ventilima podešavamo protok a time i brzinu kretanja klipa i poluge. Regulacija sile (dejstva) izvršnih organa vrši se takođe preko izentalpskog prigušivanja podešavanjem pritiska unutar radnog prostora izvršnih organa. Razvod sabijenog vazduha do izvršnih organa je lako ostvarljiv (npr. pomoću plastične cevne mreže, bez ikakvih geometrijskih (položaj i rastojanje) ograničenja. Sabijeni vazduh je pogodan za pokretanje laganih ručnih alata male snage sa ogromnih brojeva obrtaja (nekoliko desetina hiljada po minuti). Pneumatika odgovara za stvaranje dugotrajne i precizno definisane sile za stezanje. Ovo proizlazi iz činjenice da nivo mehaničkog radnog potencijala (pv), čiji pokazatelj pritisak u principu bez gubitka tj. rasipanja moguće je održavati u nepokretnim sistemima beskonačno dugo. Kod stvarnih sistema obično postoje izvesni zapreminski gubici što treba kontinualno nadoknaditi svežim sabijenim vazduhom radi održvanja odgovarajućeg pritiska. Medjutim kod dobro zaptivenih sistema te gubitke možemo svesti maltene na nulu.. Nedostaci: •. •. •. Osnovni nedostatak pneumatike je veoma loš energetski stepen iskorišćenja mehaničkog radnog potencijala u izvršnim organima (samo 20 ÷ 30 %). Ova osobina sledi iz velike sabitljivosti vazduha, naime, posle izvršenja mehaničkog rada sabijeni vazduh je i dalje pod radnim pritiskom, i sadrži još veliku količinu radnog potencijala (p V). Kod otvorenih sistema, zajedno sa vazduhom, ova energija izlazi u atmosferu. Primenom zatvorenog sistema (skupljati vazduh) veći deo te energije mogao bi se spasiti. Ovakvo rešenje zahteva komplikovaniju tehničku realizaciju. Postavlja se pitanje ekonomičnosti, da li je skuplja izgubljena energija ili instalacija za skupljanje. Kod otvorenog sistema iz izvršnih organa sa vazduhom, pored energije. izlazi u atmosferu i ulje za podmazivanje. Ova pojava je višestruko nepoželjna, sa jedne strane gubi se ulje i zagađuje. 29.

(28) 1. Podela pneumatike. •. okruženje, sa druge strane štetno utiče i na zdravlje, tačnije na pluća radnika. Ima više rešenja za eliminisanje ulja iz atmosferskog vazduha: 0 prvo, primena zatvorenog sistema, o drugo, kod otvorenih sistema upotreba filtra za ulje prilikom ispuštanja vazduha, o treće, tendencija je danas kod poznatih svetskih proizvođača da razvijaju izvršne organe koji ne zahtevaju ulje za podmazivanje. Treća varijanta se sve više primenjuje u svetskim razmerama.. 1.2. UPOREĐENJE RAZNIH SISTEMA ZA PRENOS MEHANIČKOG RADNOG POTENCIJALA U tehničkoj praksi za prenos, razvod mehaničkog radnog potencijala uglavnom imamo tri sistema i to elektro-mehanički, pneumatski, hiadrulični sistem. Kao što vidimo ima ih više jer nijedan od njih nije idealan i svestran, svaki ima prednosti i nedostatke što znači da je primenljiv tamo gde ispoljava dobre osobine. Te osobine uglavnom slede iz samih osobina medijuma za prenos energetskog radnog potencijala.. 1.3. UPRAVLJAČKA PNEUMATIKA Sedamdesetih godina prošlog veka upravljačka pneumatika je dostigla svoju kulminaciju u tehničkoj primeni. Počeli su je primenjivati kod vasionskih letilica, kod aviona, u mašinskoj industriji, u tehnološkoj industriji itd. Pojavom i primenom poluprovodničke tehnike pneumatske logičke i upravljačke komponente sve više su zamenjene električnim i elektronskim elementima. Danas pneumatsko upravljanje se primenjuje tamo gde upravljački algoritam nije komplikovan i ide se na monoenergetski sistem radi smanjivanja cene izrade mašine. 1.3.1. OSOBINE UPRAVLJAČKE PNEUMATIKE. Prednosti: •. 30. osnovna prednost upravljačke pneumatike je da zajedno sa energetskom pneumatikom čine monoenergetski sistem, tj. i jedna i druga koriste sabijeni vazduh, tako da nema potrebe za drugim energetskim sistemom,.

(29) 1. Podela pneumatike •. u slučaju primene sabijenog vazduha za prenos i obradu upravljačkih informacija ne preti opasnost od eksplozije u eksplozionim sredinama jer se ne stvara električna iskra što se može eventualno desiti primenom električnog sistema.. Nedostaci:. • • • •. sporo stvaranje i prostiranje pneumatskog signala, velike dimenzije pneumatskih logičkih elemeneta, komplikovano je povezivanje pneumatskih logičkih elemeneta sa cevima, promenu upravljačke logike je moguće realizovati jedino rasklapanjem postojeće i ponovno sklapanje nove od predviđenih pneumatskih logičkih elemeneta.. 1.4. ELEKTROMEHANIČKI SISTEM Elektromehanički sistem se sastoji od elektromotora i čvrstih mašinskih elemenata. Mašinski elementi su čvrsti, zato veoma malo deformabilni. Ova osobina obezbedjuje stalnu kinematsku vezu između proizvodjača mehaničkog rada (elektromotora) i potrošača (mašina). Sistem akumuliše energiju maltene jedino u obliku kinetičke energije.. Prednosti: •. pogodan je za precizno pozicioniranje uz predusporavanje i primenu kočnice.. Nedostaci: • • • •. osnovni nedostatak elektro-mehaničkog sistema je geometrijska komplikovanost konstruktivnih elemenata mehanizma za prenos mehaničkog rada. veliki gabariti u slučaju veće snage, komplikovano je sa njim ostvarivati pravolinijsko kretanje izvršnih organa, veoma je teško stvoriti konstantnu statičku silu za stezanje.. 31.

(30) 1. Podela pneumatike. 1.5. HIDRAULIČNI SISTEM Pokazuje velike sličnosti sa pneumatskim, kako u strukturi tako i u načinu funkcionisanja i upravljanja. Osobine radnih medijuma ih čine različitim i obezbedjuje drugačije karakteristike.. Prednosti: •. •. • •. Zbog veoma male stišljivosti ulja ne preti opasnost od većih oscilacija protoka, a zajedno sa tim i pritiska. Iz iste osobine sledi i to da ulje akumuliše malu količinu mehaničkog radnog potencijala. Kao posledica povećava se energetski stepen dobrote prenosa. Manja količina energije odlazi sa uljem posle obavljanja rada u izvršnom organu. Praktična nestišljivost ulja omogućava u hidrauličnim sistemima postizanje i sto puta većih radnih pritisaka nego u pneumatskom, bez pretnje eksplozije i energetskih gubitaka. Povećavanjem pritiska, srazmerno se povećava gustina prenosa mehaničkog radnog potencijala, posledica je mogućnost postizanja ogromne sile u izvršnim organima.. Nedostaci: • • •. Skoro svi nedostaci proizlaze iz jake viskoznosti ulja. Zbog jake viskoznosti ulja strujni gubici su veoma intenzivni, drugačije rečeno, značajan je gubitak transportovanog radnog potencijala. Posledica viskoznosti je da je brzina strujanja ulja relativno mala a sa time i brzina kretanja energetskih izvršnih organa. I usled nestišljivosti pojavljuje se nedostatak, naime, treba primenjivati poseban akumulator energije sa stišljivom masom.. 1.6. KONSTATACIJE: Pneumatika: Primenljiva je tamo gde je potrebna veća brzina kretanja energetskih izvršnih organa sa dejstvom do 30 kN (3t) i za male snage zbog visokih energetskih gubitaka.. Hidraulika: 32.

(31) 1. Podela pneumatike Hidraulika i pneumatika se dopunjuju. Hidraulika je pogodna za postizanje veoma velikih sila u energetskim izvršnim organima pri malim brzinama kretanja. Tumačenje: velike sile. jer je ulje nestišljivo, male brzine, jer je ulje viskozno.. Elekto-mehanički sistem: Elekto-mehanički sistem je pogodan gde se traži tačno, precizno pozicioniranje.. 33.

(32) 2. ENERGETSKA PNEUMATIKA.

(33) 2. Energetska pneumatika. 2.1. STRUKTURA ENERGETSKE PNEUMATIKE Struktura energetske pneumatike u obliku blok dijagrama izgleda na sledeći način:. POTROŠAČ, mašina. ENERGETSKI IZVRŠNI ORGANI Aktuatori ili pneumatski motori UPRAVLJAČKI IZVRŠNI ORGANI Razvodni i regulacioni ventili. UPRAVLJAČKI LOGIČKI ELEMENTI PRIPREMNA GRUPA Filter, regulator pritiska, zauljivač i odvajač kondenzata. REZERVOAR Sa sigurnostnim ventilom i odvajačem kondenzata. TOPLOTNA ENERGIJA. HLADNJAK - SUŠAČ RAZVONI SISTEM – CEVOVOD. E. L POGONSKI MOTOR. Mehaničke nečistoće. odvajačem kondenzata. KOMPRESOR FILTERI VAZDUH. Slika 10. Blok dijagram struktura energetske pneumatike. 34.

(34) 2. Energetska pneumatika. Za strukturu pneumatskog sistema karakteristično je da su gore navedene komponente prostorno razdvojene prema potrebi tehnološkog zadatka bez ikakvog ograničenja, a povezani su pomoću cevovoda.. 2.2. FUNKCIONISANJE PNEUMATSKOG SISTEMA Preko cevi struji radni medijum, sabijeni vazduh struji do energetskih izvršnih organa i transportuje radni potencijal (p V) primljen od kompresora. Strujanje je praćeno gubitkom mehaničkog radnog potencijala zbog prisustva unutrašnjeg trenja (viskoziteta) u vazduhu. Pokazatelj preko koga je najlakše pratiti energetsko prestruktuiranje je pritisak. Pritisak pokazuje nivo mehaničkog radnog potencijala (p V), pošto ovaj potencijal stalno opada, zbog viskoznosti, tu tendenciju prati i pritisak, dakle opada. Za održavanje kontinuiteta strujanja struktura kinetičke energije pri datom režimu strujanja mora da opstane, bez obzira na to, da trenje neprestano pretvara kinetičku energiju u toplotnu energiju. Kinetička energija se nadoknađuje iz mehaničkog radnog potencijala. Radni medijum prima mehanički radni potencijal posredstvom kompresora. Preko kompresora se prenosi mehanički rad, koji je stvoren u pogonskom motoru. U praksi se većinom primenjuje otvoreni sistem, znači da kompresor stalno usisava svež vazduh iz atmosfere i sabija ga. Isti vazduh napušta sistem kod izvršnih organa noseći sa sobom ogromnu količinu mehaničkog radnog potencijala (70-80%) i ulja za podmazivanje. Gubici su veliki kako u energetskom tako i u materijalnom smislu. Eventualno, primenom zatvorenog sistema, jedan deo energije, i najveći deo vazduha i ulja bi se mogao spasiti. Zatvoreno rešenje znači komplikovaniji i skuplji sistem razvoda, jer treba formirati povratnu cevnu mrežu sa rezervoarom i sa potrebnim upravljačkim i regulacionim elementima. Jedan deo mehaničkog radnog potencijala se gubi u napuštajućem vazduhu, jer pritisak u povratnom podsistemu mora da bude uvek manji od minimalnog radnog pritiska, na kome radi jedan od izvršnih organa. U principu, moguće je zamisliti da se ide na maksimalni radni pritisak, koji vlada u jednom od izvršnih organa, a to znači da u svim ostalim izvršnim organima, posle izvršenja mehaničkog rada na nižem pritisku, vazduh treba istisnuti u podsistem za skupljanje uz primenu mehaničkog rada. To znači, da su i kod minimalne i kod maksimalne varijante energetski gubici prisutni, ali je lakše tehnički ostvariti ekspanziju vazduha na niži pritisak nego mehaničkom kompresijom povećati. 35.

(35) 2. Energetska pneumatika. 2.3. KOMPONENTE PNEUMATSKOG SISTEMA. 2.3.1. RADNI MEDIJUM − VAZDUH 2.3.1.1 SASTAV VAZDUHA Vazduh je mešavina raznih jednoatomnih, dvoatomnih, troatomnih gasova a sadrži još i vodu, razne čvrste čestice, komade (prašina). U vazduhu su najviše prisutni azot (N2) i kiseonik (O2). Suvi i čisti vazduh sadrži N2 79 % i O2 21% u zapreminskom procentu. U praksi vazduh pored N2 i O2 uvek sadrži i druge gasove kao što su CO, CO2 a ponekad u pogonima i razne agresivne gasove npr. SO, SO2 itd. Posebnu pažnju treba posvetiti na prisutnu vodu, jer u pneumatskom sistemu voda u tečnom, eventualno u čvrstom stanju je jako štetna. U čvrstom stanju može da zapuši cevovod a u tečnom potpomaže, katalizuje, oksidaciju čeličnih konstruktivnih delova, zato relativna vlažnost vazduha u svim tačkama pneumatskog sistema i u najtežim radnim uslovima (minimalna temperatura, maksimalni pritisak) mora da bude manja od jedan. Vazduh treba sušiti. Sušenje je moguće izvesti upijanjem vode, vodene pare sa tečnosću (absorpcija) ili čvrstim telom (adsorbcija) npr. silikagelom. Silikagel je trgovački naziv ekspandiranog silicium dioksida, SiO2 sa ogromnim brojem mikroskopskih pukotina, kapilara. Kapilari uvlače čestice vodene pare Spomenuti postupci su primenljivi samo kod stacioniranog (mirujućeg) vazduha u malim količinama, ako je u pitanju velika količina protočnog vazduha, praktično sušenje je moguće izvesti samo hladjenjem, kondenzacijom.. 2.3.1.2 OSOBINE VAZDUHA Sa aspekta pneumatike najbitnije osobine vazduha su:. stišljivost, gustina, viskoznost, sadržaj vode i čvrstih čestica.. 36.

(36) 2. Energetska pneumatika. Stišljivost vazduha je visoka, možemo je meriti po koeficijentu stišljivosti. Ova osobina vazduha u velikoj meri karakteriše osobinu kompletnog pneumatskog sistema. Obezbeđuje mu veliku moć akumulacije materijala, a zajedno sa tim i energije. Iz te osobine proizlazi i nepoželjan efekat skakutanja izvršnih organa i loš energetski stepen dobrote prenosa kod otvorenog sistema. Viskoznost vazduha je relativno mala vrednost, zato je u pneumatskom sistemu moguće postići i veće brzine kretanja vazduha kako u cevovodu tako i u izvršnim organima, bez većih strujnih gubitaka. Sadržaj vode u vazduhu moguće je pratiti preko pokazatelja kao što je apsolutna i relativna vlažnost vazduha. Apsolutna vlažnost je odnos koji pokazuje ukupnu količinu vode u vazduhu, bez obzira na agregatno stanje vode. Tačnije rečeno, koliko kg-ma vode ima u kg-mu suvog vazduha.. x=. m voda [kg] [-] m vazduh [kg]. Relativna vlažnost ima puno veći značaj od apsolutne. Ona pokazuje odnos izmedju parcijalnog pritiska efektive količine prisutne vodene pare i parcijalnog pritiska maksimalne količine vodene pare u vazduhu. Maksimalna količina vodene pare u vazduhu je vrednost koju još može u potpunosti da apsorbuje (upija) vazduh na posmatranoj temperaturi i pritisku. Preko te količine, para se kondenzuje, prelazi u tečno stanje i izdvaja se u obliku magle.. ϕ=. p efekt [Pa ] = f (T,p) p max [Pa ]. Konstatacija: Apsorbciona moć vazduha u velikoj meri zavisi od temperature, a u manjoj meri od pritiska. Raste kad se povećava temperatura ili opada pritisak.. 37.

(37) 2. Energetska pneumatika. 2.3.2. FILTRACIJA I FILTERI 2.3.2.1. FILTRACIJA Najšire posmatrano filtracijom možemo odstraniti sve nepoželjne komponente vazduha. U praksi se filtracija najčešće odvija potiskivanjem vazduha preko poroznog sloja. Hemijsko aktivni filteri su ispunjeni sa poroznim materijalom koji ima hemijski afinitet prema komponentama vazduha koje želimo odstraniti. Prostrujavanjem vazduha preko aktive ispune dolazi do hemijske relacije, (do hemijskog vezivanja čestica). Tako se mogu odstranjivati nepoželjni gasovi npr. SO, SO2. Vek trajanja, kapacitet filtera je ograničen pa ispunu povremeno treba promeniti, zato valja postaviti dva filtera sa paralelnom vezom. Jedan radi dok se drugi se menja. Stanje filtera moguće je kontrolisati preko praćenja koncentracije nepoželjnog gasa u vazduhu, ako koncentracija poraste preko dozvoljene vrednosti, ispunu filtra treba promeniti. Valja napomenuti da je primena aktivnog filtera u praksi prava retkost. Nasuprot tome, primena neaktivnih ili mehaničkih filtera je obavezna u svim pneumatskim sistemima. Mehaničkom filtracijom se odstranjuju čvrste - mehaničke čestice, prašina iz vazduha.. 2.3.2.2. POZICIJA FILTERA Mehanički filteri se ugradjuju u razne lokacije u pneumatskom sistemu. U usisnu granu kompresora kod otvorenog sistema je obavezno potrebno ugraditi filter. Svež vazduh uzet iz okoline, uvek sadrži izvesnu količinu prašine i komadića raznih predmeta, počev od listova do vlakana tkanina. Za odstranjivanje krupnih komada, u usis se ponekad stavlja sasvim grubi filter od metalne žice.. Obrazloženje: Bez filtracije, prašina ulazi u kompresor, pomeša se sa uljem za podmazivanje stvarajući mešavinu kao masa za brušenje. Neke veoma oštre čestice prašine zajedno sa uljem dospevaju u sve okretne sklopove kompresora 38.

(38) 2. Energetska pneumatika. izazivajući habanje mašinskih elemenata. Neke od čestica prašine sa strujom sabijenog vazduha dospevaju i u druge komponente sistema, u ventile, izvršne organe i tamo izazivaju habanje. Druga lokacija, gde se po pravilu stavlja filter, je potisna grana tj. na ulaz u izvršne organe. Spomenuti filter se ugradjuje u pripremnu grupu i veće je finoće nego filter u usisnoj grani. Na prvi pogled se čini da je fini filter skoro nepotreban, jer je u ulaznom filteru vazduh već očišćen, međutim ne treba zaboraviti da u toku eksploatacije pneumatskog sistema postoji mogućnost odvajanja raznih čestica od konstruktivnih materijala usled habanja, oksidacije, lomljenja itd. Te čestice sa vazdušnom strujom dospevaju u izvršne organe i izazvaju spomenute nepoželjne efekte.. 2.3.2.3. MEHANIČKI FILTERI Obično ih klasifikujemo prema veličini rupica filtracionog sloja. Fini filteri imaju pore prečnika nekoliko 10 µm (papir), srednji filteri prečnika rupica nekoliko 100 µm (papir), grubi filteri prečnika otvora od nekoliko milimetara. Danas za fine i srednje filere, materijal filtracionog sloja skoro je uvek od poroznog specijalnog papira. Nekad su primenjivali i razne tkanine tzv. filc. Za grube filtere po pravilu primenjuje se metalna mreža pletena ili probušeni (perforirani) lim. U principu geometrijski oblik filtera može da bude veoma različit, međutim optimalan oblik je ipak valjak. Prednosti valjčastog geometrijskog oblika su sledeće: • • • •. Filtraciona površina je od papira i savijena je u obliku harmonike. Od tako savijenog papira najlakše je formirati valjak koji zauzima malu zapreminu i ima mali obim i veliku aktivnu površinu. Valjčasti oblik ima veliku čvrstoću, zato podnese veću razliku pritiska (∆p) Lako ga je zameniti, lako se vadi i stavlja valjčasti umetak u kućište filtera. Zaptivači kućišta valjčastog oblika su jednostavnii, uglavnom su to gumeni prstenovi.. 39.

(39) 2. Energetska pneumatika ulaz vazduha izlaz vazduha papir u obliku harmonike zaštitni sloj od tankog perforiranog lima. Slika 11. Šematski prikaz valjkastog filtera. 2.3.2.4. TRAJNOST FILTERA Filter se koristiti do zapušenja većina pora u filtracionom sloju. Zapušenje se manifestuje u povećanju vazdušnog pritiska ispred filtera radi potiskivanja određenog protoka vazduha preko filtera. Detektovanje stanja filtera je moguće primenom dva manometra za merenje pada pritiska – otpora preko filtra. U slučaju usisavanja vazduha iz atmosfere i jedan manometar je dovoljan. Kada mereni pad pritiska dostigne propisanu vrednost treba izmeniti uložak.. p1. p2. ∆p = p1 – p2 Slika 12. Šema merenja otpora filtera. Bez merenja pada pritiska ne može se saznati pravo stanje filtera, a zamena u tom slučaju je samo intuitivno-iskustvena ili administrativnopreventivna. Zamena uloška filtera nakon kriterijumima propisanog vremenskog perioda je potpuno nesigurna i ponekad neopravdana.. 40.

(40) 2. Energetska pneumatika. 2.3.3. RAZVODNI SISTEM – CEVOVOD. 2.3.3.1. UVOD Energetski pneumatski sistem služi za transport mehaničkog radnog potencijala (p V) što znači da su proizvodjač (kompresor) i potrošač (aktuator), u zavisnosti od tehničke situacije na izvesnom rastojanju. U pitanju je jedan centralizovani potrošački sistem mehaničkog rada, tj. sistem aktuatora u centru sa kompresorom. Za energetsko povezivanje kompresora sa aktuatorima služe razvodni sistem ili cevovod.. 2.3.3.2. POPREČNI PRESEK CEVI Osnovna komponenta razvodnog sistema je cev. Kroz nju struji transporter energije, (sabijeni vazduh). Veoma je bitno naći optimalno rešenje za oblik poprečnog preseka, koji zadovoljava kriterijume u pogledu tehnologije izrade, ugradnje, spajanja sa komponentama, uslova strujanja, vrste i količine materijala, naponskog stanja. Sretna okolnost je da sve te gornje uslove zadovoljava kružni poprečni presek. Idealni poprečni presek cevi za razvod je krug:. Slika 13. Raspodela pritiska u cevi kružnog poprečnog oblika. 41.

(41) 2. Energetska pneumatika. Obrazloženje: • •. • • •. kružni poprečni presek, od mogućih preseka, ima najveću površinu proticanja u odnosu na obim, cev sa kružnim prstenastim poprečnim presekom od mogućih preseka ima najpovoljnije naponsko stanje. Naprezanje zida cevi sa kružnim prstenastim poprečnim presekom, svodi se na čisto istezanje ili pritisak (nema savijanja) u zavisnosti od toga da li sabijeni vazduh opterećuje cev spolja ili iznutra, iz gornje dve konstatacije sledi da se za izradu cevi kružnog prstenastog poprečnog preseka troši manja količina materijala od ma kojeg drugog profila, razlozi su: obim kruga je najmanji od svih obima za razne oblike, zbog najpovoljnijeg naponskog stanja i debljina zida je najmanja. samo kod kružnog preseka je moguća primena navoja za spajanje.. 2.3.3.3. DEFINISANJE ZIDA CEVI U zavisnosti od spoljašnjeg opterećenja, pritiska (p) i od jačine primenjenog materijala cevi (σe), moguće je definisati debljinu zida cevi. Polazi se od statičkog uslova ravnoteže, jer ovaj uslov u toku eksploatacije mora biti ispunjen u svakom trenutku u svakoj geometrijskoj tački. cevi.. 42.

(42) 2. Energetska pneumatika. p Fp Fu. Fu. δ. L. δ. D. Slika 14 Plan sila statičkog uslova ravnoteže. Statički uslov ravnoteže Σ F = m ⋅ &x& = 0 Spoljašna sila usled pritiska. FP = p ⋅ A P AP = D ⋅ L. projekcija unutrašnje površine. Unutrašnja sila u materijalu zida Fu = σ e ⋅ A u σm dozvoljeni napon u zidu cevi ν A u = δ ⋅ L površina uzduznog preseka. σe =. Ravnoteža sila FP − 2 ⋅ Fu. =0. p ⋅ A P − 2 ⋅ σe ⋅ A u = 0 p ⋅ D ⋅ L − 2 ⋅ σe ⋅ δ ⋅ L = 0 Konačna zavisnost 43.

(43) 2. Energetska pneumatika. p ⋅ D − 2 ⋅ σe ⋅ δ = 0 Konačna zavisnost je pogodna za: 1. Dimenzionisanje debljine zida cevi (δ) za odredjeni pritisak (p), materijal (σe) i veličinu prečnika (D) δ=? (poznato je: p, σe, D), 2. Proveru maksimalnog radnog pritiska (p) za datu cev debljine zida (δ), materijala (σe) i veličine (D) p=? (poznato je: δ, σe, D). 2.3.3.4. MATERIJAL ZA CEVI Radni pritisak u pneumatskim sistemima obično je do p=6 [bar]. Povećanje radnog pritiska energetski nije opravdano, jer srazmerno sa porastom pritiska eksponencijalno rastu i gubici. Nivo pritiska do 6 [bar] bez većih debljina zida cevi mogu trajno da izdrže mnogi konstruktivni materijali: čelik, bakar, plastika, guma. Tradicionalni materijali za izradu cevi su čelik i bakar sa dobro poznatim osobinama.. Čelik: Osnovni nedostatak mu je da korodira. Treba voditi računa da toku eksploatacije u čeličnim cevima ne dodje do kondenzacije vodene pare, jer u suprotnom, cevna mreža brzo propada. Cevi se spajaju zavarivanjem ili navojnim spojevima. Montaža nije laka zbog težine i tvrdoće čeličnih cevi. Bakar: je plemenitiji materijal od čelika, ne korodira, lakše se ugradjuje, jer bakarna cev se lakše savija. Cevi se spajaju tvrdim lemljenjem. Bakar u svakom pogledu ima bolje osobine od čelika sem čvrstoće i cene. Guma: Veoma je elastična, zato je gumene cevi lako ugradjivati. Za veće pritiske armira se sa staklenim vlaknima ili čeličnom žičanom mrežom. Primenjuje se samo za manje dužine, uglavnom zbog cene, jer od svih mogućih materijala, gumene cevi su najskuplje. Plastika: Veliku pažnju treba posvetiti plastičnim cevima. Danas već veoma značajnu ako ne i odlučujuću ulogu igraju u tehničkoj praksi. Visoku. 44.

(44) 2. Energetska pneumatika. cenjenost plastične cevi mogu zahvaliti veoma povoljnim osobinama koje su sledeće:. Prednost: • pre svega cena im je povoljna, • nisu osetljive na baze, kiseline i ne oksidišu se. Zato ih ne treba štititi raznim premazima od korozije, naprotiv, veoma im pogoduje vlažna i tamna sredina, • lako se montiraju jer je njihovo spajanje lako izvodljivo pomoću homogenog zavarivanja (primenom toplog vazuha) ili spojnicama sa holanderima, • gipkost im obezbeđuje još mnogo veoma povoljnih osobina, • zbog gipkosti plastične cevi su namotaei u koture dužine od i više stotina metara. Prilikom montaže bez spajanja, odseca se potrebna dužina. • savitljive su i bez primene posebnih kolena. Moguće ih saviti u kružni luk malog poluprečnika, • ne predstavlja nikakav problem plastičnim cevima spajati komponenete koje u prostoru zauzimaju proizvoljan položaj. Nedostaci: • Plastične cevi imaju samo jedan ozbiljan nedostatak, a to je, starenje. Starenje plastičnih cevi: U vezi starenja plastičnih cevi ono što nam je poznato, znamo na osnovu laboratorijskih ispitivanja. U tehničkoj praksi imamo ih svega nekoliko decenija. Proces starenja uglavnom izazivaju ultra violetni zraci. UV zraci su sposobni da prodru u plastičnu masu i da razbiju polimerizovani lanac velikih molekula. Posledica je da plastična masa postaje kruta i lomljiva. Na sreću postoje materijali koji mogu bitno da usporavaju proces starenja. U žargonu ti materijali se zovu aditivi, dodaci. Jeda od najpoznatijih među njima je aktivni ugalj, čađ. Čađ se u nekoliko procenta dodaje plastičnoj masi i homogeno se pomeša sa njom.. 2.3.3.5. MATERIJAL PLASTIČNIH CEVI: Plastične cevi su izrađene od raznih polimerizovanih hidrovodonika. Trgovački nazivi spomenutih vestačkih masa su: 45.

(45) 2. Energetska pneumatika. polietilen, polipropilen, polibutilen, polivinilhlorid (PVC) …itd. Za veće pritiske se najviše primenjuje polipropilen i polietilen veće gustine. Do 10 [bar] i blizu sobne temperature u zid cevi se ne stavlja armatura, jer odgovarajuću čvrstoću plastike postižemo povećanjem gustine. Za više temperature ugrađuje se armatura u obliku pletene mreže od staklenih vlakana i eventualno od čeličnih niti. U poslednje vreme se umesto pletene mreže primenjuje bakarna ili aluminijumska cev tankog zida, praktično, bakarna ili aluminijska cev sa unutrašnje i spoljašnje strane prevučena polietilenom. Ovakve cevi se mogu ručno trajno saviti, zato ih je veoma lako montirati i bez zavarivanja formirati kompletan cevovod. Cena im nije značajno veća od čeličnih cevi, a montaža je prostija i brža, a time i jeftinija.. Stakl. vlakna. Al, Cu. Slika 15. Šema armiranih plastičnih cevi. Slika 16. Presek cevi sa čeličnom armiturom. 46.

(46) 2. Energetska pneumatika. 2.3.3.6. SPAJANJE CEVI Čelične, bakarne i plastične cevi se spajaju hladnom i toplom tehnikom, a gumene samo hladnom. Topli postupak znači homogeno zavarivanje, tvrdo i meko lemljenje. Postupci homogenog zavarivanja su elektrolučno, autogeno i zavarivanje toplim vazduhom. Ovi postupci zahtevaju posebnu opremu, energetski izvor, visoko kvalifikovanu radnu snagu sa velikim iskustvom i rad na terenu. Sumirano, topli postupci su prilično komplikovani i skupi. Medjutim za spajanje čeličnih i bakarnih cevi oni su veoma često u primeni.. Hladno spajanje bi značilo povezivanje cevi primenom raznih elemenata za spajanje. Spojnice su skoro uvek bazirane na primeni navoja. Navoj obezbedjuje medjusobno pomeranje, približavanje mašinskih elemenata, i spajanje.. 2.3.3.7. ELEMENTI ZA SPAJANJE CEVI– SPOJNICE Za povezivanje cevi manjih prečnika se primenjuju spojnice sa holenderom, za veće prečnike koristimo prirubnice, za medjusobno spajanje čeličnih cevi mufove, kolena, te-račve itd. Velika prednost mekih bakarnih i cevi od plastike je da su one u koturu i ne treba ih medjusobno spajati, jer je dužina kotura ide i do 200 ÷ 300 [m].. 47.

(47) 2. Energetska pneumatika Slika 17. Spoj sa prirubnicom za plastične cevovode 1 i 2 prirubnice; 3 vijčani par; 4 zaptivač. Slika 18. Spojnica sa holenderom za plastične cevi. Sika 20. Lako rastavljivi cevni spojevi pomoću navoja. Načini spajanja: 48.

(48) 2. Energetska pneumatika. a) pomoću zaptivnog elementa; b) i c) pomoću koničnih krajeva d) i e) pomoću steznog prstena. 2.3.3.8. CEVNA MREŽA I VRSTE Cevna mreža je skup cevi različitih dimenzija i služi za povezivanje komponenata pneumatskog sistema. Sastoji se od magistralne cevi i od lokalnih grana. Magistralna (glavna) cev spaja kompresor preko hladnjaka sa rezervoarom i produžuje se do lokalnih grana. Lokalne grane se priključuju na magistralu i snabdevaju potrošače sa sabijenim vazduhom. Magistralna cev, gde su priključci, formira se geometrijski, zrakasto ili prstenasto.. Slika 21. Zrakasta i prstenasta magistrala. Zrakasti sistem razvoda geometriski je prostijijer je magistrala jednostavnija. Nedostatak jednostavnije magistrale je u tome, što su pojedine grane do potrošača duže, pa će kod istovremenog uključivanja aktuatora zbog velike potrošnje sabijenog vazduha, pritisak biti manji kod poslednjih, najudaljenijih potrošača. Kod prstenastog sitema razvoda pad pritiska do potrošača je manji, jer se potrošači snabdevaju sabijenim vazduhom sa obe strane. Grane do aktuatora su kraće jer magistrala ide okolo na spošnjem zidu hale. Jedini nedostatak je veća cena. Magistralna cev treba da ima blagi pad (max 1-3%) prema smeru strujanja sabijenog vazduha, sa time je obezbedjeno istosmerno strujanje eventualno stvorenog kondenzata. Posle nekoliko metara po dužini cevi treba postaviti odvajač tečnosti i cev ponovo podići. 49.

(49) 2. Energetska pneumatika. Slika 22. Magistralni vod sa odvajačem kondenzata. 2.3.3.9. KARAKTERISTIKA CEVOVODA 2.3.3.9.1. MATEMATIČKI MODEL Za praćenje hidrodinamičkog ponašanja radnog medijuma u cevovodu potrebno je matematičko opisivanje fizičkih pojava. Matematički model preko parametara stanja daje vezu izmedju energetskih nivoa. U toku strujanja unutar fluida odvijaju se energetske transformacije, opisane u nastavku. Nakon kompresije sabijeni vazduh u sistemu raspolaže sa najvišim radnim potencijalom (pV). Zbog visokog radnog potencijala počinje strujanje radnog medijuma ka potrošačima. Usled kretanja aktivira se unutrašnje trenje (viskozno) i stvara se otpor. Za savladjivanje strujnog otpora troši se deo mehaničkog radnog potencijala i pretvara se u toplotni potencijal ili u drugi vid energije (izentalpsko prigušivanje). Pokazatelji energetskog nivoa, srazmerno prate te energetske promene. Pad pritiska pokazuje opadanje mehaničkog radnog potencijala. Porast temperature sabijenog vazuha pokazuje porast toplotnog sadržaja. Interesuje nas šta se dešava sa transportovanom energijom,odnosno, sa mehaničkim radnim potencijalom. Postavlja se pitanje kako se može energetski transport realizovati uz najmanje energetske gubitke. Zadovoljavaljući odgovor, može nam dati matematički model. Matematičko opisivanje transportnog procesa je bazirano na poluempirijskoj relaciji izmedju pada pritiska i člana kinetičke energije. Član kinetičke energije se množi sa koeficijentima koje uzimaju u obzir strujne i geometrijske karakteristike cevi i cevovoda.. 50.

(50) 2. Energetska pneumatika. Radi uprošćenja matematičkog modela, uvode se sledećepretpostavke: cevovod se sastoji od pravih delova, u kojima se prečnik i smer kretanja medjuma ne menja i nema lokalnih otpora, i od lokacija koje su uzroci za stvaranje vrtloga. Vrtlozi se stvaraju zbog promene prečnika, primene kolena, račvi, ventila itd. Matematička formulacija pada pritiska u pravim delovima covovoda, po Darsijevoj poluempiriskoj jednačini:. ∆p l = ξ l ⋅. gde je:. l w2 ⋅ ⋅ρ d 2. d [m] l [m] w [m/s] ρ [kg/m3]. unutrašnji prečnik dužina cevi brzina medijuma gustina medijuma. ξl ξ l = f(Re, ε) [-]. Re =. koeficijent gubitaka u pravim delovima cevovoda koeficijent zavisi od vrste strujanja i relativne hrapavosti unutrašnje površine cevi. d⋅w [-] ν. ν [m2/s] ∆d ε= [-] d. Rejnolds-ov broj.. koeficijent kinematičke viskoznosti relativna hrapavost unutrašnje površine cevi. ∆d [m]. apsolutna hrapavost unutrašnje površine cevi. 51.

(51) ∆d. d. ∆d. 2. Energetska pneumatika. Slika 23. Hrapavost unutrašnje površine cevovoda. Matematička formulacija pada pritiska u lokalnim delovima cevovoda je:. ∆p lok = ξ lok ⋅. w2 ⋅ρ 2. ξ lok – koeficijent lokalnih gubitaka ξ lok = f (geometrija lokalnih elemenata) Ukupan pad pritiska izmedju dve tačke ceovovoda jednak je zbiru pada pritiska u pravim i u lokalnim delovima: m. n. m. i =1. i =1. i =1. ∆p = p 1 − p 2 = ∑ ∆p li + ∑ ∆p loki = ∑ ξ li ⋅. n l i w i2 w2 ⋅ ρ + ∑ ξ loki ⋅ i ρ i =1 di 2 2. Ako u posmatranoj deonici cevi imaju isti nominalni prečnik (d i ) tada su i prosečne brzine iste (w i ), dakle gornja relacija može se napisati u sledećem obliku: n  m  wi2 li  ∆p =  ∑ ξ li ⋅ + ∑ ξloki  ⋅ ρ d i i =1  i =1  2. Sa aspekta praktičnosti umesto brzine valja uvesti protok koji je lako merljiva veličina stanja. Ova smena je moguća samo onda, ako je prečnik cevi u deonici konstantna veličina, iz čega sledi da je i protok nepromenljiv . Sretna okolnost je da u tehničkoj praksi uvek radimo sa cevima konstantnog prečnika. Prosečan zapreminski protok na dužini l, ako d = const: 52.

(52) 2. Energetska pneumatika. GV = A ⋅ w površina poprečnog preseka cevi. A=. d2π 4. w=. GV GV ⋅ 4 = 2 A d π. n l i G 2Vi ⋅ 16 G 2Vi ⋅ 16 ∆p = ∑ ξ li ⋅ ⋅ 4 2 ρ + ∑ ξ loki ⋅ 4 2 ρ di di π ⋅ 2 di π ⋅ 2 i =1 i =1 m. Konstatacije: • • • •. Kod realizovanog cevovoda prečnika d i dužine l, ako se transportuje količina medijuma protoka Gv, troši se mehanički radni potencijal što se meri padom pritiska ∆p. Pad pritiska ili gubitak mehaničkog potencijala kvadratno se menja sa promenom protoka. Količina protoka je posledica razlike pritiska izmedju polazne tačke (1) i poslednje tačke (2) u cevovodu. tj. p1 − p2. Pritisak polazne tačke p1 zavisi odpodešenosti rada kompresora, praktično od naše volje.. 53.

(53) 2. Energetska pneumatika. Slika 24. Dijagram za određivanje koefcijenta ξ. 54.

(54) 2. Energetska pneumatika. • •. •. Pritisak poslednje tačke u cevovodu p2 zavisi i menja se sa petim i četvrtim stepenom u zavisnosti od prečnika, zatim menja se srazmerno dužini i hrapavosti površine cevi, a utiču i vrste strujanja. Najveći uticaj na pad pritiska ima prečnik cevi. Promene prečnika sa petim i sa četvrtim stepenom obrnuto srazmerno utiču na promenu pada pritiska.. Ako se dva puta povećava prečnik cevi, u pravom delu 25= 32 puta a u lokalnom delu 24= 16 puta se smanjuje pad pritiska za istu vrednost protoka.. 2.3.3.10. GRAFIČKO PRIKAZIVANJE KARAKTERISTIKE CEVOVODA Pad pritiska u funkciji protoka se može prikazati kao familija krivih drugog reda, tj parabole.To je slučaj kada je strujanje turbulentno. Familija parabola se dobija menjanjem variabilne konstante (l, d, ρ, ε, Re). Može se konstatovati da su neke fizičke veličine već unapred definisane kao što su rastojanje, dužina cevi, radni medijum (vazduh) ili hrapavost površine cevi. Od nas zavisi, koji prečnik ćemo izabrati. Grafika puno pomaže u izboru, jer vizuelno možemo uočiti uticaj različitih prečnika. ∆p = C ( l, d, ρ, ε, Re …) ⋅ G 2V C – zavisi od geometrije cevi cevovoda. d=0. ove grane parabole fizički ne postoje, ne postoji negativan protok. ∆p [bar]. d1. d2. d3. radna tačka d=∞ Gv [ m 3 /min] ili v [m/s] Slika 25. Karakteristika cevovoda. 55.

(55) 2. Energetska pneumatika. Dva krajnja slučaja: ako je prečnik površine proticanja jednak nuli otpor ili pad pritiska raste do maksimuma i protok postaje nula. Praktična realizacija ovog slučaja je pomoću promenljive površine proticanja, ventilom.Na dijagramu (sl.25) to je ordinata, − ako je prečnik beskonačno velik, ne postoji otpor i protok teži beskonačno velikoj vrednosti. U praksi nije ostvarljivo.Na slici (25) to je apscisa. −. Karakteristika cevovoda može da se definiše izborom prečnika cevi i tako se dobija statička osnovna karakteristika. Karakteristika se menja u toku vremena (eksploatacije) podešavanjem površine priticanja u regulacionom ventilu (lokalni pad pritiska).. 2.3.3.11. RADNA TAČKA - PONAŠANJE CEVOVODA Radna tačka cevovoda je definisana padom pritiska i protokom koji se javljaju u posmatranom preseku cevovoda (tačka 2, sl.25). Eksplicitno određivanje radne tačke nije moguće samo jednačinom cevovoda. Jednačina sadrži tri nepoznate (p1, p2 ,Gv(v) pod uslovom da su poznate sve konstruktivne dimenzije: (d i , l i , ε, ρ). Za egzaktno matematičko definisanje problema potrebno je poznavati još dve jednačine: jednačinu kompresora, koja sadrži nepoznati pritisak medijuma nakon sabijanja (p1), i jednačinu izvršnog organa koja sadrži radni pritisak medijuma (p2) u potrošaču (cilindar). Rešavanjem spomenute tri jednačine definiše se radna tačka tj. Gv, ∆p = p1-p2 uz poznavanje svih geometrijskih dimenzija cevovoda (di, li, ε, ρ, ξl , ξlok ...). Parametri radne tačke (Gv, ∆p) stalno se menjaju u toku eksploatacije, jer pritisak (p1) u potisnoj grani kompresora zavisi od materijalnog bilansa medijuma, sabijenog vazduha. • Ako je protok medijuma iz kompresora veći nego što odlazi iz cevovoda (potrošnja) tada p1 raste. • Ako proizvodnja i potrošnja sabiljenog vazduha u ravnotaži p1= const. 56.

(56) 2. Energetska pneumatika. •. Ako je proizvodnja sabiljenog vazduha manja od potrošnje, p1 opada.. Pritisak p2 takođe se menja i zavisi od spoljašnjeg otpora (sile) koju treba da savlada energetski izvršni organ (cilindar). Uticaj promene pritiska p1 može se ublažiti primenom kapacitivnosti tj. rezervoara. Rezervoar prima višak medijuma a u slučaju manjka, šalje ga u cevovod. Matematički posmatrano, transport radnog medijuma preko covoda je dosta složen proces, jer zavisi od vremena i prostora. Moguće je egzaktno opisati sa parcijalnim diferencijalnim jednačinama uz granične uslove (kompresor i aktuator), medjutim takva analiza izlazi iz okvira ovog kursa. Sa aspekta prakse ova problematika se svodi na tehnički proračun cevovoda za stacionarni (ustaljeni) režim transporta sabijenog vazduha.. 2.3.3.12. TEHNIČKI PRORAČUN CEVOVODA U tehničkoj praksi proračun cevovoda se svodi na jednostavniju formu. Koristi se ranije izvedena analitička poluempirijska jednačina cevovoda. Proračunom se mogu tražiti: • prečnik cevi (d), • pad pritiska (∆p) • protok, brzina medijuma (Gv; w). U sva tri slučaja treba usvojiti sve parametre cevovoda sem traženih. Konfiguracija i sastav cevne mreže je poznat. Unapred znamo položaj i mesto kompresora, rezervoara i svih potrošača (mašina) sabijenog vazduha, a poznajemo sve dužine (li) i profile (račve, lukove, ventile…) kao i njihov broj. Znamo i to od kog materijala je napravljena cev, kolika je površinska hrapavost. Imamo na raspolaganju samo jednu algebarsku jednačinu petog reda, sa tri nepoznate. Moramo još postaviti dve jednačine ili usvojiti vrednost za dva parametra od tri nepoznata.. Tri nepoznate:. prečnik cevi, (d). pad pritiska (∆p), 57.

(57) 2. Energetska pneumatika. protok ili brzina (Gv; w). 2.3.3.13. PRORAČUN PREČNIKA Pad pritiska usvojimo. Usvojena vrednost zavisi od naše slobodne procene, uzimajući u obzir tehničke zahteve potrošača i cenu cevovoda. Ako usvojimo malu vrednost pada pritiska to je pogodno u eksploataciji ali povećava cenu izrade cevovoda. Usvojena vrednost pada pritiska obično se kreće u granicama ∆p=0,1 ÷ 0,01 [bar]. Protok procenimo, izračunamo, na osnovu predviđene potrošnje potrošača. Poznat nam je projekat, plan sistema, poznajemo broj i karakter izvršnih organa, dakle možemo sprovesti dosta realnu procenu potrošnje. Potreban zapreminski protok: m. G V = ∑ G Vi i =1. potrošača. m [-] broj potrošača 3 Gvi [m /h] specifična potrošnja. Puno je jednostavnije umesto protoka usvojiti brzinu strujanja sabijenog vazduha. U slučaju sabijenog vazduha brzina može da bude nekoliko m/s (w=0,1 ÷ 2 [m/s]). Kao što je gore navedeno sve geometrijske podatke poznajemo sem prečnika. Nakon usvajanja ∆p i procene Gv ili v iz analitičke algebarske jednačine cevovoda iterativnim numeričkim postupkom može se izračunati, odrediti, prečnik. Prečnik nije moguće eksplicitno izraziti, jer ξ l zavisi od relativne hrapavosti i od Rejnoldsovog broja a oba zavise od prečnika, zatim ξ lok zavisi od geometrije i dimenzije lokalnih profila. Primenom računara i jednog veoma prostog iterativnog algoritma već iz implicitne jednačine cevovoda može se izračunati prečnik.. 58.

(58) 2. Energetska pneumatika. Algoritam je sledeći: ulaz: li, ∆p, Gv ili v, ρ, ∆d, γ d1= d1usv ξl (Re, ε) ξlok (geometrija, d) ∆p= (Σξl ( li / di ) + Σξlok ) ( w 2 ⋅ ρ / 2 ). ∆ p k > ∆ p k −1. izlaz: di Slika 26. Algoritam za iračunavanje prečnika cevi. 2.3.3.14. PRORAČUN PADA PRITISKA Pad pritiska možemo izračunati koristeći jednačinu za cevovod, ako ponajemo sve geometrijske dimenzije cevovoda i sve prečnike cevne mreže. Procenom utvrdimo i sve protoke u cevima.. 2.3.3.15. PRORAČUN PROTOKA. 59.

(59) 2. Energetska pneumatika. Proračun protoka može se izvesti koristeći dobro poznatu jednačinu uz poznavanje svih dimenzija cevovoda. Pad pritiska i ovde terba usvojiti u svim deonicama cevovoda.. 60.

(60) 2. Energetska pneumatika. 2.3.4. KOMPRESIJA i KOMPRESORI. 2.3.4.1. UVOD Kompresor je komponenta pneumatskog sistema, koja je konstruisana i izvedena od čvrstih mašinskih elemenata, sa ciljem da mehanički rad pogonskog motora prenese na radni medijum kompresijom (sabijanjem). Kompresijom jedan deo prenešenog mehaničkog rada u radnom medijumu se pretvara u unutrašnju energiju (toplotnu), a drugi deo u pritisnu energiju tj. u mehanički radni potencijal (pv). Pokazatelj ili parametar stanja nivoa unutrašnje energije je temperatura, a mehaničkog radnog potencijala je pritisak. Kompresijom, nivo obe energije se povećava, a posledica je porast temperature i pritiska. Prilikom kompresije količinska podela mehaničkog rada na unutrašnju i pritisnu energiju zavisi od osobine radnog medijuma. Uglavnom je stvar medijuma, šta se stvara više, unutrašnja energija ili mehanički radni potencijal. Istovremenim odvođenjem stvorene unutrašnje energije može se uticati na proces kompresije, a stvaranje unutrašnje energije nemoguće sprečiti. Kod rashladnih sistema bilo bi poželjno da se kompresijom sav mehanički rad pretvori u unutrašnju energiju tj. da se povećava samo temperatura a da ne raste pritisak, a kod pneumatskog sistema, baš obrnuto, bez povećanja unutrašnje energije i temperature da se postigne porast mehaničkog radnog potencijala, tj. pritiska. Naime, pneumatski sistemi služe za transport mehaničkog radnog potencijala a ne unutrašnje - toplotne energije. U pneumatici unutrašnja - toplotna energija se pojavljuje kao čist energetski gubitak. U zavisnosti od načina vodjenja procesa kompresije, tj. od dinamike odvodjenja stvorene unutrašnje energije, znači hladjenje radnog medijuma, imamo beskonačno puno mogućnosti realizacije. 59.

(61) 2. 2. Energetska pneumatika. Najgori način realizacije je adijabatsko vodjenje kompresije, bez ikakvog hladjenja, tj. pri potpunoj termičkoj izolaciji. Kompletno stvorena unutrašnja energija ostane u radnom medijumu. Najpovoljniji slučaj je izotermsko vodjenje kompresije. Znači, iz svih delova radnog medijuma odvodi se unutrašnja energija hladjenjem, istom dinamikom kako se ona stvara. Izotermska promena pri stalnoj temperaturi u tehničkoj praksi je nažalost neostvarljiva, možemo joj se samo približiti. Kod stvarnih kompresora uvek postoji izvesno hladjenje, barem prirodnim putem. To je razlog da se ne ostvaruje ni izotermski ni adijabatski proces, već politropski (puno promena), znači svaki parametar medijuma se menja. U tehničkoj praksi, mehanička kompresija se ostvaruje uglavnom istiskivanjem zapremine ili primenom centrifugalne sile, turbo-efekat.. 2.3.4.2. PRINCIP ISTISKIVANJA ZAPREMINE Princip istiskivanja zapremine može da se opiše na sledeći način: pokretna površina, koja razdvaja prostor niskog i visokog pritiska, iz radne zapremine kompresora, primenom mehaničkog rada istiskuje radni medijum u prostor visokog pritiska. Kod principa istiskivanja mehanički rad se direktno pretvara u priraštaj unutrašnje energije i priraštaj mehaničkog radnog potencijala. Saopšteni mehanički rad vazduhu je jednak priraštaju entalpije. Entalpija je ukupan energetski sadržaj vazduha (I). Matematička formulacija principa:. I=. U+. p⋅V. / ∆. ∆I = ∆U + ∆ (p ⋅ V ) = ∆L ∆L = F ⋅ ∆S ∆U = m ⋅ C v ⋅ ∆T ∆ (p ⋅ V ). Tehnička realizacija principa istiskivanja može da bude veoma različita. Razvijeno je mnogo tehničkih rešenja i konstrukcija primenom različitih mehanizama sa svojstvenim osobinama, npr. klip i cilindar, spregnuti zupčasti par sa pravim i kosim ozubljenjem, rotacioni sa lopaticama itd.. 60.

(62) 2. Energetska pneumatika. Princip istiskivanja je možda najlakše uočiti kod mehanizma rotor sa lopaticama. Kod ove konstrukcije lopatica je pokretan zid i preko rotora se snabdeva sa mehaničkim radom.. Slika 27. Princip rada kompresora sa lopaticama. Kompresori na bazi istiskivanja zapremine su pogodni za postizanje visokih pritisaka uz manje protoke. Brzina kretanja pokretnog zida praktično ne utiče na nivo postignutog pritiska. Postignuti nivo pritisak zavisi od istisnute količine medijuma u prostor visokog pritiska. Konstrukcija mehanizma mora da bude tako dimenzionisana da izdrži to opterećenje.. 2.3.4.3. PRINCIP TURBO KOMPRESIJE Preko rotirajuće zapremine lopatičnog kola prolazi radni medijum i ubrzava se. Mehanički rad lopatičnog kola prelazi na radni medijum u obliku kinetičke energije. Suština turbo kompresije je da se kinetička energija predata fluidu pretvara usporenjem u mehanički radni potencijal. Ovaj princip tehnički se ostvaruje pomoću rotirajućeg rotora sa lopaticama i usporivača tz. difuzora. Lopatični medjuprostor je radna zapremina kompresora, a difuzor, skupljač, je jedna cev promenjivog prečnika u obliku puža. 61.

(63) 2. 2. Energetska pneumatika. Ukupna energija radnog medijuma, vazduha, je jednaka zbiru entalpije i kinetičke energije. Priraštaj ukupne energije medijuma je jednak mehaničkom radu lopatičnog kola. Matematička formulacija principa:. I + EK = U +. ∆I + ∆E. K. pV +. EK. / ∆. = ∆U + ∆ (pV ) + ∆E. K. = ∆L. ∆U = m ⋅ C V ⋅ ∆T  m ⋅ w2   ∆EK = ∆  2  ∆L = F ⋅ ∆S ∆(pV ). fizičko tumačenje oznaka za vazduh: I[J] Ek[J] U[J] L[J] m[kg] Cv[J/kgT] T[K] w[m/s] p[N/m2] V[m3]. ∆. 62. - entalpija - kinetičai energija - unutrašnja energia - mehanički rad - masa - toplotni kapacitet pri stalnoj zapremini - temperatura - brzina strujanja - pritisak - zapremina matematički-znači: razliku ili operator diferencijal, fizički - znači: promenu.

(64) 2. Energetska pneumatika. 2.3.4.4. TURBO KOMPRESOR. Slika 28. Šematski prikaz turbo kompresora. Slika: 29.1 Presek turbo kompresora. 63.

(65) 2. 2. Energetska pneumatika. Oblici energije u pojedinim delovima turbo kompresora pogonski motor: mehanički rad L lopatično kolo: kinetička energia Ek difuzor: mehanički radni potencijal pV. Slika 29. Plan brzina napred i nazad savijenih lopatica. Napred savijene lopatice:. w R1 = w K + w T Nazad savijene lopatice:. w R1 = w K + w T wR – rezultujuća brzina medijuma wK – brzina medijuma u međulopatičnom prostoru wT – tangencijalna ili prenosna brzina lopatičnog kola. Sa oblikom lopatica može se uticati na vrednost porasta pritiska, tj. mehaničkog radnog potencijala. 64.

(66) 2. Energetska pneumatika. Sa slike(29) se vidi da se sa napred savijenim lopaticama postiže veća brzina čestica vaduha, to znači da se akumuliše veća količina kinetičke energije u masi radnog medijuma. Iz veće količine kinetičke energije dobija se veća količina mehaničkog radnog potencijala,a kao posledica, viši nivo pritiska. Jasno je, da je za obrtanje lopatičnog kola sa napred savijenim lopaticama potreban pogonski motor veće snage. Konstatcija: napred savijene lopatice daju veći pritisak od nazad savijenih wR1 > wR2 Turbo efekat daje dobar energetski stepen dobrote kompresiji samo kod većeg protoka i nižeg pritiska. Sa porastom pritiska i zapreminski gubici rastu. kao posledica značajno opada energetski stepen dobrote. Turbo kopresorima je ovo osnovni nedostatak.. 2.3.4.4. KLIPNI KOMPRESOR. 2.3.4.4.1. KONSTRUKCIJA Centralni deo kompresora je radni prostor ispunjen medijumom. Radni prostor formiraju cilindar i pokretan zid, klip. U poklopcu cilindra su otvori za izlaz i ulaz medijuma. Otvori su zatvoreni ventilima sa oprugom radi razdvajanja prostora visokog i niskog pritiska. Klip i ekscentar pogonskog vretena su povezani sa klipnom polugom.. 65.

(67) 2. 2. Energetska pneumatika. 2.3.4.4.2. FUNKCIONISANJE Sama konstrukcija mehanizma definiše način rada kompresora. Obrtno kretanje pogonskog vretena sa ekscentrom preko klipnjače obezbeđuje klipu oscilatorno kretanje. Kretanjem klipa nazad od poklopca, u vazduhu koji ispunjava radni prostor stvara se niži pritisak od pritiska koji vlada u usisnoj grani. Zbog opadanja pritiska samoupravljeni istisni ventil zatvara, dok usisni ventil, otvara prolaz novoj količini vazduha. Usisavanje traje do unutrašnje mrtve tačke. Posle mrtve tačke počinje suprotnosmerno kretanje klipa, sabijanje. Istiskivanje počinje kada pritisak sabijenog vazduha dostiže za nijansu veću vrednost od pritiska koji vlada u prostoru visokog pritiska. Istiskivanje se odvija preko istisnog ventila. 2.3.4.4.3. ENERGETSKI TOK Mehanički rad se formira u pogonskom motoru, prostire se preko vretena sa ekscentrom i klipnjače do klipa. Klip ispoljava dejstvo na radni medijum pomerajući ga ka izlazu. Tako se prenosi mehanički rad na medijum pretvarajući se delom u kinetičku energiju a najvećim delom u mehanički radni potencijal i unutrašnju energiju.. 2.3.4.4.4. ŠTETNI PROSTOR Štetni prostor kod klipnih kompresora je zapremina iz koje klip ne može da istisne radni medijum. Prostor se formira zbog konstruktivnih razloga, jedan od tih je sedište kao i otvor ventila, zatim prostor zbog zazora izmedju poklopca i klip u gornjoj mrtvoj tačci . U ovom prostoru nakon istiskivanja zadržava se izvesna količina medijuma. Usled kretanja klipa radi usisavanja nove količine vazduha, preostala količina komprimovanog vazduha se širi i ispunjava deo radne zapremine, taj deo radnog prostora postaje nekoristan. Sa porastom pritiska istiskivanja uticaj štetnog prostora raste. Postoji kritičan pritisak kada ekspandirani vazduh iz štetnog prostora ispunjava ukupni radni prostor i ne može da se odvija usisavanje sveže količine. Transportovana količina medijuma tada pada na nulu. Štetni prostor je karakterističan samo za kompresore sa periodičnim radom i zauzima od ukupne radne zapremine 3-5%.. 66.

(68) 2. Energetska pneumatika. 2.3.4.4.5. GRAFIČKI PRIKAZ RADA. Slika 30. Grafički prikaz rada klipnog komresora. 2.3.4.4.6. OSOBINE: • •. •. Zbog konstruktivnih razloga klipni kompresor pogodan je za male i srednje protoke. Za veće protoke zbog manjih gabarita primenjuje se rotacioni kompresor sa istiskivanjem zapremine ili turbo kompresor. Za postizanje visokog pritiska primenjuje se višestepeni kompresor sa medjuhladjenjem. U jednom stepenu ekonomski je opravdano povećati pritisak za 10 [bara], inače eksponencijalno se troši više mehanički rad za sabijanje nego sa primenom medjuhladjenja. Blagotvoran uticaj međuhlađenja na količinu utrošenog mehaničkog rada jasno se vidi iz priloženog dijagrama, slika 31.. 67.

(69) 2. 2. Energetska pneumatika. Prednosti: • Dobro poznata i jednostavna konstrukcija, lako za izradu i održavanje. • Zapreminski gubici su mali zbog malog zazora izmedju klipa i cilindra. Nedostaci: • Osnovni nedostatak je periodičan rad • iz čega proizlazi uticaj štetnog prostora, • vibracije, bučnost • i neophodna primena ventila.. 2.3.4.4.7. UTICAJ MEĐUHLAĐENJA NA KOLIČINU RADA PRI KOMPRESIJI. Slika 31. Grafička prezentacija uticaja međuhlađenja na količinu rada pri kompresiji. 68.

No results found