книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

Если наименьшие размеры проходных сечении струйных элемен­ тов малы (менее 0,5 мм), то необходима тонкая очистка воздуха

например, если давление воздуха увеличить с 98 до 236 кПа, а затем охладить до прежней температуры, то абсолютная влаж­ ность увеличится в 2,4 раза. Если при этом относительная влажность12 станет больше 100%, то из воздуха выпадет кон­ денсат. Влага, содержащаяся в воздухе, пагубно сказывается на работе пневматических устройств. Конденсируясь на деталях, она вызывает пх коррозию, а если температура этих деталей от­ рицательная, то могут возникнуть ледяные пробки, препят­ ствующие поступлению воздуха и вызывающие примерзание подвижных деталей. Поэтому в системе подготовки воздуха для устройств, работающих при нормальных и высоких рабочих давлениях и при температурах ниже нуля, должно быть пре­ дусмотрено устройство для осушки воздуха (дегидратор). Воздух следует осушать до такой влажности, чтобы точка росы 3 его была ниже температуры среды, окружающей пневматиче­ ское устройство. Пневматические вычислительные устройства, работающие при низком давлении, не требуют осушки воздуха, так как увеличение влажности воздуха после его сжатия ни­ чтожно и практически роли не играет.

Если источником сжатого воздуха служит поршневой ком­ прессор, поршни которого подвергают смазке, то в воздухе, поступающем к пневматическим устройствам, будут находиться пары масла. Масляные пары отрицательно влияют на работу пневматических приборов, а в результате длительного действия могут полностью вывести их из строя. Масло, осаждающееся на внутренних поверхностях пневматических приборов, не только засоряет дросселирующие органы, но и разрушает резиновые мембраны. В последние годы, для того чтобы полно­ стью избавиться от масляных паров, питание приборов осу­ ществляют от беспоршневых компрессоров.

1 Под абсолютной влажностью воздуха понимают массу водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха.

2 Относительной влажностью ср воздуха называют отношение массы во­ дяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха, к максимально возмож­ ной его массе при данных условиях (при той же температуре и том же дав­ лении) :

Рп

Ф= Рн

где рп — плотность пара; р„ —плотность насыщенного пара.

3 Температура, при которой начинаются конденсация и выпадение влаги из воздуха, называется точкой росы. Если охлаждать воздух, содержащий влагу при постоянном давлении, то относительная влажность воздуха по мере охлаждения будет возрастать. Наконец, наступит момент, когда влага начнет выделяться из воздуха в виде капель.

10

вляется с помощью электрической системы автоматики 3, содержащей электрические реле и магнитные пускатели, причем дискретным датчиком давления служит контактный манометр 5. Электрическая система автоматически включается дистанцион­ но с помощью кнопки 17.

Прежде чем попасть в ресивер 7, воздух проходит через водяной холодильник 6, где оставляет 70—80% влаги, и выхо­ дит оттуда со 100%-ной относительной влажностью. Вода в хо­ лодильник поступает из линии 8. Если системы пневмоавтома­ тики и аппаратура воздухоподготовки расположены в местах, где температура не падает ниже нуля, то, учитывая, что при поступлении к приборам воздух проходит через редукторы и давление его падает, а влажность снижается до величины по­ рядка 30%, при 20° С, дальнейшую его осушку можно не про­ водить. В ресивере 7 также конденсируется некоторое количе­ ство воды, которую периодически необходимо удалять. Для этого служит вентиль 10, управляемый электрической автома­ тической системой.

Предохранительный клапан 4, установленный на ресивере 7, не позволяет давлению подняться выше допустимого уровня при выходе из строя электрической системы автоматики.

Большая часть масла, содержащегося в воздухе, конденси­ руется в холодильнике 6 и в ресивере 7, меньшая часть остается в маслоотделителе И.

Если системы пневмоавтоматики и воздухоподготовки

осушку воздуха, для чего применяют селикагелиевый двухсту­ пенчатый дегидратор 12.

трам 15, редукторам 16, а затем к приборам.

Воздух высокого давления для питания поршневых и мем­ бранных исполнительных механизмов отбирается до фильтров 15. Для повышения степени очистки воздуха от пыли после ре­

начинают использовать специальные автоматические установки, которые полностью осуществляют весь рабочий цикл подготов­ ки воздуха: его сжатие, очистку от пыли и масла, осушку, а также поддерживают давление в заданных пределах.

12

Сжатие воздуха. Несмотря на трудности очистки сжатого воздуха от масла, чаще всего для сжатия воздуха применяют поршневые компрессоры с обычной смазкой. Такие компрессо­ ры сжимают воздух до избыточного давления порядка 0,6—

1 МПа.

Воздушным поршневым компрессорам посвящена об-

(всасывающий клапан закрыт) попадает в корпус 3 компрессора и далее в воздухосборник. Воздух в таком компрессоре сжимает­ ся до давлений порядка 0,3 МПа. Основной недостаток компрес­ сора состоит в необходимости периодической смены мембран, так как с течением времени они выходят из строя.

Компрессор выбирают главным образом по его производи­ тельности, которую рассчитывают исходя из числа приборов пневмоавтоматики и количества воздуха, необходимого для каждого прибора.

При расчете общей потребности в воздухе следует учитывать также утечки воздуха из индивидуальных редукторов, утечки через различного рода неплотности (данные о величине этих уте­ чек можно получить экспериментально), а также возможность увеличения нагрузки в будущем.

Автоматическая установка для воздухоснабжения АД-220. Установка работает автоматически и осуществляет сжатие воздуха, очистку от пыли и масла, осушку, а также поддержи-

13

вает давление воздуха в заданных пределах. Установка объеди­ няет в себе компрессор, фильтр для пыли, дегидратор, ресивер и систему автоматики, обеспечивающую периодичность протека­ ния всех процессов. Максимальная производительность 1 ее невелика и составляет всего 22 л/мин при влажности осушен­ ного воздуха не более 0,3 г/м3 и давлении в пределах 0,25—0,3 МПа.

Схема установки приведена на рис. 3. Атмосферный воздух засасывается через фильтр 25 мембранным компрессором 26 и

находящейся в воздухе. Адсорбционная колонка является второй ступенью, где воздух проходит более глубокую осушку.

Колонка с холодильником образуют так называемый дегид­ ратор. Колонка представляет собой полый цилиндр, заполнен­ ный адсорбентом, в качестве которого применяют вещества, имеющие пористую капиллярную структуру, как, например, активированный уголь, силикагель, алюмогель и феррогель. Конденсация пара в капиллярах адсорбента объясняется тем, что парциальное давление пара в капиллярах ниже давления пара в окружающем адсорбенте воздух. Благодаря разности давлений происходит диффузия пара в капилляры и его конден­ сация.*1

1 Здесь и далее объемный расход воздуха определяют при нормальных условиях.

14

В адсорбционных колонках установки АД-220 применен силикагель (Si02) в виде зерен диаметром 3—4 мм. Чтобы пред­ ставить себе, насколько сильно развита сеть капилляров в си­ ликагеле, достаточно сказать, что их боковая поверхность для 1 кг массы этого вещества составляет 4- ІО5 м2. Это обеспечивает высокую влагоемкость адсорбента и позволяет осушать воздух до относительной влажности 2—3% при температуре воздуха 15—20° С, что соответствует точке росы при температуре минус 30—40° С.

Адсорбированную силикагелем влагу можно легко удалить, пропуская через него часть осушенного воздуха, составляющего 5—7% от общего количества и нагретого до 150—200° С. Такой способ восстановления силикагеля носит название горячей реге­ нерации. Помимо этого существует еще способ холодной реге­ нерации, состоящий в том, что через насыщенный влагой сили­ кагель пропускается часть осушенного холодного воздуха, составляющего 20—25% от общего количества, с пониженным давлением.

Условия для регенерации адсорбента в колонке установки АД-220 обеспечиваются за счет нагрева силикагеля электриче­ скими спиралями 13 или 22 и продувки через него нагретого воздуха. Воздух нагревается при прохождении по спиральным змеевикам 3 или 23. На конце змеевиков установлены фильтры 1 и 18, состоящие из двух металлических сеток, между которыми предусмотрен слой прессованной металлической стружки, предотвращающий проникновение частичек силикагеля на дни­ ще колонки. Пройдя этот фильтр, воздух направляется вверх, минуя слой силикагеля и фильтр 4, заполненный стеклянной тканью, задерживающей силикагелиевую пыль. После этого воздух выходит из колонки. Описанная конструкция колонки характерна для дегидраторов небольшой производительности, так как в адсорбере большого размера равномерно нагреть адсорбент нагревателями рассмотренного типа невозможно.

Правая и левая колонки взаимозаменяемы, и в процессе работы они меняются ролями. Когда силикагель насытится влагой, колонка вступает в фазу регенерации, в это время в работу включается колонка, уже прошедшая регенерацию и остывшая.

В колонках имеются температурные реле 12 и 21, которые регулируют температуру колонок в стадии регенерации. Если температура силикагеля превышает 190° С, реле выключают нагреватели.

Выйдя из колонки 2, воздух проходит через открытый соле­ ноидный клапан 14, фильтр 10, обратный клапан 9 и попадает в воздухосборник 11. Соленоидный клапан 15 при этом закрыт. Далее воздушная линия разветвляется. Одна магистраль ведет к потребителю. Здесь воздух проходит через игольчатый кла­ пан 8, редуктор 7 и индикатор влажности 5. Давление воздуха,

15

поступающего к потребителю, контролируется манометром 6. Линия, идущая из воздухосборника 11 вниз, подводит воздух к мембране реле давления. Если давление превысит заданное, реле отключит двигатель компрессора и выпустит лишний воздух из линии.

Воздух, идущий от холодильника 27 по правому трубопро­ воду, попадает в колонку 24, в которой происходит восстановле­ ние силикагеля. Силикагель, нагретый до 190° С, интенсивно испаряет влагу, которая уходит с воздухом через соленоидный клапан 20, отключающий колонку 24 от магистрали, идущей к потребителю, и открытый соленоидный клапан 19 и выбрасы­ вается в атмосферу. Во время регенерации производительность установки сокращается, что, естественно, является недостатком. По описанному циклу установка работает в течение 7 ч. После этого силикагель в правой колонке 24 полностью освобождает­ ся от влаги, и электрическое командное устройство закрывает соленоидный клапан 19 и отключает нагреватель. Левая осуши­ тельная колонка 2 продолжает еще работу в течение 5 ч. Пра­ вая регенерированная колонка за это время успевает полностью остыть. По прошествии 12 ч колонка 24 включается командным устройством на осушку воздуха, а колонка 2 — на регенерацию. Таким образом, полный рабочий цикл осуществляется за 24 ч.

Индикатор 5, с помощью которого контролируют влажность воздуха, поступающего к потребителю, представляет собой стек­ лянную трубку, заполненную индикаторным веществом — си­ ликагелем, обработанным 10%-ным раствором хлористого кобальта. По цвету индикаторного вещества, пользуясь специ­ альной шкалой цветности, определяют относительную влаж­ ность осушенного воздуха.

Как уже указывалось, автоматическая установка АД-220 имеет недостаток, заключающийся в том, что воздух, идущий на регенерацию колонки, сбрасывается в атмосферу, в резуль­ тате чего снижается производительность колонки. В некоторых других подобных установках такая непроизводительная потеря воздуха устранена. Воздух, расходуемый на регенерацию, в этих устройствах не сбрасывается в атмосферу, а засасывается газоструйным насосом и возвращается на вход . установки, осушается и снова поступает к пневматическим приборам.

Фильтры и стабилизаторы давления (редукторы). Как уже отмечалось ранее, одним из необходимых условий обеспечения стабильной и надежной работы технических средств пневмоав­ томатики является высококачественная очистка воздуха от масла и пыли. В настоящее время для очистки воздуха приме­ няют различные фильтры. Фильтры по принципу действия делят на сухие, мокрые, центробежные и др. В пневмоавтоматике применяют исключительно сухие пористые фильтры. В качестве фильтрующих материалов используют фетр, войлок, шерстяную вату и т. д. Однако в последнее время все большее применение

16

в фильтрах находит ткань марки ФПП (ткань И. В. Петряко­ ва). Эта ткань представляет собой слой ультратонких волоком, изготовляемых из различных полимеров. Ткань длительно выдерживает нагрев до температуры 60° С, не смачивается во­ дой и нечувствительна к агрессивным средам. Однако под воз­ действием масел ткань разбухает. Самым положительным свойством этой ткани является способность задерживать части­ цы пыли с размерами не менее 10 мкм.

В сухих пористых фильтрах применяют керамические фильтрующие элементы из шамотной массы. Сам фильтрую­ щий элемент выполняют в форме пустотелого цилиндра. Диаметр пор керамических фильтров составляет примерно 20—30 мкм и поэтому качество очистки воздуха такими филь­ трами невелико. Кроме того, качество ухудшается из-за неоднородности пористости по всей поверхности фильтрующего цилиндра, а также из-за хрупкости керамики, что влечет за собой отрыв проходящим воздухом мельчайших частиц и транспортировку их в устройства пневмоавтоматики. Эти недо­ статки отсутствуют у металлокерамических фильтров, которые отличаются большей прочностью и меньшим диаметром филь­ трующих пор. В системе пневмоавтоматики металлокерамиче­ ские фильтры используют для предварительной очистки воздуха во влагоотделителях.

Принцип действия такого влагоотделителя состоит в том, что под действием центробежных сил мелкие частички жидкости отбрасываются на стенки стакана и собираются в капли, сте­ кающие в нижнюю отделенную отражателем спокойную зону. Затем воздух проходит через фильтр и выходит через отверстие. Очень интересным является оценка фильтрующих свойств раз­ личных материалов, проведенная на основе сравнительных испытаний. В результате испытаний, проведенных Бюро взаимо­ заменяемости совместно с лабораторией аэрозолей Физико­ химического института им. Л. Я. Карпова [13], был установлен ряд фильтрующих материалов, которые по степени качества очистки воздуха можно расположить следующим образом: фильтрующая ткань ФПП, шерстяная вата, ультратонкое стек­ лянное волокно, капроновое волокно, металлокерамика, фетр и войлок.

Бюро взаимозаменяемости разработан весьма совершенный фильтр, выпускаемый заводом «Калибр». Фильтр обеспечивает двухступенчатую очистку воздуха (рис. 4). Первая ступень очистки задерживает масло и состоит из слоя 6 стеклянной ваты и слоя 7 ультратонкого стеклянного волокна. Эти мате­ риалы хорошо задерживают масло. Чтобы воздух не проходил через щель между фильтрующим материалом и стенкой цилин­ дра 5, на его внутреннюю поверхность наносят слой жидкого стекла. Ткань марки ФПП обладает наибольшей эффективно­ стью очистки воздуха и очень малым сопротивлением потоку.

2 Заказ 993

Поэтому в качестве материала второй ступени 4 используют ткань марки ФПП-15-1,5*. Ею обернута в три слоя наружная поверхность двухслойного фильтрующего патрона. Ткань за­ крыта сеткой 8, патрон прижимается к корпусу 2 пружиной 9, упирающейся в отражатель 11, под которым образуется спо­ койная зона, заполняемая конденсатом. Для удаления кон­ денсата служит вентиль 10. Прозрачный колпак 1 укрепляется на корпусе с помощью гайки 3, герметичность соединения обе­ спечивается резиновым кольцом. Наибольший расход воздуха через фильтр равен 120 л/мин, избыточное давление, подводи­ мое к фильтру, составляет 0,2—0,6 МПа.

Как известно, давление воздуха, подводимого к пневматиче­ ским приборам, должно быть постоянным или мало изменяться

настройки этого давления. Для этой цели служат стабилизато­ ры давления (редукторы), представляющие собой пропорцио­ нальные регуляторы прямого действия. Причем до последнего времени промышленностью выпускались однокаскадные стаби­ лизаторы [13, 37], имеющие значительную статическую погреш­ ность. В последние годы Бюро взаимозаменяемости был разра­ ботан, а заводом «Калибр» освоен выпуск двухкаскадных ста­

* Последние цифры обозначают диаметр волокна ткани в десятых долях микрона и величину перепада давления на одном слое ткани в мм вод. ст.

18