На рынке представлено множество аппаратов для струйной очистки сухим льдом, которые производятся в США, Китае, Европе, России. И всегда мы сталкиваемся с проблемой: как понять, чем они отличаются кроме внешнего вида, идеальных картинок на сайтах, в каталогах, страны их производства. Мучаемся вопросом: как правильно выбрать надежный, эффективный аппарат для своих целей?
Идеальное оборудование для очистки в каждом сегменте – это агрегат, который обеспечивает быструю очистку с наименьшими затратами и при этом имеет максимальный ресурс работы (надежность). При очистке сухим льдом основным расходным материалом является чистящее вещество – высокоплотные гранулы или частицы сухого льда. Не стоит путать их с сухим льдом в больших «советских» брикетах. К переменным расходам относится зарплата специалистов по очистке, расход электричества или топлива для винтового компрессора.
Главная функция любого криобластера – это равномерная подача гранул сухого льда в сжатый воздух, который поступает от компрессора. Далее гранулы в потоке воздуха поступают по шлангу к соплу для ускорения и удаления загрязнения с поверхности. Аналогию можно провести с пескоструйным аппаратом.
Чтобы понять, как каждый узел влияет на качество очистки, необходимо разобрать криобластер на составляющие. Основные узлы криобластера:
- фидер (от англ. feeder – загрузочное устройство, питательное устройство, подающий механизм);
- сопло для очистки.
Фидер
Сердцем любого криобластера является фидер. Фидер – это узел, который подает гранулы сухого льда в сжатый поток воздуха. Фидер отвечает за скорость очистки и за ресурс машины.
Если скорость очистки обеспечивается за счет скорости вращения элемента подачи гранул от мотор-редуктора, то ресурс зависит от нескольких факторов, которые не лежат на поверхности. Для начала выясним, что такое ресурс (надежность) для криобластеров.
Гранулы равномерно подаются в поток сжатого воздуха. При этом подача осуществляется из атмосферных условий, а значит, подача герметичная. То есть гранула берется из бункера с одной атмосферой и перемещается в поток воздуха с давлением, к примеру, 7 атм.
Для обеспечения такого перемещения вращающийся элемент, который захватывает гранулу сухого льда, обжимается с помощью специальных уплотнений. На износ данных уплотнений влияет пыль, грязь, посторонние предметы, которые поступают вместе с гранулами и сжатым воздухом.
В начале износа появляются микроцарапины, которые со временем становятся более глубокими. По мере углубления царапин повышается пропускание сжатого воздуха к гранулам, которые очень капризно относятся к воздуху. Для примера представлены изношенные поверхности общепромышленных деталей:
Гранулы имеют температуру почти минус 80°С, то при контакте с влажным воздухом они мгновенно конденсируют, кристаллизуют на себе влагу из воздуха и склеиваются. В результате множество гранул склеиваются в камни, и очистка проходит с перебоями. Ресурс фидера определяется ресурсом этих специальных уплотнений.
Чтобы понять, что влияет на запроектированный ресурс работы уплотнения, достаточно обратиться к традиционным манжетным уплотнениям, которые используются для штоков и поршней в пневмоцилиндрах, регламентированных ГОСТ 6678-72.
У таких уплотнений сжатый воздух выступает активатором для начала работы уплотняющего эффекта: когда сжатый воздух поступает в полость перед манжетным уплотнением, он, в первую очередь, начинает давить на юбку манжетного уплотнения, у которой площадь в несколько раз больше, чем площадь под манжетой, которая тоже обволакивается сжатым воздухом. В результате усилие на юбку с одной стороны больше, чем с другой. Разница в силах и формирует силу уплотнения.
В манжете юбка касается только слегка гильзы или штока пневмоцилиндра. В итоге уплотняющее контактное давление в 2-3 выше давления сжатого воздуха. Этот эффект можно назвать еще мультипликацией контактного уплотнения. В этом и заключается главное условие герметичности – создание мультипликации контактного уплотнения. Чем оно выше, тем лучше уплотнение.
На снижение утечки воздуха влияет и длина участка герметизации. Одно дело – это 10 мм, а другое – 30 мм. Воздуху сложнее пробиться через канал царапины, который просто длиннее.
На ресурс уплотнения влияет скорость вращения элемента подачи гранул. При прочих равных реальных условиях с попаданием пыли, грязи вращающийся элемент и уплотнение изнашиваются меньше, если скорость в точке контакта меньше.
Мы выделили три главных фактора, влияющих на ресурс фидера:
- мультипликация контактного уплотнения;
- длина герметизации;
- скорость в точке контакта уплотнения.
Все фидеры, которые были придуманы производителями криобластеров за последние 25 лет, делятся на два типа: дисковые и роторные.
Дисковые фидеры были придуманы первыми. Они самые простые в понимании и в изготовлении, но имеют пониженный ресурс, как и все первоначально придуманные технологии.
Роторные фидеры как более высокотехнологичные возникли для замены дисковых фидеров на 10-15 лет позже. Роторные фидеры отличаются повышенным ресурсом.
Таблица сравнения роторного и дискового фидеров:
Также важно знать то, как влияет влажность и влага в сжатом воздухе на работу фидера. Когда случайно или преднамеренно используется сжатый воздух без должной подготовки, к примеру без сепаратора капельной влаги или осушителя при измельчении частиц, то на поверхности фидера образуется водяной лед в области герметизации от сжатого воздуха. И чем больше диаметр, на котором вдавливается уплотнение в поверхность фидера и нарастает водяной лед, тем выше дополнительный момент трения и блокировки вращения фидера. Дисковый фидер имеет диаметр около 160-200 мм, а роторный фидер – 40-60 мм. Эта разница обеспечивает роторному фидеру в 4-5 раза выше отказоустойчивость по блокировке вращения фидера от водяного льда и продолжение его работы даже с плохо подготовленным воздухом, что часто вызвано человеческим фактором.
Для одного и того же расхода гранул для дискового фидера требуется меньше оборотов, так как по его периферии больше отверстий, в которые помещают и перемещают гранулы сухого льда. Но зато больше момент вращения для преодоления силы трения от уплотнения. Следовательно, для его вращения требуется большее передаточное число от редуктора, обычно это червячный редуктор. А все механики и инженера знают, что чем выше передаточное число, тем ниже ресурс подшипников и пары трения «червяк-колесо» у редуктора. Поэтому роторный фидер положительно влияет и на мотор-редуктор, так как для вращения уже нужен высокооборотный мотор-редуктор, а не высоко нагруженный.
Эксплуатационный коэффициент мотор-редуктора является количественным показателем тяжести предполагаемых условий эксплуатации редуктора с приблизительным учетом ежедневного цикла работы, изменений нагрузки и возможных перегрузок, связанных с особенностями конкретных условий эксплуатации изделия.
К примеру, возьмем режим работы криобластера с 5 пусками в час и два разных условных фидера, работающих от двух червячных мотор-редукторов с форм-фактором «63» и мощностью по 0.75 кВт каждый:
- Для вращения дискового фидера потребуется 35 об/мин с моментом вращения 141 Нм, то эксплуатационный коэффициент редуктора составит «1,0» или 8 часов непрерывной очистки в смену;
- Для вращения роторного фидера потребуется 93 об/мин при моменте 63 Нм для вращения ротора, то эксплуатационный коэффициент редуктора составит уже «2,2» или 24 часов непрерывной очистки в смену.
Сопло для очистки
Главным элементом, влияющим на удельный расход гранул на 1 квадратный метр при прочих равных условиях, является сопло. Основная задача сопла – разогнать гранулы до максимально возможной скорости с помощью потока воздуха. А мы все знаем со школы, что конечная скорость объекта зависит от значения ускорения и времени процесса ускорения.
На качество ускорения гранул влияет профиль сопла. Он определяет скорость потока воздуха. Чтобы правильно разогнать поток воздуха в канале, нужно отводить пограничный тормозящий слой воздуха, который трется о стенки канала. Если этого не делать, то пограничный слой будет замедлять центр потока воздуха. Это снизит скорость гранул.
Самый простой и менее эффективный профиль – это сопло с цилиндрическим отверстием. Отводить пограничный слой тут просто некуда.
Следующим по эффективности идет плоское расширяющееся сопло, которое еще нужно правильно спроектировать. Если его изготовить со слишком большим углом расширения, то давление воздуха упадет в канале очень сильно и гранулы потеряют ускорение. Здесь отвод пограничного слоя происходит только в одной плоскости. Такое сопло намного лучше обычной трубки.
Наиболее эффективным является сопло с расширяющимся квадратным каналом. Оно уже, чем сопло с плоским каналом, но в нем лучше сохраняется ядро потока воздуха с максимальной скоростью.
На длительность ускорения гранул влияет длина сопла. Одно дело – 150 мм длина разгонной части, другое дело – 250 мм, а еще лучше – 450 мм.
Пропускная способность сжатого воздуха
Давление и расход воздуха влияет на то, как гранулы ускорятся. Пропускная способность бластера по сжатому воздуху влияет, разумеется, на эффективность очистки. К примеру, возьмем для сравнения криобластер, у которых указаны расход воздуха 2500 и 5000 л/мин. С первого взгляда кажется, что надо выбрать бластер с расходом воздуха в 2500 л/мин, ведь меньше расход воздуха — это меньше цена винтового компрессора, меньше затраты на топливо или электричество, меньше вес и габариты винтового компрессора. Давайте разберемся.
В первую очередь нужно точно понимать, что это за цифра. Это может быть расход как при давлении в 6 атм, так и при максимальном давлении воздуха, к примеру 10 атм. Так как, если используется сопло с расходом 5000 л/мин при 6 атм, то при подаче 10 атм сопло будет потреблять уже 5000 л/мин × 10 атм ÷ 6 атм ≈ 8400 л/мин. А если используется сопло на 2500 л/мин, то 2500 л/мин × 10 атм ÷ 6 атм ≈ 4200 л/мин.
Важно понимать, что за пропускную способность отвечает диаметр пропускной системы бластера (входящий адаптер, труба, редуктор, клапан отсечной, блок подачи гранул, адаптер для струйного шланга, диаметр струйного шланга, длина шланга). Если вы подключите компрессор с производительностью в 5000 л/мин и 7 атм к бластеру с номинальный расходом воздуха в 2500 л/мин (или это эквивалентно диаметру пропускной системы бластера в G1/2 или 15 мм), то вы потеряете 1,5-2 атм напора сжатого воздуха из-за гидравлического сопротивления. То же самое относится и к шлангу для подачи сжатого воздуха. Поэтому все мощные бластеры с расходом воздуха в 5000 л/мин при 6 атм (или 10 000 л/мин при 12 атм) имеют диаметр пропускной системы в G3/4 (20 мм).
Согласно формуле Дарси — Вейсбаха потеря напора сжатого воздуха зависит в теории от следующих параметров системы:
- длина струйного шланга (прямая линейная зависимость);
- расход воздуха (прямая квадратная зависимость);
- внутренний диаметр струйного шланга и шланга для подачи воздуха (обратная зависимость в ПЯТОЙ степени!)
То есть, при равной длине шлангов и для одного и того же компрессора потеря напора для бластера с G1/2 теоретически в 5 раз выше, чем у бластеров с G3/4.
Воспользуемся онлайн калькулятором ©TLV (https://www.tlv.com/global/TI/calculator/air-pressure-loss-through-piping.html). Установим расход воздуха в 5000 нл/мин при 7 атм, выберем 30 метров длина шлангов от компрессора до сопла. Получим следующие потери давления при очистке для внутреннего диаметра (Ду):
- Ду 15 мм – 5,2 атм;
- Ду 20 мм – 1,4 атм;
- Ду 25 мм – 0,38 атм.
Также на расход воздуха влияют сопла, так как у каждого сопла свой диаметр отверстия для пропускания воздуха. При этом сопло, у которого расход указан в 2500 л/мин (при 6 атм), всегда хуже по эффективности сопла, у которого расход 5000 л/мин (при 6 атм). Это связано опять же с сохранением центрального сверхзвукового потока. У сопла с расходом в 5000 л/мин (при 6 атм) шире поперечное сечение канала сопла, что гарантирует меньше пограничный тормозящий слой воздуха.
И так, подбор сопел, пропускной способности бластера и компрессора лучше осуществлять в следующем порядке.
Вариант 1. Имеется своя пневмосеть / компрессор, нужно использовать его для максимальной эффективности очистки.
- Проводится тестирование очистки, выбирает наиболее удобное сопло для очистки. К примеру, пневмосеть предприятия имеет производительность в 3 500 л/мин, которую можно пустить под нужны очистки сухим льдом, а рабочее давление в сети составляет 6 атм.
- При тестировании сопло на 5000 л/мин держало давление в 3 500 л/мин ÷ 5000 л/мин × 6 атм = 4,2 атм, а сопло на 3500 нл/мин будет держать все 6 атм (примерно).
- Следовательно, нужно выбирать именно сопло на 3500 л/мин.
- Далее выбирать бластер на G1/2 или G3/4 зависит от уже от бюджета проекта.
Вариант 2. Нет компрессора, нужно подобрать эффективный комплект оборудования для очистки для будущих минимальных затрат на сухой лед.
- Проводится тестирование очистки, выбирает наиболее удобное сопло для очистки. К примеру, выбрали сопло с расходом в 5000 л/мин, а давление очистки на бластере держалось максимум в 6 атм.
- Далее, если рекомендуется увеличить давление очистки до 10 атм для повышения ее эффективности (снижение удельного расхода льда), то соответственно расход через сопло уже составит 5000 л/мин × 10 атм ÷ 6 атм ≈ 8400 л/мин.
- Следовательно, нужно подбирать компрессор с FAD (Free Air Delivery, Подача Атмосферного Воздуха) в 8400 л/мин и с рабочим давлением в 10 атм и бластер с диаметром пропускной системы в G3/4.
Вариант 3. Нет компрессора, нужно подобрать комплект оборудования для очистки для оптимальными капитальными затратами на закупку бластера и компрессора.
- После определения максимального бюджета, который может быть выделен на закупку винтового компрессора, определяемся с его электрической мощностью, к примеру 22 кВт.
- Среди представленных на рынке это может быть компрессоры с одной и той же ценой: от производительности 3800 л/мин при рабочем давлении в 7 атм (FAD №1) до 2800 л/мин при 12 атм ( FAD №2).
- Далее нужно определиться какие виды загрязнений требуется удалять, если 5 атм достаточно, то лучше выбрать FAD №1, если нужно 9 атм, то лучше выбрать промежуточный FAD. К примеру, нужно 9 атм для очистки. Выбираем промежуточный компрессор на те же 22 кВт с производительностью 3200 л/мин при рабочем давлении в 10 атм (FAD №3).
- Следовательно, номинальный расход сопла при 6 атм составит 3200 л/мин × 10 атм ÷ 6 атм ≈ 5400 л/мин.
Другие факторы
На эффективность очистки также влияют:
- производительность и рабочее давление винтового компрессора;
- качество сухого льда;
- размер частиц для очистки.
Бесперебойность очистки криобластера дополнительно зависит от:
- наличия вибрации бункера;
- механического перемешивания гранул перед фидером;
- наличия защиты от обледенения вращающего элемента;
- удобства, длительности процесса удаления инородного тела, застрявшего в фидере.
Стоит заметить, что шланги и сопла у криобластеров не изнашиваются от сухого льда, так как гранулы не абразивны.
Вывод
На эффективность и надежность криобластера, вне зависимости от изготовителя, в первую очередь влияют:
- профиль сопла (наиболее эффективно сопло с квадратным расширяющимся профилем);
- длина сопла (наиболее эффективно сопло с большей длиной);
- пропускная способность сжатого воздуха (лучше всего бластеры с пропускной системой на G3/4 чем c G1/2);
- тип ротора (роторные фидеры имеют намного выше ресурс и надежность работы в сравнение с дисковыми фидерами);
- а также грамотная комбинация производительности компрессора, диаметра и длины шлангов, пропускной способности бластера и номинального расхода сопла.
