Luento 13. Energian siirto Energian varastointi Järjestelmän lämpeneminen Järjestelmän ylläpito Kertausta, osa 1 (pumppujen käyttökohteita)

Transkriptio

1 Luento 13 Energian siirto Energian varastointi Järjestelmän lämpeneminen Järjestelmän ylläpito Kertausta, osa 1 (pumppujen käyttökohteita) BK60A0100 Hydraulitekniikka 1

2 Energian siirto Yleistä: Energian siirto tapahtuu komponenttien välisiä virtauskanavia pitkin Voidaan toteuttaa järjestelmässä käytettävien komponenttien mukaan käyttämällä joko - Putkia, letkuja, asennuslaattoihin ja lohkoihin tehtyjä porauksia tai moduulirakenteisten komponenttien läpi kulkevia virtausteitä Käytännössä hydraulijärjestelmää ei kokonaisuudessaan voida toteuttaa asennuslaattoihin ja -lohkoihin tai moduulirakenteisiin komponentteihin perustuen Pumppujen, venttiileiden, toimilaitteiden ja huoltolaitteiden sijoittaminen yhdeksi keskitetyksi kokonaisuudeksi edellyttäisi erikoisvalmisteisten komponenttien käyttöä - Lisäksi komponenteille varatut tilat ja/tai järjestelmän ohjaukselle asetetut vaatimukset estäviä tekijöitä Tällöin osa järjestelmän komponenteista tulee sijoittaa suhteellisen kauas toisistaan - > Virtauskanavien toteutus putkistokomponenteilla (putket, letkut, liittimet) Virtaushäviöiden minimointi 2

3 Energian varastointi Hydraulijärjestelmän energian varastoinilla pyritään - Järjestelmän ominaisuuksien parantamiseen - Toiminnan varmistamiseen poikkeustilanteissa Hydraulinesteen alhainen kokoonpuristuvuus normaalilla käyttöpainealueella estää suurten hydrostaattisten energiamäärien varastoinnin nesteeseen itseensä -> Energia varastoitava nesteen ulkopuolelle Energia voidaan varastoida kaasuun, jouseen tai ylösnostettuun massaan Hydrostaattista energiaa varaavat laitteet (paineakut) perustuvat kaasun käyttöön, muut menetelmät harvinaisia Paineakkuja voidaan käyttää tilavuusvirtalähteenä, järjestelmän paineen ylläpitäjänä, värähtelyjen ja paineiskujen tasaajana sekä energiavarastona poikkeustilanteiden varalta 3

4 Energian varastointi Paineakut: - Energian varastoinnin jälkeen akkua voidaan energialähteenä joko pumpun rinnalla tai sen sijasta - Kaasutäytteiset akut koostuvat kahdesta kammiosta, joita erottaa kaasun ja nesteen sekoittumisen estävä liikkuva väliseinä - Varastointi tapahtuu täyttämällä akun nestetila paineistetulla nesteellä -> Väliseinä puristaa liikkuessaan kaasua kokoon -> Kaasun energiamäärä kasvaa - Hydraulijärjestelmän paine laskee -> laajeneva kaasu työntää nesteen takaisin järjestelmään - Vähäiset häviöt energian varastoinnin ja käyttöönoton yhteydessä - Rakko-, kalvo- tai mäntärakenne - Kaasuna useimmiten typpi (neutraali kaasu) - Akkuja sisältävien järjestelmien käsittelyssä tulee olla huolellinen! 4

5 Tilavuusvirtalähde Energian varastointi Paineen ylläpito Paineiskujen vaimentaminen Tilavuusvirtavaihteluiden tasaaminen 5

6 Paineakun ominaisuudet: Energian varastointi Tarvittavan paineakun koko riippuu alimman ja korkeimman käyttöpaineen suhteesta p 2 / p 3 sekä haluttavasta tilavuusvirrasta (tyhjennysnopeus) Paineita p 2 ja p 3 vastaavat kaasun tilavuudet V 2 ja V 3 -> Akun sisältämä suurin nestetilavuus V V 2 V 3 Akku ei saa tyhjentyä täysin nesteestä -> esitäyttöpaine % alle alin käyttöpaine Alinta käyttökelpoista painesuhdetta rajoittavat kaasun suuret lämpötilanmuutokset tilavuuden muuttuessa sekä rakko- ja kalvoakkujen elastisiin väliseiniin kohdistuvat muodonmuutosrasitukset Kaasun tilavuuden muutosnopeus vaikuttaa akusta saatavaan nestetilavuuteen - Mitä nopeammin akku tyhjennetään sitä pienempi on saatava tilavuus Kun kaasun tilavuus muuttuu, muuttuvat myös kaasun lämpötila ja paine Tilanmuutokset voivat tapahtua joko isotermisesti, adiapaattisesti tai polytrooppisesti 6

7 7 Energian varastointi n p p n p p V V vakio n V p Ideaalikaasulle pätee n V p n V p Edellisen perusteella tilavuuksien V 2 ja V 3 välinen muutos Paineakusta saatava nestetilavuus V K = korjauskerroin Edellä esitettyjä yhtälöitä voidaan soveltaa riittävällä tarkkuudella myös reaalikaasuihin alle 20 MPa käyttöpaineilla n p p V K V Esitäyttöpainetta p 1 vastaava nimelliskoko V 1 Yleisesti paineakun nimelliskoko määritellään suoraan valmistajien käyrästöistä tarvittavan nestetilavuuden ja käyttöpainetason avulla

8 Järjestelmän lämpeneminen Järjestelmän tehohäviöt muuttuvat nesteen ja mekaanisten osien lämmöksi Osa lämmöstä varastoituu laitteeseen ja osa siirtyy ympäristöön joko johtumalla tai säteilemällä putkiston, komponenttien ja säiliön pinnalta Käyttölämpötilan pysyminen ennalta määrätyssä arvossa tärkeää, sillä poikkeamat johtavat kasvaviin tehohäviöihin, voitelun heikkenemiseen, komponenttien rikkoutumisvaaraan ja toimintahäiriöihin Mikäli lämmönsiirto johtumalla ja säteilemällä ei ole riittävä -> jäähdytystä tulee lisätä jäähdyttimillä ja/ tai parantamalla hydraulilaitteiston ympäristön ilmanvaihtoa Järjestelmästä pois siirtyvän lämmön määrää on vaikea arvioida, koska - Lämpö siirtyy eri nopeudella järjestelmän eri osissa - Jäähdytyspinta-alojen tarkka määritys hankalaa - Yleensä huomioidaan vain säiliön kautta siirtyvä lämpö ja pitkien putkistojen järjestelmissä myös putkien kautta siirtyvä lämpö 8

9 Järjestelmän lämpeneminen Järjestelmissä syntyvää lämpötehoa voidaan arvioida työkierrolle lasketun kokonaishyötysuhteen ja ottotehon avulla Ts. lämpöteho = työkierron aikana syntyvä häviöteho P P P P (1 lämpö1 lhäviö ltkotto ltkanto ltkotto tkkok P ), jossa P lämpö1 =keskim lämpöteho aikayksikössä Käyttölämpötilan asettuminen: järjestelmästä pois siirtyvä lämpöteho = häviöistä aiheutuva P k A ( t t lämpö 2 1 h k u ), jossa k 1 = lämmönläpäisykerroin [W/m 2 K] A h = jäähdytyspinta-ala [m 2 ] t k = käyttölämpötila [K] t u = ulkolämpötila [K] Säiliön jäähdytystä laskettaessa jäähdytyspinta-ala nesteeseen kosketuksissa oleva ala Pohjapinta-alaa ei voida huomioida, mikäli säiliö ei ole nostettu tarpeeksi korkealle lattiasta Järjestelmän käyttölämpötila yleisimmin ºC, synteettisiä nesteitä käytettäessä jopa yli 100 ºC Sallittuun ja vallitsevaan käyttölämpötilaan vaikuttavat nestelaji, tehohäviöt ja käytetyt materiaalit 9

10 Järjestelmän ylläpito Hydraulijärjestelmän pitkän käyttöiän ja häiriöttömän toiminnan varmistaminen - Riittävä hydraulinesteen puhtaus (Suodattimet) Epäpuhtauksien määrän kasvu nesteessä nopeuttaa komponenttien kulumista ja lisää toimintahäiriöitä - Sopiva käyttölämpötila (Lämmönsiirtimet ja säiliö) Nesteen väärä lämpötila johtaa liian korkean tai alhaisen viskositeetin myötä häviöiden ja kulumisen kasvuun Suodattimet jaetaan joko tehtävän tai sijoituspaikkansa perusteella: - Työsuodattimet tehtävänä ylläpitää järjestelmään valittu puhtausluokka, suuri epäpuhtauskapasiteetti - Suojasuodattimet - tehtävänä estää ulkopuolisten epäpuhtauksien pääsy järjestelmään ja vauriotilanteessa suojata herkimpiä komponentteja. Käytetään työsuodattimen ohella. - Sijoituspaikan mukaan: Imu-, paine-, paluu-, sivuvirta- sekä täyttö- ja huohotinsuodattimet Lämmönsiirtimet (tavallisesti mittaus säiliöstä ja ohjaus termostaatilla tai lämpötilasäätimellä) - Jäähdyttimet: Ilma- tai vesijäähdytin, asennus yleensä paluukanaviin - Kuumentimet: Uppokuumennin säiliössä tai läpivirtauslämmitin sivuvirtauspiirissä / paluukanavassa 10

11 Järjestelmän ylläpito 11

12 Kertausta Pumppujen käyttökohteita - Hammaspyöräpumput Ulkoryntöiset: Edullisuus, suhteellisen hyvä hyötysuhde kok 0,9-0,93, pyörimisnopeusalue r/min, suurimmat sallitut paineet MPa (erikoisratkaisuin jopa 32 MPa) - Käytetään paljon sekä kiinteissä teollisuusjärjestelmissä että liikkuvassa kalustossa Sisäryntöiset: Hyötysuhde parhaimmillaan kok 0,93, pyörimisnopeusalue r/min, suurimmat sallitut paineet MPa (kompensoituna jopa 30 MPa) - Käytetään pyrittäessä alhaiseen melutasoon, hyvään imukykyyn ja tasaisempaan tilavuusvirtaan sekä erilaisissä pumppuyhdistelmissä joko rinnan tai sarjaan kytkettynä Ruuvipumput - Huono hyötysuhde keskimäärin kok 0,7-0,8, suuret pyörimisnopeudet, jopa r/min (tasainen virtaus), suuret tilavuusvirrat kooltaan pienikokoisilla pumpuilla, suurimmat sallitut paineet MPa (vuodot kasvavat paineen noustessa) - Sovellukset, joissa vaaditaan tasaista tilavuusvirtaa, äänetöntä käyntiä, hyvää imukykyä ja pitkää käyttöikää (esim. työstökoneet, hissit ja siirtopumput) 12

13 Siipipumput Kertausta Yksikammioiset: Hyötysuhde keskim kok 0,8-0,9, pyörimisnopeusalue r/min, käyttöpaineet n. 18 MPa (pienet) ja 7-14 MPa (suuremmat), hyvä imukyky, tasainen tilavuusvirta - Säätötilavuuksiset sovellukset, joissa vaaditaan tasaista tilavuusvirtaa, alhaista melutasoa, hyvää imukykyä ja mahdollisesti virtaussuunnan vaihtoa Monikammioiset: Ominaisuudet kuten yksikammioisilla, hyötysuhde keskim kok 0,85-0,92, pyörimisnopeusalue r/min, suurimmat sallitut paineet n. 21 MPa (jatkuva käyttö) - Vakiotilavuuksiset sovellukset, joissa vaaditaan tasaista tilavuusvirtaa, alhaista melutasoa ja hyvää imukykyä Mäntäpumput Rivimäntäpumput: Heikko hyötysuhde kok 0,7, käyttöpaineet n MPa (koska hyvä vol 0,95-0,98), erikoismallit jopa 250 MPa, pyörimisnopeusalue <600 r/min (kampimekanismi) ja r/min (epäkeskopumput) - Avoimet järjestelmät (esim. valukoneet, koestuslaitteet, polttoaineen syöttölaitteet sekä nesteiden pumppauslaitteet) 13

14 Kertausta Radiaalimäntäpumput Sisäiset virtauskanavat: Parhaimmillaan kok 0,9, pyörimisnopeusalue r/min, käyttöpaineet n. 45 MPa (pienet), hyvä imukyky, ahtaat virtauskanavat -> virtaushäviöt kasvavat nopeasti tilavuusvirran myötä - Vakiotilavuuksiset sovellukset (myös säätötilavuus mahd. ), avoimet ja suljetut järjestelmät (esim. työstökoneet, puristimet, nosturit ja liikkuva kalusto) Ulkoiset virtauskanavat: Hyötysuhde kok 0,88-0,92, pyörimisnopeusalue r/min, käyttöpaineet n MPa, huono imukyky (syöttöpumpun tarve alhaisilla pyörimisnopeuksilla), vuodot männän ohitse kasvavat paineen noustessa - Vakiotilavuuksiset sovellukset (myös säätötilavuus mahd. ), avoimet järjestelmät (esim. järeät työstökoneet, puristimet, nosturit, jätepuristimet ja liikkuva kalusto) 14

15 Aksiaalimäntäpumput Kertausta Staattoriaksiaalirakenne: yksinkertainen rakenne, pienet vuotohäviöt ja lyhyet virtauskanavat (pienet virtaushäviöt), haittoina vinolevyn tasapainottamattomat massavoimat ja mäntien kitkat, käyttöpaineet n MPa, pyör.nopeusalue r/min, kok 0,9 - Vakiotilavuuksinen, avoimet järjestelmät (esim. maansiirtokoneet, nosturit, hihnakuljettimet, lentokoneet) Suoraroottorirakenne: vinolevyn säätölue -18º º, yksinkertainen rakenne, kierrostilavuuden nopea säätömahdollisuus, huono imukyky (avoimissa järjestelmissä tarvitaan syöttöpumppu), käyttöpaineet n MPa, pyör.nopeusalue r/min, kok 0,9 - Säätötilavuuksinen, avoimet ja suljetut järjestelmät (esim. laivanosturit, vinssit, valssit, puristimet ja servolaitteet) Kulmaroottorirakenne: käyttöakselin ja sylinteriryhmän välinen kulma -25º º, rakenteen suuri koko, kierrostilavuuden säätöajat kasvavat sylinteriryhmän massan takia, kohtalainen imukyky, ei herkkä epäpuhtauksille, käyttöpaineet n MPa, pyör.nopeusalue r/min, kok 0,9 - Vakio- tai säätötilavuuksinen, avoimet ja suljetut järjestelmät (esim. laivojen peräsinkoneistot, vinssit, valssit, puristimet ja maansiirtokoneet) 15

16 Paineakku (rakkoakku), eri toimintatiloissa Valmistaja: Mannesmann Rexroth GmbH

17 Vasen: Järjestelmän painesuodatin Oikea: Järjestelmän paluusuodatin Mannesmann Rexroth GmbH