Как се преобразува въздушният поток в налягане в пневматичните системи?

Преобразуването на въздушния поток в налягане затруднява много инженери. Виждал съм производствени линии да се провалят, защото някой е приел, че по-голям поток автоматично означава по-голямо налягане. Връзката между потока и налягането е сложна и зависи от съпротивлението на системата, а не от прости формули за преобразуване.

Въздушният поток не може да се преобразува директно в налягане, тъй като измерва различни физични свойства. Дебитът измерва обема за определено време, докато налягането измерва силата за определена площ. Въпреки това потокът и налягането се свързват чрез съпротивлението на системата - по-високите дебити създават по-големи падове на налягането през ограниченията.

Преди три месеца помогнах на Патриша, инженер-процесор от канадско предприятие за преработка на храни, да реши критичен проблем с пневматичната система. Нейните цилиндри без пръти не генерираха очакваната сила въпреки адекватния въздушен поток. Проблемът не беше в недостига на дебит - той се състоеше в неразбиране на връзката дебит-налягане в нейната разпределителна система.

Съдържание

• Каква е връзката между въздушния поток и налягането?
• Как ограниченията в системата влияят на дебита и налягането?
• С какви уравнения се управляват отношенията между потока и налягането?
• Как се изчислява падането на налягането от скоростта на потока?
• Какви фактори влияят върху преобразуването на дебита в налягането в пневматичните системи?
• Как да оразмерите компонентите според изискванията за дебит и налягане?

Каква е връзката между въздушния поток и налягането?

Въздушният поток и налягането представляват различни физични свойства, които си взаимодействат чрез съпротивлението на системата. Разбирането на тази връзка е от решаващо значение за правилното проектиране на пневматични системи.

Въздушният поток и налягането се отнасят към Аналогия на закона на Ом¹: Падане на налягането = Дебит × Съпротивление. По-големите дебити през ограниченията създават по-големи падове на налягането, докато съпротивлението на системата определя колко налягане се губи при даден дебит.

Основни понятия за потока и налягането

Дебитът и налягането не са взаимозаменяеми измервания:

Аналогия на съпротивлението на системата

Мислете за пневматичните системи като за електрически вериги:

Електрическа верига

• Напрежение = Налягане
• Текущ = Дебит  
• Съпротивление = Ограничение на системата
• Закон на Ом: V = I × R

Пневматична система

• Падане на налягането = Дебит × Съпротивление
• По-висок дебит = по-голям пад на налягането
• По-ниско съпротивление = по-малък спад на налягането

Зависимости между потока и налягането

Няколко фактора определят съотношението дебит-налягане:

Конфигурация на системата

• Ограничения на сериите: Капките на налягането се сумират
• Паралелни пътища: Потокът се разделя, падането на налягането намалява
• Избор на компоненти: Всеки компонент има уникални характеристики на потока и налягането

Работни условия

• Температура: Влияе върху плътността и вискозитета на въздуха
• Ниво на налягането: По-високите налягания променят характеристиките на потока
• Скорост на потока: По-високите скорости увеличават загубите на налягане

Практически пример за дебит-налягане

Наскоро работих с Мигел, ръководител на поддръжката в испански автомобилен завод. Пневматичната му система имаше достатъчен капацитет на компресора (200 SCFM) и подходящо налягане (100 PSI) в компресора, но цилиндрите без пръти работеха бавно.

Проблемът беше в съпротивлението на системата. Дългите разпределителни тръбопроводи, недостатъчно оразмерените клапани и множеството фитинги създават високо съпротивление. Дебитът от 200 SCFM води до спад на налягането от 25 PSI, което води до само 75 PSI в цилиндрите.

Решихме проблема, като:

• Увеличаване на диаметъра на тръбите от 1″ на 1,5″
• Замяна на ограничителните клапани с конструкции с пълен порт
• Минимизиране на монтажни връзки
• Добавяне на резервоар за приемник в близост до зони с високо търсене

Тези промени намаляват съпротивлението на системата, като поддържат 95 PSI в цилиндрите при същия дебит от 200 SCFM.

Често срещани погрешни схващания

Инженерите често разбират погрешно взаимоотношенията между потока и налягането:

Заблуда 1: По-голям дебит = по-високо налягане

Реалност: По-големият дебит през ограниченията води до по-ниско налягане поради увеличения пад на налягането.

Заблуда 2: Дебитът и налягането се преобразуват директно

Реалност: Дебитът и налягането измерват различни свойства и не могат да бъдат директно преобразувани, без да се знае съпротивлението на системата.

Заблуда 3: По-големият дебит на компресора решава проблемите с налягането

Реалност: Системните ограничения ограничават налягането независимо от наличния дебит. Намаляването на съпротивлението често е по-ефективно от увеличаването на дебита.

Как ограниченията в системата влияят на дебита и налягането?

Ограниченията в системата създават съпротивлението, което определя съотношението между потока и налягането. Разбирането на ефектите от ограниченията помага за оптимизиране на работата на пневматичната система.

Ограниченията в системата включват тръби, клапани, фитинги и компоненти, които възпрепятстват въздушния поток. Всяко ограничение създава пад на налягането, пропорционален на квадрата на дебита, което означава, че удвояването на дебита увеличава четирикратно пада на налягането през същото ограничение.

Видове ограничения на системата

Пневматичните системи съдържат различни източници на ограничение:

Триене на тръбите

• Гладки тръби: По-малко триене, по-малък спад на налягането
• Груби тръби: По-голямо триене, по-голям спад на налягането
• Дължина на тръбата: По-дългите тръби създават по-голямо общо триене
• Диаметър на тръбата: По-малките тръби значително увеличават триенето

Ограничения за компонентите

• Вентили: Капацитетът на потока варира в зависимост от конструкцията и размера
• Филтри: Създаване на пад на налягането, който се увеличава със замърсяването
• Регулатори: Проектиран пад на налягането за контролната функция
• Фитинги: Всяка връзка добавя ограничение

Устройства за контрол на потока

• Отвори: Преднамерени ограничения за контрол на потока
• Иглови вентили: Променливи ограничения за регулиране на дебита
• Бързи ауспуси: Ниско ограничение за бързо връщане на цилиндъра

Характеристики на падане на налягането

Падането на налягането през ограниченията следва предсказуеми модели:

Ламинарен поток² (ниски скорости)

Падане на налягането ∝ Дебит
Линейна зависимост между дебита и спада на налягането

Турбулентен поток (високи скорости)

Падане на налягането ∝ (дебит)²
Квадратична зависимост - удвояването на дебита увеличава четирикратно спада на налягането

Коефициенти на ограничаване на потока

Компонентите използват коефициенти на потока, за да характеризират ограничението:

Уравнение на потока Cv

Сайтът Уравнение на потока Cv³ свързва дебита, спада на налягането и свойствата на флуида:

Q = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂) ÷ SG)

Къде:

• Q = Дебит (SCFM)
• Cv = Коефициент на потока
• ΔP = спад на налягането (PSI)
• P₁, P₂ = налягания нагоре и надолу по течението (PSIA)
• SG = специфична плътност (1,0 за въздух при стандартни условия)

Серийни срещу паралелни ограничения

Разположението на ограничението влияе върху общото съпротивление на системата:

Ограничения на сериите

Общо съпротивление = R₁ + R₂ + R₃ + ...
Съпротивленията се сумират директно, създавайки кумулативен спад на налягането

Паралелни ограничения  

1/Общо съпротивление = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...
Паралелните пътища намаляват общото съпротивление

Анализ на ограниченията в реалния свят

Помогнах на Дженифър, инженер-дизайнер от британска компания за опаковки, да оптимизира работата на системата си за безпръчкови цилиндри. Системата й имаше достатъчно подаване на въздух, но цилиндрите работеха непостоянно.

Извършихме рестрикционен анализ и установихме:

• Основно разпределение: спад от 2 PSI (приемлив)
• Тръбопроводи на клонове: 5 PSI спад (висок поради малкия диаметър)
• Регулиращи клапани: спад от 12 PSI (силно недостатъчен размер)
• Свързване на цилиндрите: 3 PSI спад (множество фитинги)
• Общ спад на системата: 22 PSI (прекомерно)

Чрез подмяна на маломерните регулиращи клапани и увеличаване на диаметъра на тръбните разклонения намалихме общия спад на налягането до 8 PSI, което значително подобри работата на цилиндъра.

Стратегии за оптимизиране на ограниченията

Минимизиране на ограниченията на системата чрез правилно проектиране:

Оразмеряване на тръбите

• Използвайте подходящ диаметър: Спазвайте указанията за скоростта
• Минимизиране на дължината: Директното маршрутизиране намалява триенето
• Гладък отвор: Намалява турбулентността и триенето

Избор на компоненти

• Високи стойности на Cv: Изберете компоненти с подходящ капацитет на потока
• Проекти с пълен порт: Минимизиране на вътрешните ограничения
• Качество на фитингите: Гладки вътрешни коридори

Разположение на системата

• Паралелно разпределение: Множество пътища намаляват съпротивлението
• Местно съхранение: приемни резервоари в близост до райони с високо търсене
• Стратегическо разположение: Ограничения на позицията по подходящ начин

С какви уравнения се управляват отношенията между потока и налягането?

Няколко фундаментални уравнения описват отношенията между потока и налягането в пневматичните системи. Тези уравнения помагат на инженерите да прогнозират поведението на системата и да оптимизират нейната работа.

Основните уравнения за поток и налягане включват уравнението за поток Cv, Уравнение на Дарси-Вайсбах⁴ за триенето в тръбите и уравненията за задушен поток за условия на висока скорост. Тези уравнения свързват дебита, спада на налягането и геометрията на системата, за да предскажат работата на пневматичната система.

Уравнение на потока Cv (основно)

Най-често използваното уравнение за изчисляване на пневматичния поток:

Q = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂))

Опростено за въздух при стандартни условия:
Q = Cv × √(ΔP × Pavg)

Където Pavg = (P₁ + P₂) ÷ 2

Уравнение на Дарси-Вайсбах (триене в тръбите)

За спадане на налягането в тръби и тръбопроводи:

ΔP = f × (L/D) × (ρV²/2gc)

Къде:

• f = коефициент на триене (зависи от числото на Рейнолдс)
• L = дължина на тръбата
• D = диаметър на тръбата
• ρ = Плътност на въздуха
• V = Скорост на въздуха
• gc = гравитационна константа

Опростено уравнение на потока в тръбата

За практически пневматични изчисления:

ΔP = K × Q² × L / D⁵

Където K е константа, зависеща от единиците и условията.

Уравнение на задушен поток

Когато налягането надолу по веригата спадне под критичното съотношение, се появява състояние, известно като задушен поток⁵ възниква:

Qchoked = Cd × A × P₁ × √(γ/RT₁) × (2/(γ+1))^((γ+1)/(2(γ-1)))

Къде:

• Cd = Коефициент на разтоварване
• A = площ на отвора
• γ = коефициент на специфична топлина (1,4 за въздуха)
• R = газова константа
• T₁ = Температура нагоре по течението

Критично съотношение на налягането

Потокът се задушава, когато:
P₂/P₁ ≤ 0,528 (за въздух)

Под това съотношение дебитът става независим от налягането надолу по веригата.

Брой на Рейнолдс

Определя режима на потока (ламинарен или турбулентен):

Re = ρVD/μ

Къде:

• ρ = Плътност на въздуха
• V = Скорост
• D = диаметър
• μ = Динамичен вискозитет

Практически приложения на уравненията

Неотдавна помогнах на Дейвид, инженер по проекта от германски машиностроител, да определи размера на пневматичните компоненти за многостанционна монтажна система. Изчисленията му трябваше да отчитат:

1. Изисквания за отделните цилиндри: Използване на уравненията Cv за оразмеряване на клапани
2. Падане на налягането при разпределение: Използване на Дарси-Вайсбах за оразмеряване на тръби  
3. Условия на пиков поток: Проверка за ограничения на потока
4. Системна интеграция: Комбиниране на няколко пътя на потока

Подходът на систематично уравнение гарантира правилното оразмеряване на компонентите и надеждното функциониране на системата.

Насоки за избор на уравнение

Изберете подходящи уравнения в зависимост от приложението:

Оразмеряване на компонента

• Използване на уравненията Cv: За клапани, фитинги и компоненти
• Данни за производителя: Когато са налични, използвайте специфични криви на изпълнение

Оразмеряване на тръбите

• Използване на Darcy-Weisbach: За точни изчисления на триенето
• Използване на опростени уравнения: За предварително оразмеряване

Приложения с висока скорост

• Проверка на задушен поток: Когато съотношението на налягането се доближи до критичните стойности
• Използване на уравнения за сгъстен поток: За точни прогнози за висока скорост

Ограничения на уравненията

Разберете ограниченията на уравненията за точни приложения:

Предположения

• Устойчиво състояние: Уравненията предполагат условия на постоянен поток
• Едната фаза: Само въздух, без кондензация или замърсяване
• Изотермичен: Постоянна температура (често не е вярно на практика)

Фактори за точност

• Фактори на триене: Прогнозните стойности могат да се различават от действителните условия
• Вариации на компонентите: Производствените допуски влияят върху действителните характеристики
• Ефекти от инсталирането: Огъванията, връзките и монтажът влияят на потока

Как се изчислява падането на налягането от скоростта на потока?

Изчисляването на спада на налягането на базата на известен дебит помага на инженерите да предвидят работата на системата и да идентифицират потенциални проблеми преди монтажа.

Изчисляването на пада на налягането изисква познаване на дебита, коефициентите на потока на компонентите и геометрията на системата. Използвайте пренареденото уравнение Cv: ΔP = (Q/Cv)² за компонентите и уравнението на Дарси-Вайсбах за загубите от триене в тръбите.

Изчисляване на пада на налягането на компонента

За клапани, фитинги и компоненти с известни стойности на Cv:

ΔP = (Q/Cv)²

Опростено от основното уравнение Cv чрез решаване на проблема с пада на налягането.

Изчисляване на падането на налягането в тръбите

За прави тръбопроводи използвайте опростеното уравнение за триене:

ΔP = f × (L/D) × (Q²/A²) × (ρ/2gc)

Където A = площ на напречното сечение на тръбата.

Процес на изчисление стъпка по стъпка

Стъпка 1: Определяне на пътя на потока

Направете карта на целия път на потока от източника до местоназначението, включително всички компоненти и тръбни участъци.

Стъпка 2: Събиране на данни за компонентите

Съберете стойностите на Cv за всички клапани, фитинги и компоненти по пътя на потока.

Стъпка 3: Изчисляване на отделните капки

Изчислете спада на налягането за всеки компонент и тръбен участък поотделно.

Стъпка 4: Сумиране на общия спад

Съберете всички индивидуални спадове на налягането, за да намерите общия спад на налягането в системата.

Практически пример за изчисление

За система с цилиндри без пръти с изискване за дебит 25 SCFM:

Този пример показва как недостатъчно оразмерени компоненти (ниски стойности на Cv) създават прекомерни спадове на налягането.

Изчисления на триенето на тръбите

За 100 фута 1-инчова тръба с капацитет 50 SCFM:

Изчисляване на скоростта

V = Q/(A × 60) = 50/(0,785 × 60) = 1,06 ft/sec

Определяне на числото на Рейнолдс

Re = ρVD/μ ≈ 4,000 (турбулентен поток)

Намиране на коефициента на триене

f ≈ 0.025 (за търговски стоманени тръби)

Изчисляване на падането на налягането

ΔP = 0,025 × (100/1) × (1,06²)/(2 × 32,2) × ρ
ΔP ≈ 2,1 PSI

Изчисления на множество клонове

За системи с паралелни поточни трасета:

Паралелно разпределение на потока

Потокът се разпределя в зависимост от относителното съпротивление на всеки клон:
Q₁/Q₂ = √(R₂/R₁)

Където R₁ и R₂ са съпротивленията на разклоненията.

Съгласуваност на спада на налягането

Всички паралелни клонове имат еднакъв пад на налягането между общите точки на свързване.

Приложение за изчисление в реални условия

Работих с Антонио, инженер по поддръжката от италиански производител на текстил, за решаване на проблеми с налягането в неговата система от безпръчкови цилиндри. Изчисленията му показваха адекватно захранващо налягане, но цилиндрите не работеха правилно.

Извършихме подробни изчисления на спада на налягането и открихме:

• Налягане на захранването: 100 PSI
• Загуби при разпределение: 8 PSI
• Загуби на контролния клапан: 15 PSI  
• Загуби при свързване: 12 PSI
• Предлага се в Cylinder: 65 PSI (загуба на 35%)

Спадът на налягането с 35 PSI значително намалява мощността на цилиндъра. Чрез модернизиране на контролните клапани и подобряване на връзките намалихме загубите до общо 12 PSI, като възстановихме правилната работа на системата.

Методи за проверка на изчисленията

Проверете изчисленията на пада на налягането чрез:

Полеви измервания

• Инсталиране на манометри за налягане: В ключови точки на системата
• Измерване на действителните капки: Сравнете с изчислените стойности
• Идентифициране на несъответствия: Проучете разликите

Изпитване на потока

• Измерване на действителните стойности на дебита: При различни спадове на налягането
• Сравнение с прогнозите: Проверка на точността на изчисленията
• Регулиране на изчисленията: Въз основа на действителните резултати

Често срещани грешки в изчисленията

Избягвайте тези често срещани грешки:

Използване на грешни единици

• Осигуряване на съгласуваност на единиците: SCFM с PSI, SLPM с бар
• Конвертиране, когато е необходимо: Използвайте подходящи коефициенти на преобразуване

Пренебрегване на ефектите на системата

• Отчитане на всички компоненти: Включете всяко ограничение
• Помислете за ефектите от инсталацията: Огъвания, редуктори и връзки

Прекалено опростяване на сложни системи

• Използване на подходящи уравнения: Съпоставяне на сложността на уравнението със сложността на системата
• Динамични ефекти: Натоварвания при ускоряване и забавяне

Какви фактори влияят върху преобразуването на дебита в налягането в пневматичните системи?

Множество фактори влияят върху връзката между дебита и налягането в пневматичните системи. Разбирането на тези фактори помага на инженерите да прогнозират точно поведението на системата.

Ключовите фактори, които влияят върху зависимостта дебит-налягане, включват температурата на въздуха, нивото на налягането в системата, диаметъра и дължината на тръбите, избора на компоненти, качеството на монтажа и условията на работа. Тези фактори могат да променят характеристиките поток-налягане с 20-50% от теоретичните изчисления.

Влияние на температурата

Температурата на въздуха оказва значително влияние върху зависимостта дебит-налягане:

Промени в плътността

По-високите температури намаляват плътността на въздуха:
ρ₂ = ρ₁ × (T₁/T₂)

По-ниската плътност намалява спада на налягането при същия масов дебит.

Промени във вискозитета

Температурата влияе върху вискозитета на въздуха:

• По-висока температура: По-нисък вискозитет, по-малко триене
• По-ниска температура: По-висок вискозитет, по-голямо триене

Корекционни коефициенти за температурата

Ефекти на нивото на налягането

Работното налягане в системата влияе върху характеристиките на потока:

Ефекти на сгъстимост

По-високите налягания увеличават плътността на въздуха и променят поведението на потока от несвиваем към сгъваем.

Условия на запушен поток

Високите коефициенти на налягане могат да предизвикат задушаване на потока, което ограничава максималния дебит независимо от условията по веригата.

Стойности на Cv, зависещи от налягането

Някои компоненти имат стойности на Cv, които се променят с нивото на налягането поради промени във вътрешния модел на потока.

Фактори за геометрията на тръбите

Размерът и конфигурацията на тръбите оказват значително влияние върху съотношението поток-налягане:

Ефекти върху диаметъра

Падането на налягането варира в зависимост от диаметъра до петата степен:
ΔP ∝ 1/D⁵

Удвояването на диаметъра на тръбата намалява спада на налягането с 97%.

Ефекти на дължината

Падането на налягането се увеличава линейно с дължината на тръбата:
ΔP ∝ L

Грапавост на повърхността

Състоянието на вътрешната повърхност на тръбата влияе върху триенето:

Фактори за качество на компонента

Конструкцията и качеството на компонентите влияят върху характеристиките на потока и налягането:

Производствени отклонения

• Тесни допуски: Последователни характеристики на потока
• Свободни допуски: Променлива производителност на отделните единици

Вътрешен дизайн

• Опростени пасажи: По-нисък спад на налягането
• Остри ъгли: По-голям спад на налягането и турбулентност

Износване и замърсяване

• Нови компоненти: Производителността отговаря на спецификациите
• Износени компоненти: Влошени характеристики на потока
• Замърсени компоненти: Повишен спад на налягането

Фактори за инсталиране

Начинът на инсталиране на компонентите влияе върху съотношението дебит/налягане:

Огъвания на тръби и фитинги

Всеки фитинг добавя еквивалентна дължина към изчисленията на пада на налягането:

Позициониране на клапана

• Напълно отворен: Минимален спад на налягането
• Частично отворен: Драматично увеличен спад на налягането
• Ориентация на инсталацията: Може да повлияе на моделите на вътрешния поток

Факторен анализ в реалния свят

Неотдавна помогнах на Сара, инженер по технологичните процеси от канадско предприятие за преработка на храни, да отстрани проблеми, свързани с непостоянната работа на цилиндъра без пръти. Нейната система работеше перфектно през зимата, но изпитваше затруднения по време на лятното производство.

Открихме множество фактори, които влияят на производителността:

• Промяна на температурата: 40°F зима до 90°F лято
• Промяна в плътността: 12% намаление през лятото
• Промяна в падането на налягането: 8% намаление поради по-ниска плътност
• Промяна на вискозитета: 6% намаляване на загубите от триене

Комбинираните ефекти създават 15% вариации в наличното налягане в бутилките през различните сезони. Компенсирахме това чрез:

• Инсталиране на температурно компенсирани регулатори
• Увеличаване на натиска върху предлагането през летните месеци
• Добавяне на изолация за намаляване на екстремните температури

Динамични работни условия

В реалните системи се наблюдават променящи се условия, които оказват влияние върху съотношението поток-налягане:

Вариации на натоварването

• Леки натоварвания: По-ниски изисквания за дебит
• Тежки товари: По-високи изисквания за дебит при същата скорост
• Променливи натоварвания: Променящи се изисквания за дебит/налягане

Промени в честотата на цикъла

• Бавно колоездене: Повече време за възстановяване на налягането
• Бързо колоездене: По-високи изисквания за моментен поток
• Периодична работа: Променливи модели на потока

Възраст на системата и поддръжка

Състоянието на системата влияе върху характеристиките на потока и налягането с течение на времето:

Деградация на компонента

• Износване на уплътнението: Повишено вътрешно изтичане
• Износване на повърхността: Променени коридори на потока
• Натрупване на замърсяване: Засилени ограничения

Въздействие на поддръжката

• Редовна поддръжка: Поддържане на проектните характеристики
• Лоша поддръжка: Влошени характеристики на потока
• Замяна на компоненти: Може да подобри или промени производителността

Стратегии за оптимизация

Отчитане на влияещите фактори чрез подходящо проектиране:

Маржове на дизайна

• Температурен диапазон: Проектиране за най-неблагоприятните условия
• Вариации на налягането: Отчитане на промените в налягането на подаване
• Допустими отклонения на компонентите: Използвайте консервативни стойности на производителността

Системи за наблюдение

• Мониторинг на налягането: Проследяване на тенденциите в работата на системата
• Компенсация на температурата: Регулиране на топлинните ефекти
• Измерване на потока: Проверка на действителните и прогнозните резултати

Програми за поддръжка

• Редовна инспекция: Идентифициране на влошаващите се компоненти
• Превантивна подмяна: Заменете компонентите преди повреда
• Тестване на производителността: Периодично проверявайте възможностите на системата

Как да оразмерите компонентите според изискванията за дебит и налягане?

Правилното оразмеряване на компонентите гарантира, че пневматичните системи осигуряват необходимата производителност, като същевременно минимизират потреблението на енергия и разходите. Оразмеряването изисква разбиране както на капацитета на потока, така и на характеристиките на спада на налягането.

Оразмеряването на компонентите включва избор на компоненти с подходящи стойности на Cv, за да се справят с необходимите дебити, като същевременно поддържат приемливи падове на налягането. Оразмерете компонентите за 20-30% над изчислените изисквания, за да отчетете вариациите и бъдещите нужди от разширяване.

Процес на оразмеряване на компонента

Следвайте систематичен подход за точно определяне на размера на компонентите:

Стъпка 1: Определяне на изискванията

• Скорост на потока: Максимален очакван дебит (SCFM)
• Падане на налягането: Допустима загуба на налягане (PSI)
• Работни условия: Температура, налягане, работен цикъл

Стъпка 2: Изчисляване на необходимото Cv

Изисквано Cv = Q / √(приемливо ΔP)

Където Q е дебитът, а ΔP е максималният допустим пад на налягането.

Стъпка 3: Прилагане на коефициенти на безопасност

Проектно Cv = изисквано Cv × коефициент на безопасност

Типични коефициенти на безопасност:

• Стандартни приложения: 1.25
• Критични приложения: 1.50
• Бъдещо разширяване: 2.00

Стъпка 4: Избор на компоненти

Изберете компоненти със стойности на Cv, равни или по-големи от проектните Cv.

Примери за оразмеряване на клапани

Оразмеряване на контролния клапан

За поток от 40 SCFM с максимален пад на налягането от 5 PSI:
Необходим Cv = 40 / √5 = 17,9
Проектно Cv = 17,9 × 1,25 = 22,4
Изберете клапан с Cv ≥ 22,4

Оразмеряване на електромагнитен клапан

За цилиндър без пръчка, изискващ 15 SCFM:
Необходим Cv = 15 / √3 = 8,7 (при спад от 3 PSI)
Проектно Cv = 8,7 × 1,25 = 10,9
Изберете електромагнитен клапан с Cv ≥ 11

Насоки за оразмеряване на тръбите

Оразмеряването на тръбите влияе както върху спада на налягането, така и върху разходите на системата:

Оразмеряване на базата на скоростта

Поддържайте скоростта на въздуха в препоръчителните граници:

Оразмеряване на базата на потока

Оразмерявайте тръбите в зависимост от капацитета на потока:

Оразмеряване на фитинги и връзки

Фитингите трябва да съответстват или да надвишават капацитета на потока на тръбите:

Правила за подбор на фитинги

• Съвпадение на размера на тръбата: Използвайте фитинги със същия размер като тръбата
• Избягване на ограниченията: Не използвайте редуциращи фитинги, освен ако не е необходимо
• Дизайн с пълен поток: Изберете фитинги с максимален вътрешен диаметър

Оразмеряване на бързото свързване

Оразмерете бързите връзки за изискванията за дебит на приложението:

Оразмеряване на филтри и регулатори

Оразмерявайте компонентите за пречистване на въздуха за достатъчен капацитет на потока:

Оразмеряване на филтъра

Филтрите създават пад на налягането, който се увеличава със замърсяването:

• Почистване на филтъра: Използвайте стойността на Cv, посочена от производителя
• Мръсен филтър: Cv намалява с 50-75%
• Марж на дизайна: Размер за 2-3× необходимия Cv

Оразмеряване на регулатора

Регулаторите се нуждаят от достатъчен капацитет на потока за нуждите на потребителите надолу по веригата:

• Устойчив поток: Размер за максимален непрекъснат поток
• Периодичен поток: Размер за пиково моментно търсене
• Възстановяване на налягането: Обмислете времето за реакция на регулатора

Приложение за оразмеряване в реалния свят

Работих с Франческо, инженер-проектант от италиански производител на опаковъчни машини, за оразмеряване на компоненти за високоскоростна система от безпрътови цилиндри. Приложението изискваше:

• Дебит на цилиндъра: 35 SCFM на цилиндър
• Брой цилиндри: 6 единици
• Едновременна работа: максимум 4 цилиндъра
• Върхов поток: 4 × 35 = 140 SCFM

Резултати от оразмеряването на компонентите

• Главен контролен вентил: Изисквано Cv = 140/√8 = 49,5, избрано Cv = 65
• Разпределителен колектор: Оразмерен за капацитет 150 SCFM
• Индивидуални клапани: Изисквано Cv = 35/√5 = 15,7, избрано Cv = 20
• Подаващ тръбопровод: 2-инчов главен, 1-инчови клони

Правилно оразмерената система осигурява постоянна производителност при всички работни условия.

Съображения за преоразмеряване

Избягвайте прекомерното оразмеряване, което води до загуба на средства и енергия:

Проблеми с преоразмеряването

• По-високи разходи: По-големите компоненти струват повече
• Енергийни отпадъци: Прекалено големите системи консумират повече енергия
• Проблеми с контрола: Прекалено големите клапани могат да имат лоши характеристики на управление

Оптимален баланс на размера

• Изпълнение: Достатъчен капацитет за изискванията
• Икономика: Разумни разходи за компоненти
• Ефективност: Минимални загуби на енергия
• Бъдещо разширяване: Известно поле за растеж

Методи за проверка на размера

Проверка на размера на компонента чрез изпитване и анализ:

Тестване на производителността

• Измерване на дебита: Проверка на действителния и прогнозирания поток
• Изпитване на капката на налягането: Измерване на действителните загуби на налягане
• Производителност на системата: Изпитване при действителни условия на работа

Преглед на изчисленията

• Двойна проверка на математиката: Проверете всички изчисления
• Преглед на предположенията: Потвърждаване на валидността на проектните предположения
• Обмислете варианти: Отчитане на промените в работните условия

Документация за оразмеряване

Документирайте решенията за определяне на размера за бъдещи справки:

Изчисления на размера

• Показване на цялата работа: Стъпки за изчисление на документа
• Държавни допускания: Записване на проектните предположения
• Списък на факторите за безопасност: Обяснете решенията относно маржа

Спецификации на компонентите

• Изисквания за изпълнение: Документирайте изискванията за поток и налягане
• Избрани компоненти: Записване на действителните спецификации на компонентите
• Оразмеряване на полетата: Покажете използваните коефициенти на безопасност

Заключение

Преобразуването на въздушния поток в налягане изисква разбиране на съпротивлението на системата и използване на подходящи уравнения, а не на формули за директно преобразуване. Правилният анализ на зависимостите между потока и налягането осигурява оптимална работа на пневматичната система и надеждна работа на безпрътовите цилиндри.

Често задавани въпроси относно преобразуването на въздушен поток в налягане