Razvodna mreža i strujanje zraka

Oblici razvodne mreže

Razvodna mreža sastoji se od glavnog voda koji izlazi iz kompresorske stanice, razvodnih vodova položenih uzduž hala i radnih mjesta te priključnih vodova koji se spuštaju do pojedinog stroja i završavaju pripremnom grupom. Prema tlocrtnom rasporedu razlikuju se dva osnovna oblika.

Slijepa (razgranata) mreža polazi od stanice i grana se prema potrošačima, a svaka grana završava slijepo. Jednostavna je, kratka i jeftina, ali zrak do najudaljenijeg potrošača struji samo jednim putem. Kad se istodobno uključi više potrošača, tlak na kraju grane primjetno padne. Svaki zahvat na glavnom vodu zaustavlja sve iza njega.

Prstenasta mreža zatvara glavni vod u prsten oko hale. Zrak do svakog potrošača dolazi s dviju strana, pa je brzina strujanja približno upola manja, a pad tlaka bitno manji nego u slijepom vodu istog promjera. Zapornim ventilima prsten se dijeli na dionice koje se mogu zasebno odvojiti radi popravka ili proširenja, dok ostatak pogona radi. Prstenasta mreža je skuplja, ali je danas uobičajena za proizvodne hale. U velikim pogonima prsten se dodatno premošćuje poprečnim vodovima (kombinirana ili mrežasta izvedba), čime tlak postaje gotovo jednak u cijeloj hali.

Pravila polaganja mreže

Nakon sušača zrak može sadržavati malo vode, a bez sušača ili pri kvaru sušača mnogo. Kondenzat nastaje i u samoj mreži kad vodovi prolaze hladnijim prostorima. Zato se mreža polaže tako da voda ne može stići do potrošača:

• Nagib. Razvodni vodovi polažu se s padom od 1 do 2 % u smjeru strujanja, dakle 1 do 2 cm na metar, prema najnižim točkama.
• Ispusti kondenzata postavljaju se na najnižim točkama, na krajevima vodova i ispred uspona. Na njih dolaze sakupljači kondenzata s ručnim ili automatskim ispustom.
• Odvojci s gornje strane. Priključni vod ne smije se odvajati s donje strane glavnog voda, jer bi u njega slijevao kondenzat koji teče po dnu cijevi. Odvojak se izvodi prema gore i zatim luk prema dolje, oblikom „labuđeg vrata".
• Silazni vod do potrošača završava ispod priključka pripremne grupe sakupljačem kondenzata s ispustom; pripremna grupa priključuje se bočno, iznad njega.
• Zaporni ventili na početku svakog razvodnog voda i ispred svakog stroja omogućuju održavanje bez zaustavljanja cijelog pogona.
• Pristupačnost. Vodovi se polažu vidljivo, na nosačima, dalje od izvora topline, označeni bojom ili naljepnicama sa smjerom strujanja.

Materijali cijevi

Izbor materijala ovisi o tlaku, promjeru, zahtjevima čistoće, uvjetima okoline i o tome koliko će se mreža mijenjati. Svaki materijal mora biti izričito predviđen za stlačeni zrak pri radnom tlaku i temperaturi.

Za priključne vodove unutar stroja i do izvršnih elemenata koriste se savitljiva crijeva od poliuretana (PU) i poliamida (PA) s utičnim spojnicama. Poliuretan je savitljiviji, poliamid čvršći i otporniji na temperaturu i tlak. Crijeva se označavaju vanjskim promjerom, npr. 6 mm ili 8 mm, a unutarnji promjer, koji određuje protok, osjetno je manji.

Strujanje zraka u vodovima

Pri strujanju kroz vod bez grananja ista masa zraka u sekundi prolazi svakim presjekom. To je jednadžba kontinuiteta. Za kapljevine i za plin pri približno stalnom tlaku može se pisati u volumnom obliku:

Q = A₁ · v₁ = A₂ · v₂   →   v = Q / A

Kod stlačenog zraka treba paziti koji je protok zadan. Isporuka kompresora i potrošnja potrošača iskazuju se kao protok sveden na atmosferske uvjete (Nl/min, FAD), a brzinu u cijevi određuje radni protok pri tlaku u vodu. Uz približno stalnu temperaturu vrijedi Q_rad = Q_N · p_atm / p_aps. Isporuka kompresora SL-3 od 0,8 m³/min pri 6 bar pretlaka zauzima u cijevi samo 0,8 · 1,013 / 7,013 = 0,116 m³/min, odnosno 1,93 l/s. U čeličnoj cijevi unutarnjeg promjera 27,3 mm (DN25) brzina iznosi 3,3 m/s.

Brzina se u mreži ograničava jer pad tlaka raste približno s kvadratom brzine, a velika brzina povlači kondenzat dalje od ispusta. Orijentacijske preporuke: u glavnom i razvodnom vodu do oko 6 do 8 m/s, u priključnim vodovima i crijevima kratke duljine do 15 m/s i više. To su preporuke za ekonomičan rad, a ne fizikalne granice.

Način strujanja određuje Reynoldsov broj Re = v · d / ν, gdje je ν kinematička viskoznost. Ispod Re ≈ 2 300 strujanje je laminarno: slojevi zraka klize paralelno, a pad tlaka raste linearno s brzinom. Iznad toga strujanje je turbulentno, s vrtlozima i miješanjem po presjeku, a pad tlaka raste približno s kvadratom brzine. Stlačeni zrak pri 6 bar ima gustoću oko 8,3 kg/m³ i kinematičku viskoznost oko 2,2 · 10⁻⁶ m²/s; u primjeru DN25 pri 3,3 m/s Re iznosi oko 41 000. U mrežama stlačenog zraka strujanje je praktički uvijek turbulentno.

Pad tlaka u ravnoj cijevi računa se Darcyjevim izrazom, a u koljenima, T-komadima, ventilima i suženjima dodaju se lokalni gubici:

Δp = (λ · L / d + Σζ) · ρ · v² / 2

Koeficijent trenja λ u turbulentnom području iznosi za cijevi stlačenog zraka obično 0,02 do 0,03 i ovisi o hrapavosti stijenke, a koeficijenti lokalnih gubitaka ζ za pojedine oblike daju se u tablicama. U praksi se lokalni gubici češće iskazuju ekvivalentnom duljinom: duljinom ravne cijevi istog promjera koja ima jednak pad tlaka. Orijentacijske vrijednosti za DN25: koljeno s velikim polumjerom oko 0,3 m, oštro koljeno 90° oko 1,5 m, T-komad u odvojku oko 2 m, potpuno otvorena kuglasta slavina oko 0,3 m. Za ostale promjere i oblike vrijednosti se uzimaju iz tablica proizvođača.

Dimenzioniranje vodova

Vod se dimenzionira tako da ukupni pad tlaka od kompresorske stanice do najudaljenijeg potrošača ne premaši dopuštenu vrijednost, uobičajeno 0,1 bar za razvodnu mrežu. Svaki bar pada tlaka mora se nadoknaditi višim tlakom kompresora, a kompresija na 1 bar viši tlak traži približno 6 do 8 % više energije; zato se veći promjer cijevi redovito isplati. Za prvu procjenu promjera koristi se iskustveni izraz:

d = ⁵√( 1,6 · 10³ · Q^1,85 · L / (Δp · p) )

U izrazu je d unutarnji promjer u metrima, Q protok sveden na atmosferske uvjete u m³/s, L proračunska duljina u metrima (stvarna duljina uvećana za ekvivalentne duljine armature), Δp dopušteni pad tlaka u Pa i p apsolutni tlak u Pa. Za isporuku kompresora SL-3 (Q = 0,8 m³/min = 0,0133 m³/s), proračunsku duljinu 80 m, Δp = 0,1 bar = 10 000 Pa i p = 7,013 bar = 701 300 Pa dobiva se d ≈ 22,8 mm. Odabire se prvi veći standardni promjer, npr. DN25 s unutarnjim promjerom 27,3 mm.

Provjera Darcyjevim izrazom uz λ = 0,025 daje za 80 m DN25 pri 3,3 m/s pad od oko 0,033 bar, dakle ispod dopuštenih 0,1 bar. Budući da se pogoni šire, a zamjena ugrađene cijevi većom skupa je, preporučuje se mrežu dimenzionirati za očekivani protok za nekoliko godina unaprijed, a ne samo za današnje potrošače.

Propuštanja i njihov trošak

Svaka mreža propušta: na navojnim spojevima, brzim spojkama, crijevima, ispustima kondenzata, brtvama klipnjača i razvodnicima. Propuštanje se ne vidi, a u bučnom pogonu ni ne čuje, ali kompresor ga nadoknađuje danju i noću, sve dok je mreža pod tlakom. U slabo održavanim mrežama udio propuštanja nerijetko iznosi 20 do 30 % i više od isporuke kompresora; u dobro održavanim mrežama cilj je ispod 10 %. To su procjene iz prakse, a stvarni udio treba izmjeriti.

Protok kroz otvor pri tlaku većem od približno 0,9 bar pretlaka je nadkritičan: zrak u najužem presjeku postiže brzinu zvuka i protok više ne ovisi o tlaku okoline, nego samo o apsolutnom tlaku ispred otvora. Maseni protok zraka tada je

ṁ = 0,0404 · C_d · A · p_1aps / √T   [kg/s, uz A u m², p u Pa, T u K]

gdje je C_d koeficijent istjecanja, za oštre rupe i pukotine oko 0,6 do 0,8. Protok propuštanja dijeli se gustoćom slobodnog zraka (oko 1,2 kg/m³) i pretvara u l/min. Rupa promjera 1 mm pri 6 bar i C_d = 0,8 propušta oko 52 l/min, gotovo trostruko više od cjelokupne potrošnje naprave SL-3 (17,6 Nl/min). Rupa od 3 mm propušta oko 470 l/min, više od polovice isporuke kompresora od 0,8 m³/min.

Mjerenje propuštanja provodi se izvan radnog vremena, kad su svi potrošači zatvoreni, a mreža je pod tlakom. Prvi način: mjeri se vrijeme rada kompresora t_r i vrijeme stajanja t_s u nekoliko ciklusa; propuštanje je Q_p = Q_k · t_r / (t_r + t_s). Ako kompresor od 0,8 m³/min u deset minuta radi ukupno 1,5 minute, propuštanje iznosi 0,12 m³/min. Drugi način: kompresor se isključi i mjeri se vrijeme t u kojemu tlak u spremniku i mreži ukupnog volumena V padne za Δp; tada je Q_p = V · Δp / (p_atm · t). Za 270 l spremnika i procijenjenih 130 l mreže, uz pad s 8 na 7 bar za 4 minute, dobiva se oko 99 l/min.

Propuštanja se traže ultrazvučnim detektorom, koji hvata šum istjecanja i u bučnom pogonu, ili otopinom sapunice na sumnjivim spojevima. Pronađena mjesta označavaju se privjescima, upisuju u popis i otklanjaju redom prema veličini. Izvan radnog vremena preporučuje se zatvoriti zaporne ventile dionica ili isključiti kompresor.

Računski prikaz: trošak propuštanja

Prikaz računa protok propuštanja kroz okruglu rupu zadanog promjera pri zadanom tlaku, električnu snagu koju kompresor troši na njegovu nadoknadu, godišnju potrošnju energije i godišnji trošak. Specifična snaga kompresora je omjer električne snage i isporuke; za kompresor SL-3 iznosi 5,5 kW / 0,8 m³/min ≈ 6,9 kW po m³/min.

Za rupu od 1 mm pri 6 bar, C_d = 0,8, 4 000 sati pod tlakom godišnje (dvije smjene) i cijenu 0,15 €/kWh propuštanje iznosi oko 52 l/min i traži 0,36 kW, odnosno oko 1 430 kWh i približno 215 € na godinu. Rupa od 3 mm stoji već oko 1 930 € na godinu, a od 5 mm više od 5 300 €. Deset malih propuštanja od 1 mm, što nije neobično za stariju mrežu, stoji približno koliko jedno srednje od 3 mm. Snižavanjem tlaka mreže na stvarno potrebnu vrijednost smanjuje se i propuštanje, jer protok raste s apsolutnim tlakom ispred otvora.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V1 Proračun pneumatskog sustava · 1 sat