Zastosowanie sprężonego powietrza nie jest wynalazkiem naszych czasów. Pierwsze wzmianki na temat zastosowania sprężonego powietrza pochodzą z czasów starożytnych, jednak są bardzo nieprecyzyjne. Około 140 lat prz. Chr. grecki matematyk, wynalazca i konstruktor badał elastyczne własności powietrza i wykorzystał jego ściśliwość do stworzenia katapulty. W konstrukcji tej powietrze było ręcznie sprężane w zbiornikach i dzięki zwiększeniu energii zwiększony został zasięg strzału.
Pomimo że w ciągu następnych wieków były prowadzone badania nad możliwościami stosowania sprężonego powietrza, nie doprowadziły one do nowych odkryć ze względu na niewystarczający postęp w dziedzinie mechaniki i materiałoznawstwa. Przełom nastąpił w XVII wieku – niemiecki inżynier Otto von Guerike w roku 1650 skonstruował pierwszą pompę próżniową, ulepszając przy okazji pompę tłokową do sprężania powietrza. We Francji fizyk Denis Papin opracował tzw. kociołek Papina, będący pierwowzorem autoklawu i szybkowaru. W historii techniki sprężone powietrze znalazło szerokie zastosowanie w technologii zbrojeniowej. Około 1790 r. wojsko austriackie zostało wyposażone w broń wiatrową.
Sprężone powietrze zostało użyte podczas budowy tunelu Mont Cenis w 1861 r. Dzięki wykorzystaniu wiertarek udarowych drążenie tunelu odbywało się w tempie 2 m dziennie, zamiast 0,6 m, które były drążone z użyciem tradycyjnych narzędzi.
Pierwszy hamulec aerodynamiczny został wynaleziony w 1880 r. Dynamiczny rozwój silników parowych w XIX wieku spowodował, że napędy pneumatyczne szybko zyskały na znaczeniu. Energia sprężonego powietrza w maszynach parowych była kumulowana w zbiornikach i znalazła zastosowanie w napędach transportowych. W tym wieku zaczęły powstawać centralne siłownie parowe, z których transportowano sprężone powietrze poprzez rury do daleko oddalonych drobnych odbiorców. Pierwsze duże stacje sprężonego powietrza zostały zastosowane około 1870 r. i były używane w pierwszym dziesięcioleciu ubiegłego wieku. Największa stacja była wykorzystywana na przełomie wieków w Paryżu i miała moc 7350 kW. Rury przesyłowe miały średnicę do 500 mm. Aby zwiększyć moc, powietrze było podgrzewane do temperatury 150°C i doprowadzane do silnika napędzanego sprężonym powietrzem. Sieci sprężonego powietrza były pierwowzorem dzisiejszych sieci energetycznych. Wraz z rozwojem zasięgu sieci energetycznych znaczenie sprężonego powietrza stało się drugorzędne.
Po II Wojnie Światowej pneumatyka znalazła zastosowanie w systemach sterowania, których rozkwit nastąpił w latach 60.
Obszary zastosowań
Pneumatyka jest istotnym elementem techniki sterowania i regulacji. Jest coraz częściej stosowana i w wielu obszarach staje się zautomatyzowana i nie wymaga obsługi. Znajduje zastosowanie tam, gdzie występują niewielkie siły i wymagana jest wysoka częstotliwość wykonywanych ruchów. W systemach, w których stosowane są narzędzia pneumatyczne, dzięki małej bezwładności uzyskiwane są krótkie czasy odpowiedzi.
Sprężone powietrze może mieć wiele zastosowań. Z jednej strony umożliwia zbadanie ciśnienia wewnątrzgałkowego oka ludzkiego, a z drugiej strony może być użyte w młotach pneumatycznych. Sprężone powietrze jest na szeroką skalę stosowane w przemyśle włókienniczym oraz w procesach pakowania i obróbki drewna. Niemal każdy zakład produkcyjny – zaczynając od małych warsztatów do wielkich zakładów, jak celulozownie i papiernie, rafinerie itp. – używa sprężonego powietrza. W wielu przypadkach stosowana technologia wymaga użycia sprężonego powietrza. Moce zastosowanych sprężarek mogą wynosić od kilku kilowatów do kilkudziesięciu tysięcy kilowatów.
Właściwości sprężonego powietrza
Jest kilka ważnych powodów, dla których sprężone powietrze stosowane jest w przemyśle. Przede wszystkim jest wszędzie dostępne w zasadzie bez żadnych opłat. W większości fabryk i zakładów przemysłowych powietrze dostępne jest bez ograniczeń. Sprężarki mogą być ustawione niemal w każdym miejscu w zakładzie produkcyjnym, a powietrze można bez przeszkód przechowywać w dużych ilościach. Układy pneumatyczne mają bardzo prostą konstrukcję i w stosunkowo łatwy sposób można je automatyzować. Siły i prędkości można regulować w łatwy sposób za pomocą dławienia. Urządzenia pneumatyczne cechuje długa żywotność przy niewielkich kosztach konserwacji, ponadto są zazwyczaj odporne na wpływ środowiska pod warunkiem zachowania dbałości o odpowiednie przygotowanie powietrza. Pneumatyka jest obojętna dla środowiska, może być też stosowana w clean
roomach.
Sprężanie gazów
Sprężarki mają różnorodne zastosowania w gospodarstwach domowych, przemyśle oraz budownictwie i systemach transportowych. Są one wykorzystywane w produkcyjnych liniach technologicznych w różnych dziedzinach przemysłu, do dostarczania gazu opałowego do domów i zakładów przemysłowych, sprężania czynnika chłodzącego w systemach chłodniczych, sprężania powietrza wlotowego w turbinach gazowych, w systemach hamulcowych samochodów. Sprężarki mają również zastosowanie przy pracach budowlanych, do wytwarzania nadciśnienia w kabinach lotniczych, do sprężania powietrza w zbiornikach balastowych łodzi podwodnych itp.
System sprężonego powietrza
W systemach sprężonego powietrza można wyróżnić stronę zasilającą oraz stronę odbiorczą. Strona zasilająca zawiera sprężarki oraz układy przygotowania sprężonego powietrza, natomiast strona odbiorcza zawiera układ rozprowadzenia powietrza, zbiorniki powietrza oraz urządzenia odbiorcze-wykonawcze. Prawidłowo zaprojektowane i wykonane zasilanie pneumatyczne dostarcza powietrze czyste, suche i pod stałym ciśnieniem. Odpowiednio sterowane odbiory minimalizują straty sprężonego powietrza. Optymalizacja zużycia powietrza wraz z minimalizacją jego kosztów wytworzenia wymaga sterowania urządzeniami pneumatycznymi zarówno po stronie zasilania, jak i odbioru.
Osuszanie sprężonego powietrza
Aby zapewnić prawidłową pracę urządzeń pneumatycznych, należy tak osuszać zasilające je powietrze, żeby jego wilgotność względna w najniższej temperaturze pracy nie przekroczyła 80%. Powietrze opuszczające stację kompresorową ma zwykle temperaturę o 10–15°C wyższą od temperatury otoczenia. Podczas stygnięcia powietrza w instalacji pneumatycznej następuje skroplenie się pary wodnej. Aby skroplona woda nie dostawała się do instalacji sprężonego powietrza, stosuje się urządzenia osuszające sprężone powietrze.
Sprężone powietrze zawiera znaczne ilości pary wodnej, która po skropleniu ujawnia się w instalacji sprężonego powietrza w postaci kondensatu (zgodnie z aktualnie obowiązującymi przepisami kondensatu nie wolno odprowadzać bezpośrednio do gruntu czy instalacji kanalizacyjnej). Osuszanie sprężonego powietrza jest więc w rzeczywistości procesem polegającym na usunięciu określonej „części” pary wodnej zawartej w powietrzu. Parametrem określającym maksymalną zawartość wody w postaci pary jest tzw. temperatura punktu rosy – czyli taka zawartość pary wodnej w powietrzu, przy której pojawiają się pierwsze kropelki rosy. W procesie osuszania spotkamy się więc często z określeniem „obniżenie temperatury punktu rosy”, czyli zmniejszenie zawartości pary wodnej w sprężonym powietrzu do poziomu odpowiadającego określonej temperaturze punktu rosy.
Osuszacze to specjalne urządzenia, które umożliwiają oddzielenie wilgoci znajdującej się w sprężonym powietrzu w postaci pary. Najczęściej stosowane typy osuszaczy to:
- osuszacze chłodnicze (nazywane też ziębniczymi) – standardowa temp. punktu rosy +3°C,
- osuszacze membranowe stosowane tam, gdzie jest wymagana wysoka jakość przy małych wydatkach przepływu sprężonego powietrza, standardowo obniżenie temperatury punktu rosy o dT=20K,
- osuszacze adsorpcyjne – stosowane wszędzie tam, gdzie jest wymagana najwyższa jakość sprężonego powietrza.
Osuszacze zazwyczaj mają fabrycznie zabudowany automatyczny spust kondensatu.
Zespół przygotowania powietrza
Od zespołów przygotowania powietrza w dużej mierze zależy skuteczność zatrzymywania zanieczyszczeń, wytrącania kondensatu oraz trwałość i niezawodność elementów układu pneumatycznego. Podstawowym zadaniem zespołu przygotowania sprężonego powietrza jest osuszanie, filtracja, redukcja ciśnienia oraz wprowadzanie do przepływającego powietrza mgły olejowej, konserwującej elementy ruchome narzędzi pneumatycznych, zaworów oraz siłowników.
Sprężone powietrze wykorzystywane jest jako nośnik energii. W pneumatyce przygotowanie sprężonego powietrza, realizowane w specjalnych urządzeniach (stacje przygotowania sprężonego powietrza), polega na:
- usunięciu z niego zanieczyszczeń,
- redukcji ciśnienia do wymaganego poziomu,
- wprowadzeniu czynnika smarnego (dla mechanizmów, które tego wymagają).
System przygotowania powietrza ma za zadanie zapewnić najwyższą jakość sprężonego powietrza, co przekłada się na podniesienie efektywności i redukcję wydatków związanych z utrzymaniem urządzeń. Firmy na rynku oferują kompletne rozwiązania systemowe, których zadaniem jest usuwanie wilgoci, olejów, rdzy, pyłu węglowego i innych ciał obcych ze sprężonego powietrza.
Korzyści, jakie wynikają z zastosowania systemu przygotowania powietrza, to:
- suche powietrze dzięki separatorom wody, osuszaczom ziębniczym i membranowym,
- wydłużenie żywotności i bezawaryjności siłowników i zaworów dzięki optymalnej jakości sprężonego powietrza,
- optymalny stosunek kosztów do korzyści.
Zaprezentowany na rys. 2 zespół przygotowania powietrza został stworzony przez firmę SMC Industrial Automation Polska dla jednego z klientów. Zamówienie stawiało wysokie wymagania jakościowe co do sprężonego powietrza ze względu na specyficzny proces produkcyjny. Sprężone powietrze miało służyć ochronie soczewki lasera (pierwotnie była chroniona azotem) wykorzystywanej do zgrzewania opakowań. Układ musiał więc być zamknięty w skrzyni (zabezpieczenie przed uszkodzeniem oraz specyficzne środowisko pracy), a automatyzacja kontroli sprężonego powietrza wymagała, aby układ był obsługowy. Koszty inwestycyjne zwróciły się po tygodniu.
Dane wyjściowe indywidualnie przygotowanego zespołu przygotowania powietrza:
- zawartość cząstek stałych na poziomie 0,01 µm,
- punkt rosy -15ºC,
- zawartość oleju w sprężonym powietrzu poniżej 0,004 mg/m3.
W skład zespołu przygotowania powietrza wchodzą następujące elementy:
- zawór odcinający 3/2 sterowany ręcznie serii VHS do odpowietrzenia instalacji sprężonego powietrza. Zawór ten ma także możliwość blokady położenia;
- separator wody, który zapewnia stopień usunięcia wody z układu na poziomie 99%, z automatycznym spustem kondensatu, nie wymaga obsługi;
- czujniki ciśnienia serii PSE540 służą do kontroli ciśnienia sprężonego powietrza w układzie oraz kontrolują automatycznie różnicę ciśnień występującą na filtrze serii AF,
- sterownik wielokanałowy serii PSE200, który pozwala na wskazania ciśnienia w układzie oraz dzięki wbudowanym wyjściom przekaźnikowym umożliwia sygnalizację stanów nieporządanych,
- zawór łagodnego startu serii AV, w celu powolnego zwiększania wartości ciśnienia w układzie w pierwszej fazie załączenia urządzenia (zabezpieczenie przed nagłym wzrostem ciśnienia) oraz sterowania elektrycznego załączenia stacji przygotowania powietrza.
Obecnie zespoły przygotowania sprężonego powietrza nie ograniczają się jedynie do filtracji i regulacji ciśnienia. Są to w tej chwili nowoczesne, inteligentne, zwykle modułowe bloki zapewniające dodatkowe funkcje niezbędne w obecnych czasach do prawidłowego zarządzania bezpieczeństwem, monitoringiem zużycia sprężonego powietrza.
Przykładem tego typu rozwiązań jest seria MS firmy Festo.
Stacje dostępne są w czterech wielkościach: MS4, MS6, MS9 i MS12, przyłącza od 1/8 do 2”. Standardowe moduły regulatorów ciśnienia (ręczne, sterowane pilotem pneumatycznym lub sygnałem elektrycznym), zawory ręczne i sterowane elektrycznie, zawory wolnego startu, zostały rozszerzone o dodatkową funkcję oraz dodano nowe moduły. Dzięki temu seria MS ma wszystkie niezbędne funkcje przygotowania sprężonego powietrza dostępne w 14 niezależnych modułach do tworzenia dowolnych kombinacji. Zastosowanie czujników ciśnienia lub czujników przepływu powietrza, wyposażonych w elementy elektroniczne, daje możliwość wykorzystania dostarczanych przez nie informacji w procesie ciągłego monitorowania przebiegu procesu technologicznego. Dzięki temu podniesienie produktywności oraz usprawnienie procesu utrzymania ruchu staje się łatwiejsze w realizacji dzięki możliwości natychmiastowego wykrywania uszkodzeń w instalacji oraz monitorowania parametrów ciśnienia roboczego i natężenia przepływu. Dodatkowo pomiar zużycia sprężonego powietrza pozwala na dokładną rejestrację jego kosztów i określenia ich w odniesieniu zarówno do poszczególnych stanowisk, jak i całego procesu produkcyjnego. Może to również być wykorzystywane do rejestracji i archiwizacji warunków pracy maszyn i urządzeń. Precyzyjnie określone i zarejestrowane parametry pracy mogą stanowić podstawę do podjęcia decyzji o konieczności okresowych przeglądów eksploatacyjnych lub być wykorzystywane przy wstępnym uruchomieniu urządzeń i instalacji.
Dzięki modułowości dobranie optymalnego rozwiązania stacyjki przygotowania powietrza do określonej aplikacji jest proste, pewne i szybkie. Przykładowy wygląd wielomodułowej stacji przygotowania powietrza z zaworem startowym i wolnego startu i wielostopniową filtracją powietrza, osuszaczem membranowym, 3 strefami ciśnienia i strefą powietrza naolejonego zaprezentowany został na rysunku 5.
Bardzo ważnym elementem systemu modułowego jest bezpieczny zawór wolnego startu i szybkiego odpowietrzenia. W wypadku nagłego stanu awaryjnego tych części systemu, które mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa, zawór zapewnia szybkie i niezawodne odpowietrzenie układu pneumatycznego. Jego działanie znacznie zwiększa dyspozycyjność maszyn dzięki zapewnieniu bezpieczeństwa i niezawodności pracy układów automatyki. Zawór ten jest samotestującym się mechatronicznym układem redundantnym, zgodnym z wymaganiami normy PN-EN ISO 13849-1. Oznacza to, że niezawodne odpowietrzanie jest zapewnione, nawet jeżeli wystąpi uszkodzenie wewnątrz zaworu. Przedstawiony na rysunku 6 modułowy zespół MS firmy Festo zawiera zawór ręczny, regulator ciśnienia z filtrem, moduł rozgałęziający, czujnik przepływu oraz opisywany powyżej bezpieczny zawór wolnego startu i szybkiego odpowietrzenia MS6-SV.
Bezpieczeństwo jest potwierdzone certyfikatem BG według normy DIN-EN ISO 13849-1, kategoria 4, poziom zapewnienia bezpieczeństwa „e”.
Obecnie niemal każdy producent urządzeń w zakresie pneumatyki oferuje systemy modułowe, które można odpowiednio dostosowywać do określonych potrzeb. Parker Hannifin również w wersji modułowej oferuje stacje przygotowania powietrza ze stali nierdzewnej, odporne na ciężkie, korozyjne warunki pracy. Znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, przetwórczym, naftowym i morskim. Wykonane są z odpornych materiałów: korpus i zbiornik ze stali nierdzewnej AISI 316, wkład filtrujący z włókna borowo-krzemowego, a uszczelnienie z politetrafluoroetylenu. Parker dostarcza również systemy modułowe, wykonane z aluminium, które łączą wytrzymałość i niewielką masę. System o nazwie Moduflex pozwala na szybkie konfigurowanie dowolnej stacji uzdatniania sprężonego powietrza. Poszczególne moduły łączy się ze sobą błyskawicznie za pomocą łącznika cliplok bez dodatkowych modułów pośrednich. Umożliwia również łatwe wyjmowanie modułów do konserwacji, bez konieczności wypinania czy rozsuwania pozostałych elementów systemu.
Analogiczne rozwiązania w wersjach modułowych i specjalnych oferują również inni producenci, jak Festo, Norgern czy Bimba.
Cechy oczyszczonego powietrza
Powietrze oczyszczone powinno się charakteryzować:
- brakiem wody w postaci kropel; woda w postaci pary jest dopuszczalna, gdy punkt rosy występuje przy temperaturze niższej o 5–10°C od najniższej temperatury pracy układu napędowego,
- zanieczyszczeniami mechanicznymi poniżej 5 µm, przy udziale wagowym do 0,7 mg/m3 w warunkach normalnych fizycznych,
- niewystępowaniem olejów oraz innych cieczy w postaci kropel.
Rola reduktora ciśnienia
Reduktory ciśnienia utrzymują stałą wartość ciśnienia na wyjściu, niezależnie od zmian ciśnienia wejściowego (które musi być wyższe od wyjściowego) lub przy zmiennej wartości natężenia przepływu czynnika przez zawór.
Reduktory ciśnienia cechują się wysoką wydajnością (nawet 36 000 l/min). Przyłącza reduktorów są zróżnicowane (M5, 1/4”, 3/8”, 1/2”, 1” lub większe), a więc dopasowane do potrzeb danej instalacji.
Wejściowe ciśnienie jest redukowane wskutek spadku ciśnienia występującego na regulowanej samoczynnie szczelinie, przez którą musi płynąć czynnik, czyli sprężone powietrze. W typowym jednostopniowym zaworze membrana i połączona z nią sprężyna działa na odpowiednio ukształtowany tłoczek umieszczony na drodze przepływu czynnika. Wartość szczeliny przepływowej jest funkcją ciśnienia panującego za zaworem. Ze wzrostem regulowanego ciśnienia następuje zmniejszenie szczeliny przepływowej, czemu towarzyszy zwiększony spadek ciśnienia na szczelinie. Przy spadku ciśnienia za zaworem następuje wzrost otwarcia szczeliny i spadek różnicy ciśnienia na szczelinie. Żądane ciśnienie pracy (ciśnienie zredukowane) można nastawić przez odpowiednie napięcie sprężyny śrubowej.
Reduktory ciśnienia mają najczęściej jeden zakres ciśnienia redukowanego – od 0,3 do 10 barów, są optymalne dla większości zastosowań przemysłowych. Reduktory ciśnienia z filtrem łączą cechy standardowego filtra oraz reduktora ciśnienia w jednym kompaktowym urządzeniu.
Inne elementy
Zespół filtro-reduktora łączy funkcje filtra i zaworu redukcyjnego, stanowiąc jeden zespół konstrukcyjny. Stosowany jest wtedy, gdy dąży się do zmniejszenia gabarytów oraz obniżenia kosztów. To urządzenie oczyszcza sprężone powietrze z takich zanieczyszczeń, jak: pyły, resztki oleju i skroplonej wody oraz utrzymuje stałą wartość ciśnienia sprężonego powietrza na wyjściu, by w podłączonej za nim instalacji sprężonego powietrza, ciśnienie utrzymywało się na stałym poziomie, niezależnie od zmieniających się czynników na wlocie do filtro-reduktora. Filtro-reduktory występują w ofercie wszystkich producentów elementów stacji przygotowania powietrza.
Filtry standardowe firmy Norgern mają wkłady 5 μm i są dostępne z automatycznym lub ręcznym spustem kondensatu 1/4 obrotu. Filtry koalescencyjne standardowo wyposażone są we wskaźnik spadku ciśnienia, automatyczny spust kondensatu. Jest to filtr o bardzo dobrych parametrach, o wysokiej wydajności usuwania drobin oleju wynoszącej 0,01 mg/m3, usuwający cząsteczki zanieczyszczeń rzędu 0,01 μm. W przygotowaniu powietrza biorą również udział smarownice. Smarownica mikromgłowa zapewnia świetne warunki pracy dla aplikacji pneumatycznych.
Zawory odcinająco-odpowietrzające są dostępne w wersjach z gwintowanymi lub niegwintowanymi przyłączami wydechu. Mają obrotową konstrukcję oraz zasuwkę umożliwiającą wykonanie prac serwisowych przy urządzeniach. Bloki przyłączeniowe pozwalają na zwiększenie liczby złączy wylotowych w zespołach FRL. Mogą być wykorzystane do uzyskania smarowanego i niesmarowanego powietrza z tego samego zespołu.
Autor: Ewa Zbierajewska
