5.1. Пример определения параметров установок по производству сжатого воздуха

       Ниже приводятся несколько стандартных расчетов, которые позволяют определить параметры установок по производству сжатого воздуха. Цель этой главы — показать практическое применение формул и данных из предыдущих глав. Пример основан на желаемом потреблении сжатого воздуха, результатом вычислений являются параметры компрессора, базирующиеся на выбранных компонентах установки по производству сжатого воздуха. После примера приведено несколько дополнений, в которых показано, как нужно проводить расчеты в особых случаях.


5.2. Исходные данные

      Перед началом расчета следует определить потребление сжатого воздуха и условия окружающей среды. Кроме того, нужно решить, какой будет использоваться компрессор: маслосмазываемый или безмасляный. Нужно также решить, какое оборудование будет применимо — с водяным или воздушным охлаждением.

5.2.1. Потребление

      Предположим, что имеются три потребителя сжатого воздуха.Они имеют следующие параметры:

Потребитель

Расход

Давление

Точка росы

1

2

3

12 Нм3/мин

67л/с (свободная подача воздуха)

95л/с (свободная подача воздуха)

6 бар (изб.)

7 бар (изб.)

4 бар (изб.)

+50С

+50С

+50С


5.2.2. Условия окружающей среда

Температура окружающего воздуха для определения параметров: 200С.

Максимальная температура окружающего воздуха:30

Давление окружающего воздуха: 1 бар (абс.).

Влажность: 60%.

5.2.3. Разное

Оборудование с воздушным охлаждением.

Качество сжатого воздуха из маслосмазываемого компрессора рассматривается как удовлетворительное.


5.3. Выбор компонентов

      Прежде чем приступить к расчетам параметров, нужно пересчитать исходные данные из таблицы потребления сжатого воздуха (см. подраздел 5.2.1.) так, чтобы они приобрели однородный вид.

      Расход: обычно для обозначения производительности компрессора используется единица измерения л/с; поэтому нужно пересчитать расход потребителя 1, приведенный в Нм3/мин.

12Нм3/мин = 12х1000/60=200Нл/с


Поставив текущие исходные данные в формулу, получим:


QFAD = QN х (273 + Ti) x 1,013 200 x (273 + 30) x 1,013  = 225

                       273 x Pi                            273 x 1,00

 

      Давление: обычно для определения давления сжатого воздуха в компонентах установки используется избыточное давление в бар (изб.)

     Для потребителя 2 указано абсолютное давление 7 бар (абс.). Чтобы получить избыточное давление, нужно из этих 7 бар вычесть давление окружающего воздуха. Так как давление окружающего воздуха в этом случае равно 1 бар, давление для потребителя 2 можно записать как 7-1 бар (изб.) = 6 бар ( изб.).

     После показанного выше пересчета таблица потребления сжатого воздуха будет выглядеть так:

Потребитель

Расход

Давление

Точка росы

1

225 л/с (свободная подача воздуха)

6 бар (изб.)

+50С

2

67 л/с (свободная подача воздуха)

6 бар (изб.)

+50С

3

95 л/с (свободная подача воздуха)

4 бар (изб.)

+50С


5.3.1. Определение параметров компрессора

     Общее потребление сжатого воздуха равно сумме расходов трех потребителей: 225+67+95=387 л/с. К этому следует добавить запас 10-20%, что лает величину расхода 387х1,15=445 л/с ( с 15%-ным запасом)

     Максимальное давление, требуемое потребителями,-6 бар (изб.). Теперь нагрузку можно рассматривать как одного приведенного потребителя. Нужно еще добавить падение давления, а это потребует увеличения давления.

     Для потребителя, которому требуется давление 4 бар (изб.), нужно установить редукционный клапан. Предположим, что общее падение на осушителе, фильтре и трубопроводе не превышает 1,5 бар. Тогда подходит компрессор с максимальным рабочим давлением 7,5 бар (изб.).

5.3.2. Допущения для дальнейших расчетов 

Выбран компрессор со следующими параметрами:

     Максимальное давление = 7,5 бар (изб.).

     Производительность при 7 бар (изб.) = 450 л/с.

     Общая затрачиваемая мощность при 7 бар (изб.) = 175 кВт.

     Мощность на валу при 7 бар (изб.) = 162 кВт.

     Температура сжатого воздуха на выходе компрессора = температуре окружающего воздуха +10.

Регулирование выбранного компрессора осуществляется путем нагрузки/разгрузки, с минимальной продолжительностью цикла 30 секунд. При использовании регулирования путем нагрузки / разгрузки давление в системе изменяется в диапазоне от 7,0 до 7,5 бар (изб.).

5.3.3. Расчет объема воздушного ресивера

Qc – производительность компрессора (л/с) = 450 л/с

Р1 — давление на входе компрессора (бар(абс.)) = 1 бар (абс.)

Т1 — максимальная температура на входе компрессора (К) = 273+30=303К

fmax — максимальная частота циклов = 1 цикл/30 секунд

(Pu-PL) — заданная разность давлений нагруженного и ненагруженного компрессора (бар) — 0,5 бар

Т0 — температура сжатого воздуха на выходе выбранного компрессора на 100С превышает температуру окружающего воздуха, и поэтому максимальная температура в воздушном резервуаре будет 

(К) = 273+40=313К

  Формула для расчета объема воздушного ресивера компрессора с регулированием путем нагрузки/разгрузки:

 

V =      0,25 x Qc x T0             = 0,25 x 450 x 313 = 6 972

      fmax x (pu – pL) x T1                  1/30 x 0,5 x 303

 

Это минимальный объем рекомендуемого воздушного ресивера. Выбирается следующий большой стандартный объем.

5.3.4. Определение параметров осушителя

      Так как в данном примере требуемая температура точки росы равна +60С, наиболее подходящим выбором будет холодильный осушитель. При выборе размера холодильного осушителя нужно учитывать множество факторов, корректируя производительность осушителя в зависимости от поправочных коэффициентов. Эти поправочные коэффициенты являются уникальными для каждой модели холодильного осушителя. Ниже приведены корректирующие коэффициенты, используемые для холодильных осушителей компании Atlas Copco и указанные в перечне технических данных. 

Всего используются три поправочных коэффициента

1. Температура на входе холодильного осушителя и точка росы под давлением

Так как температура сжатого воздуха на выходе выбранного компрессора на 100С превышает температуру окружающего воздуха, температура на входе холодильного осушителя будет не более 30+10=400С. Кроме того, желаемая точка росы - +50С.

Из листка технических данных получаем поправочный коэффициент 0,95.

2. Рабочее давление

Фактическое рабочее давление в центральной магистрали компрессора равняется примерно 7,0 бар, что соответствует поправочному коэффициенту 1,0.

3.Температура окружающего воздуха

При максимальной температуре окружающего воздуха 300С значение поправочного коэффициента равно 0,95.

Соответственно, холодильный осушитель должен обрабатывать полный объем производимого компрессором сжатого воздуха, умноженный на вышеуказанный поправочный коэффициент:

450х0,95х1,0х0,95=406 л/с.

 

5.3.5. Допущения для дальнейших расчетов

Выбирается холодильный осушитель с воздушным охлаждением, имеющий следующие характеристики:

Производительность при 7 бар (изб.) = 450 л/с

Общая потребляемая мощность = 5,1 кВт

Излучаемое в окружающую среду тепло = 14,1 кВт

Падение давления на осушителе = 0,09 бар

 

5.3.6. Проверочный расчет

     После того как будут выбраны компоненты компрессорной установки, нужно проверить, не будет ли слишком велико падение давления. Это можно сделать, суммируя все падения давления на компонентах и в трубопроводах.

     Для этого может пригодится схема установки по производству сжатого воздуха, показанная на рис. 5:1.

220.png












Данные о падении давления на компонентах системы можно получить, обратившись к поставщикам этих компонентов. Падение давления в трубопроводной системе не должно превышать 0,1 бар.

  

Теперь можно вычислить общее падение давления:



Компонент                                                                                             Падение давления (бар)

Фильтр грубой очистки ( падение давления на новом фильтре)                         0,14

Холодильный осушитель                                                                                         0,09

Фильтр тонкой очистки ( падение давления на новом фильтре)                           0,2

Магистральный трубопровод сжатого воздуха                                                      0,05

Система трубопроводов от магистрали до потребителей                                       0,1

Общее падение давления                                                                                           0,58

При максимальном давлении 7,5 бар (изб.) и давлении под нагрузкой 7,0 бар (изб.) выбранный компрессор выдает минимальное значение давления для потребителей 7,0-0,58=6,42 бар (изб.). К этому падению давления нужно прибавить падение давления на фильтре, которое со временем постоянно растет. Данные об этом падении давления можно получить, обратившись к производителю фильтров.

 

5.4. Прочие параметры

5.4.1. Вычисление количества конденсат

     В том случае, если выбран маслозаполненный компрессор, конденсат, выделяемый компрессором и холодильным осушителем, будет содержать масло. Это производится в маслоотделителе. Для определения размеров маслоотделителя нужно знать, сколько воды конденсируется в компрессоре.

      Общее количество воды в воздухе можно узнать из соотношения:

f1 = относительная влажность х количество воды (г/л), содержащееся в воздухе при максимальной температуре окружающего воздуха 300С х на производительность = 0,6х0,030078х445=8 г/с.

 

  Количество влаги, остающееся в сжатом воздухе после осушения, вычитается из этой величины (насыщение наступает при +6):


f2 = 1х0,007246х445 = 0,4 г/с

                   8

Тогда общий поток конденсата из установки f3 составит

f1-f2=8,0-0,4=7,6 г/с = 27,4 кг/ч


Вычислив поток конденсата, можно выбрать маслоотделитель правильного размера.

5.4.2. Требования к вентиляции компрессорного зала

      Для определения требования к вентиляции компрессорного зала используются правило, которое гласит: вся подаваемая в воздух компрессорной энергия должна отводиться посредством вентиляции.

      При расчетах используется формула для энергии при определенном изменении температуры для материала с определенной удельной массой.


Q=m x xp x ∆T,где


Q – полный тепловой поток,кВт

m – массовый расход,кг/с

ср — удельная теплоемкость, кДж/(кг х К)

∆T — разность температур, К


Формулу можно записать следующим образом:


m =       Q      , где

         ср x ∆T


∆T — повышение температуры вентиляционного воздуха. Предполагается, что допустимое повышение температуры равно 10К => ∆T => 10К

ср — удельный тепловой поток ( в кВт) = (94% мощности на валу + разность между затрачиваемой мощностью и мощностью на валу компрессора + заявленный тепловой поток из холодильного осушителя) = 0,94 х 162 + (175 — 162) + 14,1 = 180 кВт.


Это дает количество воздуха для вентиляции:


m =      Q      =     180     = 17,9 кг/c,

         ср x ∆T   1,006x10


что при плотности воздуха 1,2 кг/м3 равно 17,9/1,2=15м3/с.


5.5.(Дополнение 1) Работа на большой высоте

Вопрос: предположим, что те же самые потребители сжатого воздуха, что описаны в предыдущем примере, расположены на высоте 2500 м над уровнем моря; максимальная температура окружающего воздуха 35. Чему равна производительность компрессора ( выраженная в количестве подаваемого свободного воздуха)?


Ответ: на большой высоте воздух разряжен. Это нужно учитывать при расчете параметров оборудования для производства сжатого воздуха. Потребление сжатого воздуха указывается для компрессора, работающего в нормальных условиях ( например,Нм3/мин).В том случае, когда расход воздуха потребителем указан в виде количества свободного воздуха (FAD), перерасчет не требуется.


 Если в вышеприведенном примере (5.3) применительно к потребителю 1 поток сжатого воздуха указывается в Нм3/мин,то это значение нужно пересчитать. Состояние, при котором компрессор нормально работает, 1 бар при 20. Поэтому на высоте 2500м над уровнем моря значения нужно пересчитать.


Из таблицы можно получить следующие данные: давление окружающего воздуха на высоте 2500м над уровнем моря = 0,74 бар. Если расход пересчитать в Нл/с (12Нм3/мин = 12 000/60 Нл/с = 200 Нл/с) и подставить в приведенную ниже формулу, получается:


QFAD = QN x (273 + Ti) x 1,013 = 200 x (273 + 35) x 1,013 = 309 л/с (FAD)

                         273 x Pi                                273 x 0,74   


Тогда общая требуемая производительность компрессора равна 309 + 67 + 95 = 471 л/с ( свободная подача воздуха).


5.6. (Дополнение 2) Пиковая производительность

Вопрос: предположим, что в вышеприведенном примере возникло дополнительное потребление сжатого воздуха 200 л/с в течение 40 секунд в течение часа. В этом примере принимается давление в системе, равное 5,5 бар (изб.) Какого объема должен быть воздушный резервуар, чтобы он соответствовал этим возросшим требованиям?


Ответ: в короткий период времени установка, за счет запасенного в  воздушном резервуаре воздуха, может выдавать больше сжатого воздуха, чем производит компрессор. Однако это требует, чтобы компрессор имел определенную дополнительную производительность. В этом случае применяется следующая формула:


V = Q x t     ,где

      P1 – P2


Q — воздушный поток на этапе опорожнения резервуара = 200 л/с

t – продолжительность этапа опорожнения резервуара = 40 секунд

P1 – P2 — допустимое падение давления во время опорожнения резервуара = обычное давление в системе — минимальное допустимое давление во время опорожнения резервуара = 6,46-5,5=0,96 бар


Подставив эти значения в формулу, получим требуемый объем:


V = Q x t = 200 x 40 = 8340 л

      P1 – P2             0,96


  Компрессор должен иметь избыточную производительность, чтобы он мог наполнить воздушный резервуар после его опорожнения. Выбранный компрессор имеет избыточную производительность 5 л/с = 18 000 л/ч. Так как воздушный резервуар опустошается в течение часа, этой избыточной производительности больше, чем требуется.



5.7. (Дополнение 3) Рекуперация тепловой энергии с помощью воды

222.png

Вопрос: в приведенном примере для рекуперации энергии используется водяной контур. Предположим, что вода, подогреваемая в котле ( оборотная вода котла), возвращается в систему с температурой 550С. Нужно рассчитывать требуемый расход энергии в контуре рекуперации и мощность, которую можно получить в результате рекуперации. Нужно также рассчитать расход и температуру воды на выходе котла.


Ответ: начните с чертежа контура рекуперации энергии и определения различных видов энергии, расходов воды и температур. Ниже приведен расчет:


QE – мощность, переданная из компрессора в контур рекуперации тепловой энергии,кВт

Qp — мощность, переданная из контура рекуперации энергии в контур оборотной воды котла,кВт

mE — расход воды в контуре рекуперации тепловой энергии,л/с

mp — расход воды в контуре оборотной воды котла,л/с

tE1 — температура воды перед подачей в компрессор,оС

tE2 — температура воды после компрессора,оС

tP1 — температура оборотной воды на входе котла,оС

tP2 — температура оборотной воды на выходе котла,оС


5.7.1. Допущения

При расчетах нужно допустить следующие предположения:

Подходящая температура воды, выходящей из компрессора для рекуперации тепловой энергии, в данном примере может быть равна tE2 = 800С.

Предположим, что теплообменник водяного контура рекуперации энергии имеет следующие параметры:

tE1 = tP1 + 50C

tP2 = tE2 – 50C

Кроме того, можно предположить, что трубопровод и теплообменник имеют теплообмен с окружающей средой.


5.7.2. Расчет расхода охлаждающей воды в контуре охлаждения


Q = m x cp x ∆T, где


∆T — рост температуры в компрессоре = tE2 – tE1 = 800C – 600C = 200C

c - удельная теплоемкость воды = 4,18 кДж/кг х К

Q = Q - энергия, которая может быть получена, = 70% энергии на валу = 0,70 х 162 = 113 кВт. Это энергия, которую можно получить из выбранного компрессора.

m- массовый расход в контуре рекуперации тепловой энергии = mE


Эту формулу можно записать следующим образом:


mE =   QE    =      113     = 1,35 кг/с

         cx ∆T   4,18 х 20


5.7.3. Энергетический баланс теплообменника рекуперации тепловой энергии

Для теплообменника контура рекуперации тепловой энергии применимы следующие формулы:


QE = mE x cp x (tE2 – tE1)

QP = mp x cp x (tP2 – tP1)


Однако, так как предполагается, что будет происходить теплообмен с окружающей средой, энергия, переданная из компрессора в контур рекуперации энергии, будет равна энергии, переданной в теплообменник рекуперации энергии, т. е. QP = QE = 113 кВт.

Формула может быть записана следующим образом:


mP =         QP        =          113       = 1,35 л/с

        cp x (tP2 – tP1)   (75-55)х4,18


5.7.4. Ответ на задачу


  Из вышеприведенных вычислений можно установить, что рекуперируемая мощность равна 113 кВт. Для переноса этой энергии требуется водяной поток в контуре рекуперации тепловой энергии 1,35 л/с. Соответствующий поток оборотной воды котла также составляет 1,35 л/с, что повышает температуру котла на 200С.


5.8. (Дополнение 4) Падение давления в трубопроводе

Вопрос: в приведенном примере для рекуперации энергии используется водяной контур. Предположим, что вода, подогреваемая в котле ( оборотная вода котла), возвращается в систему с температурой 550С. Нужно рассчитывать требуемый расход энергии в контуре рекуперации и мощность, которую можно получить в результате рекуперации. Нужно также рассчитать расход и температуру воды на выходе котла.


Ответ: начните с чертежа контура рекуперации энергии и определения различных видов энергии, расходов воды и температур. Ниже приведен расчет:


QE – мощность, переданная из компрессора в контур рекуперации тепловой энергии,кВт

Qp — мощность, переданная из контура рекуперации энергии в контур оборотной воды котла,кВт

mE — расход воды в контуре рекуперации тепловой энергии,л/с

mp — расход воды в контуре оборотной воды котла,л/с

tE1 — температура воды перед подачей в компрессор,оС

tE2 — температура воды после компрессора,оС

tP1 — температура оборотной воды на входе котла,оС

tP2 — температура оборотной воды на выходе котла,оС


5.7.1. Допущения

При расчетах нужно допустить следующие предположения:

Подходящая температура воды, выходящей из компрессора для рекуперации тепловой энергии, в данном примере может быть равна tE2 = 800С.

Предположим, что теплообменник водяного контура рекуперации энергии имеет следующие параметры:

tE1 = tP1 + 50C

tP2 = tE2 – 50C


Кроме того, можно предположить, что трубопровод и теплообменник имеют теплообмен с окружающей средой.


5.7.2. Расчет расхода охлаждающей воды в контуре охлаждения


Q = m x cp x ∆T, где


∆T — рост температуры в компрессоре = tE2 – tE1 = 800C – 600C = 200C

c - удельная теплоемкость воды = 4,18 кДж/кг х К

Q = Q - энергия, которая может быть получена, = 70% энергии на валу = 0,70 х 162 = 113 кВт. Это энергия, которую можно получить из выбранного компрессора.

m- массовый расход в контуре рекуперации тепловой энергии = mE


Эту формулу можно записать следующим образом:


mE =   QE    =      113     = 1,35 кг/с

         cx ∆T   4,18 х 20


5.7.3. Энергетический баланс теплообменника рекуперации тепловой энергии

Для теплообменника контура рекуперации тепловой энергии применимы следующие формулы:


QE = mE x cp x (tE2 – tE1)

QP = mp x cp x (tP2 – tP1)

Однако, так как предполагается, что будет происходить теплообмен с окружающей средой, энергия, переданная из компрессора в контур рекуперации энергии, будет равна энергии, переданной в теплообменник рекуперации энергии, т. е. QP = QE = 113 кВт.

Формула может быть записана следующим образом:


mP =         QP        =          113       = 1,35 л/с

        cp x (tP2 – tP1)   (75-55)х4,18


5.7.4. Ответ на задачу

Из вышеприведенных вычислений можно установить, что рекуперируемая мощность равна 113 кВт. Для переноса этой энергии требуется водяной поток в контуре рекуперации тепловой энергии 1,35 л/с. Соответствующий поток оборотной воды котла также составляет 1,35 л/с, что повышает температуру котла на 200С.


Расчет з.ч