Современное крупное высокотехнологичное производство трудно представить без использования последних разработок в области высокопроизводительного ручного инструмента. В настоящее время широчайшие возможности предоставляют ручной пневматический инструмент и пневматические системы. Несмотря на некоторое увеличение затрат на проектирование, приобретение и монтаж компрессорной станции и пневмолиний, многие производства, от крупных судостроительных верфей до небольших автохозяйств и сервисов, предпочитают пневматический инструмент электрическому. Это объясняется тем, что пневматический инструмент более безопасен, надежен, неприхотлив в эксплуатации и имеет более выгодные массогабаритные показатели.
В качестве преобразователя кинетической энергии сжатого воздуха в механическую энергию чаще всего используется ротационный пневматический двигатель [1]. Также в настоящее время имеются все основания говорить о микротурбинном приводе как о более выгодном, чем ротационный, за счет лучшей производительности [2].
У пневматического инструмента, кроме более высокой цены, имеются и другие недостатки по сравнению с электрическим инструментом. Один из них – это падение температуры рабочего воздуха турбинной ступени при его расширении. Это явление объясняется тем, что по термодинамическим условиям рабочего процесса в турбинном приводе рабочее тело, расширяясь, совершает работу. В данном процессе имеет место значительное понижение температуры. Падение температуры рабочего тела зависит от разности давлений рабочего тела до и после турбинной ступени, т.е. от степени срабатывания давления воздуха.
Цель исследования
Целью данного исследования является теоретическое изучение зависимости получаемой термодинамической работы воздуха, температуры отработавшего воздуха от степени срабатывания давления в приводе ручного пневматического инструмента.
Задачи, поставленные в исследовании:
1) вывести основополагающие термодинамические зависимости параметров рабочего процесса в микротурбинной ступени;
2) выбрать диапазоны данных и построить график зависимости перепада температуры от перепада давления;
3) проанализировать эффективность работы привода исходя из зависимости работы расширения воздуха в процентном соотношении от степени срабатывания давления.
Материал и методы исследования
В реальных условиях эксплуатации ручного пневматического инструмента с турбинным приводом упомянутый выше перепад температур играет чрезвычайно важную роль. Согласно основным законам теплопередачи поток воздуха, проходящий через сопловой аппарат и рабочее колесо турбинной ступени, имеющий низкую температуру, охлаждает корпусные детали инструмента. Эта особенность процесса расширения рабочего тела может привести к некоторым неудобствам в эксплуатации такого инструмента. А в зависимости от условий работы (степень срабатывания давления и температура сжатого воздуха, температура окружающей среды) может нанести травмы оператору из-за низких отрицательных температур деталей корпуса и рукояток инструмента [3].
Согласно «Санитарным Правилам и Нормам» (п. 3.5 «Гигиенические требования к температуре рукояток и их поверхности») температура поверхностей и рукояток ручных инструментов должна находиться в пределах от 21,5 до 43,5°С. При этом оптимальным является диапазон 25–32° С.
Другими словами, при определенных условиях, например при больших перепадах давления в турбинной ступени или при низкой температуре окружающей среды, эксплуатация пневматического инструмента данного типа невозможна без некоторых конструктивных решений, обеспечивающих приемлемые значения температуры рукояток и деталей корпуса.
Из основ технической термодинамики известно, что быстропротекающие процессы сжатия и расширения воздуха с достаточной степенью точности можно считать адиабатическими, а сам воздух – идеальным газом [4]. Поэтому в исследовании использовались термодинамические зависимости применительно к адиабатическому процессу. Уравнение адиабаты идеального газа при условии, что теплоемкости воздуха Cv и Cp являются постоянными и не зависят от температуры:
(1)
Принятые допущения дают возможность получить соотношение между температурами и давлениями рабочего тела на входе в микротурбинный привод ручного пневматического инструмента (отмечены индексом 1) и на выходе из него (отмечены индексом 2):
(2)
По формуле (2), задав начальную температуру постоянной T1=300 K и переменное значение давления p2=0,1 … 0,73 Мпа, вычислим значения T2. Результаты представлены в таблице 1.
Согласно термодинамическим зависимостям, применительно к адиабатному процессу располагаемая работа определяется как:
; (3)
где k – показатель адиабаты;
R – газовая постоянная;
T1, T2 – температура в начале и конце расширения.
Далее произведем расчет величины располагаемой работы для различных вариантов конечного давления p2 в квазиэксергетическом подходе. Для оценки зависимости падения эффективности от перепада давления в процентном соотношении принимаем величину располагаемой работы за эталонные 100%.
При данном исследовании был принят интервал значений p2=0,1-0,73 МПа. Верхний предел взят исходя из параметров работы самых распространенных пневматических систем. У большинства производимых в настоящее время ручных пневматических машин рабочее давление сжатого воздуха составляет ~ 0,7 МПа. Нижний предел принят из тех соображений, что инструмент используется при атмосферном давлении, среднее значение которого составляет 0,1 МПа. Начальная температура T1 составляет 300 K как средняя температура сжатого воздуха в пневматической системе. Исходя из заданных выше интервалов и зависимостей (5) и (6) были составлены таблицы значений T2 и l при заданных значениях p2. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Расчет параметров состояния воздуха при различных вариантах перепада давления
|
№ |
p2, МПа |
T2, К |
t2, °С |
l, % |
|
1 |
0,10 |
170 |
-103 |
100 |
|
2 |
0,15 |
191 |
-82 |
84 |
|
3 |
0,20 |
207 |
-66 |
71 |
|
4 |
0,25 |
221 |
-52 |
61 |
|
5 |
0,30 |
233 |
-40 |
52 |
|
6 |
0,35 |
243 |
-30 |
44 |
|
7 |
0,40 |
253 |
-21 |
36 |
|
8 |
0,45 |
261 |
-12 |
30 |
|
9 |
0,50 |
269 |
-4 |
24 |
|
10 |
0,55 |
277 |
4 |
18 |
|
11 |
0,60 |
284 |
10 |
13 |
|
12 |
0,65 |
290 |
17 |
8 |
|
13 |
0,70 |
296 |
23 |
3 |
|
14 |
0,73 |
300 |
27 |
0 |
По данным таблицы 1 построены 2 кривые, характеризующие изменение температуры отработавшего воздуха и падение эффективности микротурбинного привода, выраженное в термодинамической работе расширения, в процентном соотношении.
Рис. 1. Зависимость располагаемой работы и температуры отработавшего воздуха от выходного давления
Выводы
Анализируя полученные графики зависимостей, можно сделать следующие выводы.
При полном срабатывании давления конечная температура T2 падает до низких отрицательных значений (–103°С), полученная работа расширения при этом принята за 100%.
При перепаде давления в турбинной ступени микротурбинного пневматического привода, равном нулю, работа расширения не совершается (l’=0), значение температуры не изменяется и равно t2=27°С.
Температуру рукояток пневматического инструмента с небольшими допущениями (в силу неидеальности рабочего процесса) можно считать приемлемой (t2≥10°) при конечном давлении p2=0,60-0,73 МПа. При этом термодинамическая работа расширения составляет менее 15% от теоретически возможной в данных условиях.
При повышении значения p2 эффективность привода резко понижается, т.е. для устранения проблемы сильного охлаждения корпуса и рукояток пневматического инструмента уменьшение степени срабатывания давления практически не имеет смысла.
В борьбе с переохлаждением деталей корпуса пневмоинструмента следует отдать предпочтение конструкторским решениям, таким как применение воздушных полостей в деталях корпуса, применение высокотехнологичных и пористых материалов для рукоятей. Все подобные меры должны быть направлены на понижение среднего коэффициента теплопроводности деталей корпуса и материалов рукоятей пневматического инструмента.
Заключение
В данном исследовании построены и изучены зависимости температуры отработавшего воздуха и эффективность работы сжатого воздуха от степени перепада давления в микротурбинном приводе. Приведены рекомендации по снижению отрицательного эффекта переохлаждения деталей корпуса и рукоятей пневматической ручной шлифовальной машины.
Рецензенты:
Зуев В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Кораблестроение и авиационная техника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;
Ваганов А.Б., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.
Библиографическая ссылка
Хрунков С.Н., Крайнов А.А., Жуков А.Е. КВАЗИЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МИКРОТУРБИННОГО ПРИВОДА РУЧНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ МАШИН // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18537 (дата обращения: 04.11.2025).