Výpočty stlačeného vzduchu – tlakové straty, potrubie, úniky | ATSK

Výpočty pre systémy stlačeného vzduchu

Správny návrh systému stlačeného vzduchu nie je založený iba na výbere kompresora podľa výkonu elektromotora. Pri návrhu kompresorovej stanice a rozvodu stlačeného vzduchu je potrebné pracovať s viacerými technickými parametrami – prietokom, tlakom, tlakovými stratami, priemerom potrubia, objemom vzdušníka, únikmi vzduchu, odpadovým teplom a množstvom kondenzátu.

Na tejto stránke uvádzame základné výpočty používané pri návrhu a kontrole systémov stlačeného vzduchu.

Dôležité: Uvedené vzťahy slúžia najmä na orientačné technické výpočty. Pri návrhu konkrétnej kompresorovej stanice je potrebné zohľadniť pracovné podmienky, vlastnosti konkrétneho zariadenia, údaje výrobcu a celý systém od výroby až po miesto spotreby.

1. Základné veličiny pri návrhu stlačeného vzduchu

Pred samotným výpočtom je potrebné správne definovať základné veličiny.

Prietok vzduchu

Prietok určuje, aké množstvo vzduchu musí kompresor alebo potrubie dopraviť za jednotku času.

Používané jednotky:

• m³/min
• m³/h
• l/s
• Nm³/min
• Nl/s
• CFM

Pri porovnávaní údajov je veľmi dôležité vedieť, za akých referenčných podmienok je prietok uvedený.

Pri kompresoroch sa často používa údaj FAD – Free Air Delivery, teda dodávané množstvo vzduchu prepočítané na definované podmienky nasávania. ATSK upozorňuje, že pri dimenzovaní systému sa má vychádzať predovšetkým z prietoku a tlaku, nie iba z výkonu motora v kW.

2. Výpočet tlakovej straty v potrubí

Tlaková strata vzniká pri prúdení stlačeného vzduchu potrubím, ventilmi, filtrami, kolenami, armatúrami a ďalšími prvkami systému.

Na pôvodnej stránke ATSK je tento výpočet uvedený ako jeden zo základných výpočtov systému stlačeného vzduchu.

Všeobecne možno tlakové straty rozdeliť na:

• straty v priamom potrubí,
• straty v armatúrach a tvarovkách,
• straty vo filtroch,
• straty v sušičkách,
• straty v odlučovačoch a ďalších zariadeniach.

Pri návrhu preto nestačí posudzovať iba dĺžku potrubia.

Ekvivalentná dĺžka potrubia

K celkovej dĺžke potrubia je potrebné zohľadniť aj odpory tvaroviek a armatúr.

Orientačne možno použiť:

Lₑ ≈ L × 1,6

kde:

• Lₑ = ekvivalentná dĺžka potrubia [m],
• L = skutočná dĺžka potrubia [m].

Kaeser pri svojom výpočte tlakovej straty používa rovnaký princíp – menovitá dĺžka pozostáva z dĺžky priameho potrubia a ekvivalentných dĺžok jednotlivých armatúr. Pri orientačnom výpočte uvádza možnosť pripočítať približne 60 % k priamej dĺžke.

Čo ovplyvňuje tlakovú stratu?

Najmä:

• prietok vzduchu,
• vnútorný priemer potrubia,
• dĺžka potrubia,
• pracovný tlak,
• materiál a vnútorná drsnosť potrubia,
• počet kolien,
• ventily,
• T-kusy,
• filtre,
• sušičky,
• odlučovače.

Zásadný vplyv má vnútorný priemer potrubia.

Príliš malý priemer môže vytvoriť vysokú tlakovú stratu a následne prinútiť kompresor pracovať pri vyššom tlaku.

3. Výpočet potrebného priemeru potrubia

Pri návrhu potrubia sa nemá vychádzať iba z existujúceho priemeru kompresorovej prípojky.

Potrebný priemer závisí predovšetkým od:

• požadovaného prietoku,
• dĺžky potrubia,
• pracovného tlaku,
• prípustnej tlakovej straty,
• konfigurácie rozvodu.

Projektant pri dimenzovaní potrubia pracuje práve s týmito parametrami – prietokom, dĺžkou, systémovým tlakom a prípustnou tlakovou stratou.

Zjednodušený návrhový postup: 

1. Určiť maximálny požadovaný prietok.
2. Určiť minimálny pracovný tlak.
3. Zmerať alebo stanoviť celkovú dĺžku potrubia.
4. Zohľadniť tvarovky a armatúry.
5. Stanoviť prípustnú tlakovú stratu.
6. Zvoliť vnútorný priemer potrubia.
7. Skontrolovať výslednú tlakovú stratu.

Pri návrhu rozvodu je lepšie potrubie mierne predimenzovať než vytvoriť trvalé úzke miesto systému.

Predimenzovanie však musí mať ekonomický zmysel. Príliš veľký priemer zvyšuje investičné náklady bez primeraného technického prínosu.

4. Tlaková strata nie je iba strata v potrubí

Pri posudzovaní systému treba sledovať celkovú tlakovú stratu medzi kompresorom a miestom spotreby.

Do bilancie vstupujú napríklad:

kompresor → dochladzovač → filter → sušička → filter → vzdušník → potrubie → armatúry → odberové miesto

Ak má napríklad kompresor výstupný tlak 8 bar a na konci systému je k dispozícii iba 6,8 bar, rozdiel 1,2 bar nie je možné automaticky pripísať potrubiu.

Treba nájsť jednotlivé zdroje tlakovej straty.

ATSK vo svojom technickom manuáli odporúča pri kontrole systému spočítať tlakové straty všetkých komponentov a potrubí.

5. Výpočet únikov stlačeného vzduchu

Úniky predstavujú jeden z najčastejších zdrojov zbytočnej spotreby energie v systémoch stlačeného vzduchu.

Na pôvodnej stránke ATSK je uvedený výpočet úniku pomocou zmeny tlaku vo vzdušníku počas definovaného časového intervalu.

Pri meraní sa sledujú:

• objem vzdušníka Vᵦ [l],
• počiatočný tlak Pₐ [bar],
• konečný tlak Pₑ [bar],
• čas merania t [s].

Pri výpočte je zásadné používať absolútny tlak, teda tlak prepočítaný z manometrického tlaku:

p(abs) = p(g) + 1,013 bar

kde:

• p(abs) = absolútny tlak,
• p(g) = pretlak podľa manometra.

Prečo?

Vzduch sa pri poklese tlaku vo vzdušníku nerozťahuje lineárne podľa manometrického tlaku. Pri výpočte množstva unikajúceho vzduchu preto musí byť správne definovaný tlakový stav.

6. Úniky a ich energetický význam

Aj malý otvor môže pri vysokom tlaku predstavovať významnú stratu.

Typické miesta únikov:

• rýchlospojky,
• hadice,
• závitové spoje,
• ventily,
• pneumatické valce,
• odvodňovacie prvky,
• poškodené potrubie,
• armatúry.

Priemyselný systém by preto nemal byť posudzovaný iba podľa toho, či „niekde počuť syčanie".

Profesionálna kontrola sa vykonáva napríklad pomocou ultrazvukového detektora únikov a následne sa vyčísli množstvo unikajúceho vzduchu a energetická strata.

7. Výpočet objemu vzdušníka

Vzdušník slúži predovšetkým na:

• stabilizáciu tlaku,
• pokrytie krátkodobých špičiek,
• zníženie frekvencie spínania kompresora,
• tlmenie tlakových zmien,
• zhromažďovanie kondenzátu.

Veľkosť vzdušníka sa nedá správne určiť iba pravidlom:

„1 liter vzdušníka na 1 liter/minútu kompresora."

Takéto jednoduché pravidlo nemusí zohľadniť reguláciu kompresora ani skutočný pracovný režim.

ATSK uvádza pre kompresory s reguláciou Load/Unload vzťah, ktorý zohľadňuje FAD kompresora, tlakový rozdiel medzi Load a Unload, teplotu a maximálnu frekvenciu zaťaženia.

Pri viacerých kompresoroch sa pri príslušnom návrhovom postupe zohľadňuje aj najväčší kompresor v stanici.

Dôležité

Pri kompresore s frekvenčným meničom (VSD) môže byť potrebný objem vzdušníka výrazne odlišný. Preto treba použiť údaje konkrétneho výrobcu a regulácie.

8. Výpočet množstva kondenzátu

Stlačený vzduch obsahuje vodnú paru prijatú zo vzduchu pri nasávaní.

Po stlačení a následnom ochladení sa časť tejto vody zmení na kondenzát.

Množstvo kondenzátu závisí najmä od:

• teploty nasávaného vzduchu,
• relatívnej vlhkosti,
• množstva nasávaného vzduchu,
• kompresného tlaku,
• teploty po kompresii,
• účinnosti dochladzovania.

Na pôvodnej stránke ATSK je výpočet množstva kondenzátu uvedený medzi základnými výpočtami.

Praktický význam

Čím vyššia je:

teplota okolitého vzduchu,
relatívna vlhkosť,
kapacita kompresora,

tým väčšie množstvo vody môže systém vyprodukovať.

Pri olejom mazaných kompresoroch môže kondenzát obsahovať aj olej a nesmie sa automaticky vypúšťať do kanalizácie.

Preto je súčasťou správne navrhnutého systému aj hospodárenie s kondenzátom.

9. Výpočet odvádzania odpadového tepla

Kompresor premieňa elektrickú energiu prevažne na teplo.

Pri návrhu kompresorovne preto treba riešiť odvod tepla, najmä pri vzduchom chladených kompresoroch.

Na pôvodnej stránke ATSK je uvedený výpočet potrebného prierezu otvoru pre odvod odpadového tepla.

Základné veličiny:

• Azu [m²] – požadovaný prierez otvoru,
• Vᵥ [m³/h] – objemový prietok ventilátora,
• vₛ [m/s] – návrhová rýchlosť vzduchu.

Pri návrhu ventilácie je však potrebné okrem samotného prierezu zohľadniť aj:

• výkon kompresora,
• tepelné straty ďalších zariadení,
• teplotu okolitého priestoru,
• usporiadanie kompresorovne,
• spôsob odvádzania teplého vzduchu,
• automatickú reguláciu ventilácie.

Nestačí iba vytvoriť dostatočne veľký otvor v stene.

Vzduch musí cez kompresorovňu správne prúdiť.

10. Výpočet hladiny hluku viacerých kompresorov

Pri inštalácii viacerých kompresorov nemožno jednoducho sčítať hodnoty v dB(A).

Decibelová stupnica je logaritmická.

Pre viac rovnakých nezávislých zdrojov platí:

LΣ = Lᵢ + 10 log₁₀(n)

kde:

• LΣ = výsledná hladina hluku [dB(A)],
• Lᵢ = hladina hluku jedného zdroja [dB(A)],
• n = počet rovnakých zdrojov.

Príklad

Ak majú dva rovnaké kompresory každý:

70 dB(A)

výsledná hladina nebude 140 dB(A).

Pre dva rovnaké zdroje:

70 + 10 log₁₀(2) ≈ 73 dB(A)

Pre štyri rovnaké zdroje:

70 + 10 log₁₀(4) ≈ 76 dB(A)

Tento výpočet platí za predpokladov použiteľných pre daný model merania a priestorové podmienky. Reálna hladina hluku na konkrétnom mieste môže byť ovplyvnená odrazmi, vzdialenosťou, akustickými vlastnosťami miestnosti a ďalšími zdrojmi hluku.

11. Výpočet výkonu a špecifickej spotreby

Pri porovnávaní kompresorov nie je správne sledovať iba výkon elektromotora.

Dôležitá je špecifická energetická náročnosť.

Jedným zo spôsobov vyjadrenia je:

SER = P / Q

kde:

• SER = špecifická energetická náročnosť,
• P = príkon [W],
• Q = dodávaný prietok [l/s].

Výsledkom môže byť napríklad:

J/l

Atlas Copco uvádza SER ako množstvo energie potrebné na dodanie jednotky objemu FAD pri definovanom tlaku.

Príklad

Kompresor:

príkon = 35 kW
FAD = 100 l/s

Potom:

SER = 35 000 / 100 = 350 J/l

Takýto údaj je užitočnejší na porovnanie energetickej efektívnosti než samotný údaj „motor 35 kW".

12. Prečo pri výpočtoch používať FAD?

Pri porovnávaní kompresorov je potrebné rozlišovať medzi:

• geometrickým objemom,
• objemovým prietokom pri pracovnom tlaku,
• FAD,
• normovaným prietokom.

FAD – Free Air Delivery vyjadruje množstvo dodávaného vzduchu prepočítané na definované referenčné podmienky.

Preto dva katalógové údaje:

10 m³/min

nemusia byť priamo porovnateľné, ak výrobcovia používajú rozdielne referenčné podmienky.

Pri technickom porovnávaní je preto potrebné vždy skontrolovať:

• referenčný tlak,
• teplotu,
• vlhkosť,
• miesto merania,
• príslušnú normu alebo metodiku merania.

13. Tlak – bar(g) verzus bar(a)

Pri výpočtoch stlačeného vzduchu je veľmi dôležité rozlišovať:

bar(g)

Pretlak voči atmosférickému tlaku.

Bežne ho ukazuje manometer.

bar(a)

Absolútny tlak.

Platí približne:

p(a) = p(g) + 1,013 bar

Napríklad:

7 bar(g) ≈ 8,013 bar(a)

Pri jednoduchých prevádzkových údajoch sa často pracuje s bar(g), ale pri fyzikálnych výpočtoch plynov je potrebné správne používať absolútny tlak.

14. Výpočet tlakovej straty – praktický postup

Pri návrhu rozvodu stlačeného vzduchu odporúčame postupovať nasledovne:

Krok 1 – určte prietok

Zistite maximálnu požadovanú spotrebu v m³/min alebo l/s.

Krok 2 – určte pracovný tlak

Napríklad:

7 bar(g)

Krok 3 – zmerajte alebo stanovte dĺžku potrubia

Započítajte hlavnú trasu aj kritické odbočky.

Krok 4 – zohľadnite tvarovky

Kolená, ventily, T-kusy a redukcie predstavujú dodatočný odpor.

Krok 5 – určte prípustnú tlakovú stratu

Tá by mala byť čo najnižšia, ale ekonomicky odôvodnená.

Krok 6 – stanovte priemer potrubia

Použite výpočtový nástroj alebo technické tabuľky výrobcu.

Krok 7 – skontrolujte celý systém

Do výslednej tlakovej bilancie zahrňte aj:

• filtre,
• sušičku,
• odlučovače,
• ventily,
• armatúry,
• potrubie.

Takýto postup je podstatne spoľahlivejší než jednoduché dimenzovanie potrubia iba podľa priemeru výstupu z kompresora.

15. Výpočty sú základom energeticky efektívneho systému

Správne výpočty majú priamy vplyv na prevádzkové náklady.

Nesprávne navrhnutý systém môže mať napríklad:

• príliš vysoký pracovný tlak,
• malé potrubie,
• vysoké tlakové straty,
• nadmerné úniky,
• nesprávne dimenzovaný vzdušník,
• nedostatočné chladenie,
• zbytočne vysokú spotrebu elektrickej energie.

Pri veľkých systémoch preto odporúčame výpočty doplniť o meranie skutočných prevádzkových parametrov.

16. Výpočty verzus meranie

Výpočet je iba taký kvalitný, ako sú kvalitné jeho vstupné údaje.

Pri návrhu alebo optimalizácii kompresorovej stanice je vhodné merať najmä:

• tlak,
• prietok,
• elektrický príkon,
• teplotu,
• rosný bod,
• časový priebeh spotreby,
• úniky stlačeného vzduchu.

Ak napríklad nepoznáme skutočnú spotrebu, môžeme kompresorovú stanicu predimenzovať.

A to je z ekonomického hľadiska podstatný problém.

Kompresorová stanica sa má dimenzovať podľa reálnej potreby stlačeného vzduchu, nie podľa maximálneho teoretického odberu zariadení.

17. Výpočty systému stlačeného vzduchu od ATSK

ATSK pri návrhu systémov stlačeného vzduchu pracuje s technickými parametrami celej sústavy – od výroby stlačeného vzduchu až po jeho distribúciu a miesto spotreby.

Pri návrhu alebo optimalizácii možno posudzovať napríklad:

• potrebný výkon kompresorovej stanice,
• tlakové straty,
• dimenzovanie potrubia,
• objem vzdušníkov,
• úniky stlačeného vzduchu,
• energetickú náročnosť,
• odpadové teplo,
• úpravu stlačeného vzduchu,
• vznik a spracovanie kondenzátu.

Cieľom nie je vybrať čo najväčší kompresor. Cieľom je navrhnúť systém, ktorý zabezpečí požadovaný prietok a tlak pri čo najnižších celkových prevádzkových nákladoch.

Často používané výpočty
Výpočet Hlavné vstupy Výsledok
Tlaková strata prietok, dĺžka, priemer, tlak Δp
Priemer potrubia prietok, dĺžka, tlak, Δp DN / vnútorný priemer
Únik vzduchu objem vzdušníka, tlak, čas l/s
Objem vzdušníka FAD, tlakový rozdiel, regulácia V [l]
Kondenzát prietok, tlak, teplota, vlhkosť množstvo vody
Hluk dB(A), počet zdrojov LΣ [dB(A)]
Odpadové teplo tepelný výkon, prietok vzduchu požadované chladenie
Energetická náročnosť príkon, FAD SER
Tlak bar(g), bar(a) absolútny/manometrický tlak

Záver

Výpočty systému stlačeného vzduchu nie sú samoúčelné. Ich úlohou je pomôcť pri správnom dimenzovaní kompresora, potrubia, vzdušníkov a úpravy vzduchu a zároveň identifikovať energetické straty systému.

Pri technickom návrhu je potrebné vždy rozlišovať medzi orientačným výpočtom a projektovým návrhom konkrétnej inštalácie.

Najdôležitejšie vstupné údaje sú prietok, tlak a reálny profil spotreby. Výkon elektromotora kompresora je až následný výsledok výberu. Tento prístup zodpovedá aj odporúčaniam výrobcov kompresorovej techniky.

niektoré vzorce použivané pri návrhu systému stlačený vzduch 

Základný vzorec:

∆ p (bar) - pokles tlaku v systéme

V (m3/min) - prietok stlačeného vzduchu

L (m) - dĺžka potrubia

d (mm) - vnútorný priemer potrubia

Pe (bar) - vypínací tlak kompresora

Základný vzorec

L∑ - celková hladina hluku

n - počet kompresorov v kompresorovej stanici

Li - (dB(A))- hladina hluku 1 kompresora

Základný vzorec 

V (m3/min) - celkový  objemová rychlost prietoku stlačeného vzduchu v potrubí stlačeného vzduchu 

L (m) - dĺžka potrubia stlačeného vzduchu 

∆ p  (bar) - prijateľný pokles tlaku  na konci potrubia stlačeného vzduchu

pmax (bar) - vypínací tlak kompresora

Základný vzorec 

 V (l/s) - úniky zo systému stlačený vzduch

 VB (l)- Objem vzdušníka

 PA (bar)- Počiatočný tlak vo vzdušníku

 PE (bar)- Tlak vo vzdušníku na konci merania

 t (s)- čas merania

Základný vzorec

Azu (m2) - prierez

Vv (m3/h) -  ventilátor výstup    

Vs (m/s) - rýchlosť prúdenia ( od 3 do 5 m/s)

Základný vzorec 

Spoločnost ALMiG Kompresory pripravila novú aplikáciu Almig Calc

Aplikáciu pre výpočty stlačeného vzduchu The Compressed Air Calc je možné zdarma stiahnúť z AppStore, Google Play, Windows Store ...

Aplikácia Almig Calc

Českou aplikaci pro výpočty stlačeného vzduchu Almig Calc lze zdarma stáhnout z AppStore, Google Play a Windows Store. Výpočty slouží k optimalizaci kompresorových stanic, například tlakových ztrát či množství úniku. Aplikaci lze provozovat na nejrozšířenějších chytrých mobilních telefonech i na PC s Windows 10. Aplikaci si stáhnete např. naskenováním QR kódu z letáku, nebo zadáním názvu Almig Calc ve vašem app storu.
Více informací v PDF letáku o aplikaci.