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.