Kaasun paine - Hydroline Energy
Transcription
Kaasun paine - Hydroline Energy
Kaasun paine HYDROLINE ENERGY Member of the Hydroline Group Painevaraaja Mäntäpainevaraajat ovat rakenteellisesti yksinkertaisia; Suurimmalla osalla konepajoja jotka valmistavat hydraulisylinteitä on tarvittavat laitteet ja osaaminen painevaraajan osien valmistamiseen ja kokoonpanoon. Standardi – mäntäpainevaraajan rakenneosien valmistus on hydraulisylinterin osiin nähden yksinkertaisempaa ja osia on lukumääräisesti vähemmän. Vaikka kaasun ymmärretään olevan tiivisteiden kannalta hankalammin käsiteltävissä, tiivistäminen on kuitenkin vain työkuvien mukaisen valmistuksen ja tiivistetoimittajan tarjoamien tiivisteiden asentamisen tulos. Valmistustoleranssit ja tiivistemateriaalit eivät eroa hydraulisylintereissä käytettävistä vastaavista olennaisesti (tai mitenkään). Kun lasketaan tiivisteiden lukumäärä, saadaan painevaraajan dynaamisten tiivisteiden lukumääräksi puolet siitä mitä se on hydraulisylintereissä. Mäntäpainevaraajien rakenteissa käytetään yleensä kierreliitoksia, mikä tekee kokoonpanosta suoraviivaisempaa ja helpommin automatisoitavaa. Kun ajatellaan komponenttia käytössä, painevaraajien rakenne altistuu useimmiten ainoastaan sisäisille kuormituksille sillä tyypillisesti ne sijoitetaan letkujen tai putkien välityksellä suojaan. Kaikesta tästä huolimatta painevaraajien valmistamisen ajatellaan sisältävän jotain mystistä eivätkä useimmat hydraulisylintereiden valmistajat ole halunneet / voineet aloittaa painevaraajien valmistamista. Suurimmaksi osaksi tämä selittynee sillä että kaasutäytteiset painevaraajat ovat paineastiadirektiivin alaisia painelaitteita joiden valmistus on luvan varaista kun puristuvan väliaineen (kaasun) tilavuus ylittää 1L. Tämä mekanismi, välinaineen puristuminen ja energian varastoituminen monimutkaistaa mitoitusta ja laskentaa huomattavasti. Kokoon puristumattoman nesteen kanssa osataan toimia mutta kokoonpuristuvuus (=luvanvaraisuus) ja joustava väliaine vaativat syvempää ymmärrystä. KAASUN PAINE Painevaraaja on jousi; ei vaimennin. Vaikka painevaraajan käytön yhteydessä tapahtuu ns. termistä vaimennusta ja useimmiten painevaraajan yhteydessä on jokin kuristin tai vaimennusventtiili, painevaraajan mitoitus on aina jousen mitoittamista sovellukseen. Jousivoiman muutos on seurausta painevaraajan sisältämän kaasun tilavuuden muutoksesta. Painevaraajan paine määrää jousivoiman suuruuden kun se kerrotaan jollakin skaalaavalla pinta-alalla (esim. sylinterin männän pinta-ala). Yksinkertaisin tapa käsitellä painevaraajan painetta tapahtuu yleisen tilanyhtälön kautta. Isotermisessä prosessissa kaasun lämpötila on vakio (Boylen laki), jolloin yhtälön oikea puoli on vakio. Saadaan Kun halutaan kirjoittaa kaasun paine painevaraajaan virranneen nestemäärän ∆V, esitäyttöpaineen ja painevaraajan tilavuuden funktiona saadaan Vaikka isoterminen prosessi ylläkuvattuna tuottaa progressiivisen painekäyrän nestetilavuuden funktiona, tiedetään että kaasujouset ovat monesti huomattavasti progressiivisempia. Kaasun puristusnopeus (=öljyn virtausnopeus) vaikuttaa progressiivisuuteen kaasun oman lämpötilan muutoksen kautta: Mitä nopeammin kaasu puristuu, sitä progressiivisempi painekäyrä. Tätä ilmiötä kuvaamaan mallinnetaan kaasun puristuminen yleensä adiabaattisena (ja isentrooppisena) prosessina missä γ:aa kutsutaan adiabaatti-eksponentiksi tai isentrooppi-vakioksi. Yleensä vakiolle annetaan arvoja 1,1 – 1,5 ja se kuvaa prosessin lämpökäyttäytymistä. Esimerkkinä: jousitusjärjestelmissä useimmiten käytetään arvoa 1,4. Eksponentin kasvattaminen muuttaa mallin progressiivisemmaksi, ja siten kuvaa paremmin painevaraajaa jousitusjärjestelmässä jossa hetkelliset nestevirtaukset voivat olla hyvinkin suuria. Adiabaattinen = Lämpöeristetty, systeemin rajapinnan läpi ei kulje lämpöenergiaa eikä sinne tuoda energiaa lämpönä Isentrooppinen = Häviötön, palautuva, ideaali (Kaikissa reaalimaailman prosesseissa on häviöitä ja prosessit ovat palautumattomia) ESIMERKKI Kun minkä tahansa painevaraajan sisältämä kaasu puristetaan 40%:iin esitäyttötilavuudestaan saadaan esitäyttöpaineesta riippuen eri γ:n arvoilla seuraavalla sivulla olevat kuvaajat. Pystyakselilla paine [bar] ja vaaka – akselilla puristuminen [%] Kuvaajissa alin (sininen) käyrä edustaa painetta γ:n arvolla 1 (isoterminen prosessi). Ylin käyrä (vihreä) edustaa painetta γ:n arvolla 1,5. Ero maksimipaineessa näiden kahden tapauksen välillä on 60bar kun painevaraajan esitäyttöpaine on 40bar. Väärin mallinnettuna virhe kasvaa esitäyttöpaineen kasvaessa: 80bar esitäyttöpaineella laskennan tuottama ero on 110bar. Mitä enemmän kaasua puristettaan; sitä suurempi ero. Esitäyttöpaine 40bar Esitäyttöpaine 80bar KAASUN LÄMPÖTILAN VAIKUTUS Edellä selvitettiin kuinka kaasun puristumisprosessin nopeus vaikuttaa kaasun paineeseen. Mikä γ:n arvo on asiakkaan sovellukseen oikea? Pitääkö painevaraajan paineen kestoa kenties kasvattaa? Onko painesyklin amplitudi suurempi ja painevaraajan laskennallinen kestoikä sovelluksessa muu kuin on ilmoitettu? γ:lle on taulukoitu arvoja ”nopealle puristumiselle” ja ”hitaalle puristumiselle” jne. Tämän päivän laskentaohjelmistoilla painesykli saadaan huomattavasti tarkemmin selville. Edellytys on että painevaraajan valmistaja tuntee oman tuotteensa geometrian lämmönjohtokyvyn. Kaasun puristuessa ja kaasun lämpötilan noustessa, lämpöenergia alkaa virrata painevaraajan seinämien kautta ympäristöön. Tällä tavalla systeemistä poistuu energiaa lämpönä (=terminen vaimennus). Kun painevaraajassa varastoidaan energiaa, ulos johtuva energiamäärä hävitään. Ulosjohtuva hävitty energia määrä riippuu rakenteen geometriasta, materiaalista, lämpötilaerosta sekä ajasta jonka lämpö saa siirtyä. Lämpöhäviöt muodostavat olennaisen painevaraajan hyötysuhteeseen vaikuttavan tekijän. Mikäli varastoitu energia otetaan käyttöön nopeasti (lämpötila kaasutilan ja varaajan ympäristön välillä ei ehdi tasaantua) lämpöhäviöiden osuus on pienempi. Jotta näitä asioita voidaan tutkia tarkemmin, kaasun puristuminen pitää mallintaa siten, ettei eksponentille tarvitse antaa arvoa. Painevaraajan sisältämän kaasun käyttäytyminen pitää siis mallintaa reaalikaasuna (Typpi on reaalikaasu). Lämmönjohtuminen kaasusta painevaraajan rakenteiden kautta ympäristöön tulee ottaa huomioon. Lämmön johtumisnopeus riippuu painevaraajan rakenteesta. Kun kaasumallina käytetään ns. BWR – mallia (Benedict-Webb-Rubin) typpikaasun käyttäytymisen määräävät vakiot riippuvat typen kemiallisista ominaisuuksista ja tunnetaan hyvin. Näin saadaan aikaan monimutkainen, mutta samalla tarkka malli joka kertoo kaasun paineen nestetilavuuden ja virtausnopeuden funktiona ilman että joudutaan arvaamaan sovellus- tai tilannekohtaisia vakioita. Alla kuva mitatusta ja mallinnetusta paineesta kun painevaraajaan ajetaan askelmaisesti tietty tilavuus nestettä. Kuvaajassa painevaraajan paine on lähtötilanteessa 52bar. Kun ajanhetkellä 1,2s varaajaan syötetään askelmaisesti nestettä, paine nousee 85bar:iin. Kun aikaa kuluu, paine laskee: Lämpöä ajautuu ulos painevaraajasta. Kun painevaraajaan ladattu energia askelmaisesti puretaan noin sekunnin kuluttua lataamisesta, paine on 77bar. Mikäli energiaa varastoitaisiin pidempään, paine laskisi edelleen (=energiaa vuotaisi ulos varaajasta). Jos esitetty prosessi mallinnettaisiin adiabaattisena eksponentilla 1,5 saataisiin paineeksi paine 85bar joka olisi ajan funktiona vakio kunnes energia puretaan. Isotermisenä prosessina mallinnettuna paine olisi 66bar kunnes purkamisen jälkeen palautuisi 52bar:iin. Molemmat yksinkertaiset mallit antavat oikean tuloksen jollain ajanhetkellä, joko heti latauksen jälkeen tai kun terminen tasapaino ympäristön kanssa on saavutettu. Reaalikaasu – malli kertoo paineen arvon jokaisella ajanhetkellä, myös mainittujen ajanhetkien välissä. Art el Oy | 12/13 HYDROLINE ENERGY Member of the Hydroline Group Edellä esitetty yksinkertainen mittaus ja simulointi esittää hyvin painevaraajan kaasun käyttäytymisen monimutkaisuuden sekä maksimipaineen kannalta että painevaraajan hyötysuhteen kannalta. Yhtenä tärkeänä huomionarvoisena asiana kuvasta näkyy se että HLE:n laskenta seuraa varsin tarkasti mitattua painetta. HLE:ssä ollaan vakaasti sitä mieltä että asiakkaille tulee tarjota käytössä olevan tietotekniikan ja yrityksen osaamisen mahdollistamaa tarkkaa tietoa omien tuotteiden toiminnasta sekä käyttäytymisestä. Kaasun puristumisen mekaniikan ymmärtäminen nähdään HLE:ssä äärimmäisen tärkeänä osana painevaraajien toimittajana olemista; puristuminen on se tekijä joka Tavoitteenamme on, yhdessä asiakkaan kanssa, parantaa työkoneiden käytön laatua, pidentää koneen kestoikää sekä nostaa työskentelytehokkuutta poistamalla koneen käytöstä aiheutuvia rakenteisiin sekä käyttäjään siirtyviä haitallisia värähtelyjä. Tarjoamme käyttöösi laajan hydrauliikan, värähtelymekaniikan sekä säätö- ja ohjaustekniikan ammattitaidon ja kokemuksen, joka yhdistettynä korkealaatuiseen komponenttivalmistukseen ja järjestelmäkokoonpanoon antaa asiakkaalle avaimet kohti energiataloudellisempaa ja ympäristöystävällisempää tuotteistoa Hydroline Energy R&D & Sales Yrittäjänkatu 15 (Futura II) FI-65380 Vaasa Production & Administration Katekuja 9 FI-70910 Vuorela www.hle.fi Pertti Vilenius +358 (0)400 856 613 Petter Kroneld +358 (0)40 528 5182 © Hydroline Energy. All rights reserved. tekee kaasutäytteisten painevaraajien valmistamisesta luvanvaraista ja valvottua. Samalla tavalla kaasun paineen ja lämpötilan muutokset, sekä lämpöhäviöt nähdään tärkeänä osana palvelua jonka asiakas saa: HLE:n tuntiessa omien tuotteidensa hyötysuhteen, rakenteen terminen käyttäytyminen yhdistettynä tiivistekitkojen tuntemukseen auttaa asiakasta kohti energiatehokkaampaa ja pitkäikäisempää sovellusta. HLE:n asiakkaalla on tämän hetken teknologian kehitys- ja tietämystason mahdollistamat energiatehokkaimmat komponentit omassa järjestelmässään.