Области применения сжатого воздуха и энергоемкость его производства

Самым большим среди отраслей потребителем воздуха является черная металлургия. В ней сосредоточены наиболее крупные технологические блоки, использующие сжатый воздух: доменные печи, конверторы, мартеновские печи, прокатные станы, вагранки. В черной металлургии сосредоточены и самые крупные компрессорные агрегаты. Такие ТКУ, как К-5000 и К-7000 созданы специально для воздухоснабжения доменных печей.

В этой отрасли наибольший процент турбокомпрессоров из общего количества компрессорных машин, а доля поршневых машин составляет примерно 20 % и имеется тенденция к ее уменьшению. Доля энергозатрат на производство сжатого воздуха здесь составляет 5-7 % от общего расхода энергии на производство основного продукта.

Сопоставимой по масштабам потребления воздуха является цветная металлургия. Здесь нет таких крупных единичных потребителей воздуха, как доменные печи, но требуется большое разнообразие нагнетателей с различными давлениями нагнетания. Доля энергопотребления на сжатие воздуха в отрасли колеблется от 8-10 % до 60 % в шахтных выработках и рудниках.

Крупным потребителем сжатого воздуха является машиностроение. Большое разнообразие мелких потребителей, индивидуализация режимов их работы определяют сложные графики воздухопотребления со значительной суточной и недельной неравномерностью. На предприятиях этой отрасли расход электроэнергии на привод компрессоров достигает 20-25 % общего энергопотребления.

Потребление сжатого воздуха в химической промышленности отличается большим разнообразием требуемых параметров, качества, масштабов и режимов подачи. Здесь в равной степени находят применение поршневые, винтовые и турбокомпрессорные установки. Воздухоснабжение в этой отрасли может осуществляться как от центральной станции, так и от отдельных установок, входящих в состав технологического оборудования.

Очень крупными потребителями сжатого воздуха являются горнодобывающая и угольная промышленность. Доля энергопотребления систем воздухоснабжения в этой отрасли достигает примерно 25 % общего расхода энергии в ней.

В классификации отраслей промышленности особое место занимают воздухоразделительные установки. Они могут быть как самостоятельными предприятиями, так и подотраслью металлургии, химической промышленности и т.п. Здесь на сжатие воздуха тратится от 70 до 90 % общего энергопотребления.

Классификация потребителей

Практически на любом предприятии для тех или иных целей нужен сжатый воздух. Он используется:

а) для привода различных пневмомеханизмов, инструментов, пневмотранспорта и т.п., т.е. для получения механической энергии;

б) для получения газов, из которых состоит воздух (азот, кислород, аргон, и др. инертные газы);

в) для технологических нужд – при проведении реакций окисления, горении, сушке и т.п.;

г) для пневматических систем измерения, контроля и регулирования на взрывоопасных производствах (химическая промышленность, горнодобывающая и др.).

Воздух для технологических целей не является энергоносителем. Он является исходным продуктом (или компонентом) для получения новых веществ (продуктов). Потребителями сжатого воздуха как энергоносителя (пневмоприемниками) являются механизмы и устройства, использующие воздух для различных производственных операций и технологических процессов.

По способу преобразования энергии сжатого воздуха все пневмопотребители можно разбить на три группы.

1-я группа. Устройства для преобразования потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую работу:

а) с продольно-возвратным движением рабочего органа. Это молоты, отбойные и клепальные молотки, трамбовки вибраторы, подъемники, толкатели, долбежные машины и т.п.;

б) с вращательным движением рабочего органа. Это устройства с турбинным или поршневым приводом: сверлильные, шлифовальные (фортуны), отрезные полировальные, винтозавертывающие и другие машины.

2-я группа. Устройства для преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Это различные обдувные устройства (песко- и дробеструйные установки), эжекторы, форсунки, краскораспылители, пульверизаторы, пневмотранспортные установки и др.

3-я группа. Устройства, использующие сжатый воздух без преобразования его энергии. Это различные пневматические приспособления: поддержки, патроны, зажимы, устройства регулирования и автоматизации, мерные устройства и т.д.

По назначению и способу применения различают две основные группы пневмоприемников:

а) пневмоинструменты;

б) пневмооборудование.

К пневмоинструментам относятся устройства, предназначенные для механизации производственных процессов (замена ручного труда). Это переносной агрегат, приводимый в действие пневмодвигателем. Пневмоинструменты отличаются кратковременными режимами работы.

Пневмооборудование – это, как правило, стационарные установки с длительными режимами работы.

 

Параметры потребляемого сжатого воздуха

Давление.

Анализ паспортных данных различных промышленных пневмоприемников показывает, что необходимое давление сжатого воздуха перед ними не превышает 0,7-0,8 МПа. В большинстве случаев оно требуется еще меньше – 0,4-0,7 МПа.

Понижение давления (ниже паспортного) ведет к понижению мощности и производительности пневмомеханизма. При этом из-за нерасчетных режимов работы, как правило, возрастают удельные расходы воздуха.

Повышение давления воздуха (сверх необходимого) влечет увеличение утечек, которые и так часто выше допустимых. Так, вместо обычных потерь в 20-30 %, при превышении давления они доходят до 50-60 % от общего расхода сжатого воздуха.

Если пневмосеть находится в нормальном состоянии, то потери давления из-за гидравлического сопротивления не превышают 0,05 МПа, даже для самых удаленных точек (норма 0,01-0,03 МПа). Таким образом, в системах, не оснащенных системой осушки воздуха, давление развиваемое компрессором не должно превышать требуемое пневмоприемником более чем на 0,05 МПа. Если такого давления недостаточно, это означает, что имеется:

- чрезмерный износ оборудования;

- чрезмерные потери давления в распределительных устройствах, шлангах, местных сопротивлениях;

- чрезмерные утечки (в стыках, шлангах, запорных устройствах пневмомеханизмов и т.п.).

Выбор компрессоров для КС с завышенными развиваемыми давлениями приводит:

- для поршневых компрессоров (ПК) – к недоиспользованию мощности;

- для центробежных компрессоров (ЦБК) – к снижению экономичности, так как компрессор в этом случае работает в нерасчетном режиме с более низкими значениями КПД.

Температура воздуха.

Температура воздуха на входе в пневмоприемник оказывает сильное влияние на его потребление. Работоспособность 1 кг сжатого воздуха при его адиабатном расширении в пневмомеханизме от давления P ₁ до давления P ₂ определяется выражением, кДж/кг:

, (3.1)

где – изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг×К); Т ₁ – температура сжатого воздуха на входе в механизм, К; Р ₁, Р ₂ – давления воздуха на входе и выходе пневмомеханизма соответственно, МПа.

Таким образом, за счет подогрева сжатого воздуха перед его использованием можно снизить его потребление при неизменном количестве совершаемой работы.

На практике в большинстве случаев воздух в концевом воздухоохладителе КУ охлаждается до температуры 40-45 °С, что недостаточно для конденсации влаги и масла и в то же время этим существенно снижается его работоспособность. Это указывает на необходимость рассмотрения целесообразности использования концевого воздухоохладителя в каждом конкретном случае.

Как показывают расчеты, температуру сжатого воздуха можно доводить до 60-70 °С, при этом температура ручного инструмента не превысит значений 35-40 °С, а экономия электроэнергии при этом составит 10-15 % по сравнению с исходным вариантом.

Влагосодержание.

Вопрос о выборе оптимального влагосодержания должен решаться на основании технико-экономического обоснования. От правильности решения этого вопроса зависит экономичность применения сжатого воздуха.

Если воздух используется для химических реакций, для транспортирования гигроскопических веществ и т.п., то его влагосодержание должно удовлетворять специфическим требованиям таких процессов, оговариваемых в технологическом регламенте. Так, например, в автомобилестроении в соответствии с ГОСТ 9.010-80 «Воздух, сжатый для распыления лакокрасочных материалов» влагосодержание воздуха с давлением 0,6 МПа ограничено значением 1,6 г/м³.

К сжатому воздуху для питания пневматических систем и устройств, работающих при давлении до 2,5 МПа, требования к влагосодержанию оговариваются в ГОСТ 17433-80 «Сжатый воздух. Классы загрязнения». В пересчете на условия t _в=20°С и P _в=0,9 МПа устанавливается следующее влагосодержание: для классов загрязненности 0 и 1 d _в£0,156 г/кг, а для классов 3, 5, 7, 9, 11 и 13 d _в£0,9 г/кг. Для остальных классов влагосодержание (точка росы) не регламентируется.

При применении сжатого воздуха в машиностроительной, металлургической и горнодобывающей промышленности важно, чтобы отсутствовала конденсация водяного пара во время транспортировки сжатого воздуха от компрессорной станции до потребляющего оборудования. То есть необходимо, чтобы возможная минимальная температура воздуха в пневмосети всегда была выше точки росы осушенного воздуха.

Считается экономически приемлемой точка росы сжатого воздуха 2-3°С (под рабочим давлением). Именно такая степень осушки принята повсеместно на большинстве предприятий горнодобывающей промышленности, машиностроения и др.

Загрязнение воздуха.

Опыт эксплуатации пневмооборудования, инструмента, пневматических приводов и пневматических систем управления показал, что повышение надежности и долговечности их работы невозможно без качественной подготовки сжимаемого воздуха, очистки его от загрязнений.

Загрязнения, содержащиеся в воздухе, могут оказывать физическое и химическое воздействие на пневматические устройства в виде:

1) закупорки отверстий и сопел влагой, льдом и механическими частицами;

2) смывания смазки, коррозии металлических и разрушения резиновых деталей;

3) повреждения прокладок и рабочих поверхностей клапанов, мембран, золотников;

4) износы и заклинивания трущихся поверхностей.

Идеальным случаем является полное удаление загрязнений сжатого воздуха, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Требования к очистке воздуха зависят от эксплуатационных условий. Необходимая степень очистки определяется опытным путем, обобщается и гостируется.

 

Контрольные вопросы

1. Какие отрасли промышленности являются наиболее крупными потребителями сжатого воздуха?

2. Для каких целей используется сжатый воздух?

3. Какими достоинствами обладает сжатый воздух как энергоноситель?

4. Какие параметры характеризуют сжатый воздух, используемый в качестве энергоносителя?

5. К чему приводит превышение требуемых значений давления воздуха в системе?

6. К чему приводит заниженное давление воздуха в коллекторе потребителя?

7. Какие последствия могут возникнуть при использовании воздуха с повышенной влажностью?

8. Какие виды воздействий на элементы систем воздухоснабжения оказывают загрязнения сжатого воздуха?

 

РЕЖИМЫ ВОЗДУХОПОТРЕБЛЕНИЯ