Projektowanie instalacji sprężonego powietrza

 

 

Jak zaprojektować optymalną instalację sprężonego powietrza?

Remontować czy nie remontować? Oto tradycyjne pytanie, które pojawia się na każdym etapie eksploatacji obiektów technicznych, niezależnie od wielkości czy profilu produkcji. 
W czasach silnej konkurencyjności wszelkie procesy pomocnicze zaczynają być postrzegane jako istotne źródło rezerw poprawy efektywności funkcjonowania przedsiębiorstwa.

Sprężone powietrze jest najbardziej popularnym nośnikiem energii w większości zakładów przemysłowych. Jednak jest to bardzo drogie medium, gdyż w procesie sprężania tylko 15–18% energii zużywanej przez sprężarki jest zamieniane na energię sprężonego powietrza. Jak widać, jest to proces wysoce nieefektywny.
Dlatego też należy tak projektować i wykonywać instalacje sprężonego powietrza, aby koszt jego wytworzenia był jak najniższy.

Większość projektów instalacji sprężonego powietrza jest wykonywana przez projektantów instalacji sanitarnych i traktowana jako wyposażenie techniczne budynku. 

Jednak jakość tych projektów pozostawia wiele do życzenia. Zazwyczaj w tomie instalacje sanitarne jest to jeden krótki rozdział, w którym podaje się informację, że sprężarki będą typu X i projektuje się instalacje z rur np. ocynkowanych w formie pierścienia
dookoła hali. Szczegóły na rysunkach. Żadnych obliczeń, bilansu zużycia powietrza, nie mówiąc już o podaniu wielkości spadków ciśnienia dla takiej instalacji.

Spora część projektowanych instalacji opiera się na dotychczasowym doświadczeniu użytkownika. Projektant wstawia do projektu średnicę, jaką mu sugeruje użytkownik, „gdyż taką mamy i się sprawdza”. Jest to dość nieprofesjonalne podejście do tematu. O ile jednak istnieje stosunkowo dobre doradztwo w zakresie doboru takich urządzeń jak sprężarki i urządzenia do uzdatniania powietrza, to w zakresie projektowania rurociągów rozprowadzających sprężone powietrze brakuje poradników, jak to zrobić prawidłowo. 

Ustawa Prawo budowlane oraz rozporządzenia wykonawcze do tego aktu prawnego jasno określają, jakie instalacje stanowią wyposażenie techniczne budynku. Instalacje sprężonego powietrza gazów obojętnych oraz próżni nie są wyposażeniem technicznym budynków ani tym bardziej instalacjami sanitarnymi. Są to instalacje technologiczne. Muszą jednak spełniać warunek bezpieczeństwa określony w art. 5.1. ww. ustawy. Dotyczy to w szczególności bezpieczeństwa konstrukcji,bezpieczeństwa ppoż. i użytkowania, BHP oraz oszczędności energii! To ostatnie jest niezwykle istotne, gdyż od tego, jak zostaną dobrane poszczególne elementy instalacji, będą zależały koszty jej eksploatacji. 

 Aby zaprojektować energooszczędną instalację, należy dokładnie przeanalizować zapotrzebowanie w sprężone powietrze pod względem jego ilości, jakości, ciśnienia oraz jego zużycia w czasie.

Ilość zużywanego powietrza: pozwoli na właściwy dobór wszystkich elementów instalacji: sprężarek, filtrów, osuszaczy, zbiorników oraz średnic rurociągów.
Jakość powietrza: pozwoli dobrać odpowiednie osuszacze (ziębniczy czy może adsorpcyjny?) oraz filtry, tak aby zachować  odpowiednią klasę czystości powietrza.
Ciśnienie pracy: nie ma sensu sprężać powietrza do 10 bar po to, aby potem na maszynach redukować je do 6 bar.
Zużycie w czasie: pozwoli to dobrać odpowiedniej wielkości zbiorniki buforowe i ustawić je w pobliżu największych rozbiorów.
Dopiero po uzyskaniu od inwestora wszystkich powyższych informacji można się zabrać do projektowania.

Poniżej skupimy się na projektowaniu sieci/rurociągów do przesyłu sprężonego powietrza. Rurociągi te można podzielić na: zasilające (od sprężarkowni do hali/głównego ringu), rozprowadzające (najlepiej w formie ringu) oraz podłączeniowe (doprowadzają powietrze z ringu do urządzenia).

Wymiarowanie rurociągów

Przesyłanie powietrza w rurociągach generuje straty powodowane tarciem. Aby zminimalizować to zjawisko, dobrze jest stosować tzw. rury gładkie. Dodatkowe straty wywołują wszelkie zmiany kierunku przepływu (kolana, trójniki) oraz zawory, gdyż takie elementy „dławią” przepływ. Istnieją specjalne tabele podające informacje o „długościach przeliczeniowych” dla każdego z tych elementów zależnie od średnicy. Istnieją odpowiednie równania matematyczne, które można zastosować do obliczeń. Spadek ciśnienia w rurociągu można obliczyć: dP = 1.6 × 108 × [[(V1.85×L)/ (d5× P)] * gdzie: dP – spadek ciśnienia (bar) L – długość rurociągu (m) P – ciśnienie na wejściu do rurociągu (bar) V – ilość powietrza FAD (m3/s) d – średnica wewnętrzna rury (mm)

 

Jednak znacznie prostsze jest wykorzystanie Transair Flow Calculator. To specjalny program ułatwiający dobranie optymalnej średnicy rurociągu przy znanych parametrach takich jak: ilość zużywanego powietrza, ciśnienie pracy oraz długość instalacji. Dodatkowo jest tam także opcja doboru średnicy dla próżni. 

Bardzo ważne kryterium przy doborze średnicy rurociągu stanowi prędkość przepływu powietrza, gdyż ma ona istotny wpływ na wielkość spadku ciśnienia.

Dla głównych rurociągów: zasilającego i rozprowadzającego prędkość przepływu nie powinna przekraczać 10 m/s. W przypadku
rur podłączeniowych o długości do 15 m dopuszcza się maksymalną prędkość do 15 m/s.

Instalacja sprężonego powietrza powinna być tak zaprojektowana, aby spadek ciśnienia pomiędzy sprężarkownią a najbardziej odległym punktem poboru nie przekraczał 0,1 bar. Przy doborze średnic poszczególnych części instalacji sprężonego powietrza należy zastosować następujące kryteria

 

ΔP dla rurociągów zasilających – 0,03 bar
ΔP dla rurociągów rozprowadzających – 0,05 bar
ΔP dla rurociągów podłączeniowych – 0,02 bar
----------------------------------------------------------
Σ0,1 bar

Zbiorniki sprężonego powietrza na instalacji

Często użytkownicy żądają zaprojektowania zbiorników sprężonego powietrza ustawionych na końcu instalacji, uważając, że to im zapewni właściwe ciśnienie na końcu instalacji. Nic bardziej błędnego. Takie zbiorniki warto stosować w pobliżu urządzeń, które w krótkim czasie potrzebują dużej ilości powietrza. Zapobiegnie to „wyciąganiu” powietrza z całej instalacji.

Optymalizacja projektu rurociągów rozprowadzających Rurociągi sprężonego powietrza mają bardzo istotny wpływ na wydajność całego systemu oraz koszty jego eksploatacji. Zbyt małe średnice w stosunku do ilości przesyłanego powietrza powodują, że sprężarka musi pracować na wyższym ciśnieniu. Podniesienie ciśnienia na sprężarce to zwiększenie kosztów zużycia energii o ok. 7%. Instalacja powinna posiadać odpowiednią liczbę zaworów odcinających. Dlatego warto pogrupować odbiory tak, aby np. jedna maszyna lub linia produkcyjna była podłączona z jednego rurociągu zasilającego. Takie rozwiązanie znacznie ułatwia wszelkie prace serwisowe, bez wyłączania większej części zakładu. Minimalizuje to liczbę zaworów montowanych na rurociągach rozprowadzających, dzięki czemu możemy relatywnie zmniejszyć spadki ciśnienia. Daje to również możliwość opomiarowania zużycia sprężonego powietrza przez dane urządzenie. Ważny jest także materiał, z jakiego wykonane są rurociągi. Lekki, modułowy wykonany z aluminium system Transair pozwala na zminimalizowanie spadków ciśnienia, dzięki gładkim ścianom wewnętrznym oraz pełnoprzelotowym złączom. System ten gwarantuje też, że użytkownik będzie posiadał w punkcie poboru powietrze tej klasy, do jakiej je uzdatnił w sprężarkowni!

Podsumowanie Czasy, kiedy instalacje sprężonego powietrza budowało się na zasadzie „jedna rura dookoła hali” minęły bezpowrotnie. Obecnie należy instalacje projektować i wykonywać pod potrzeby konkretnej technologii, jakiej używa inwestor. Dostarczymy wówczas powietrze o żądanych parametrach (ciśnienie, ilość, klasa czystości) przy najniższym możliwym koszcie. Efektywny energetycznie system przyczynia się do znacznych oszczędności energii i dzięki temu do obniżenia kosztów produkcji.