مبنای اندازه گیری نشتی در سیستم های هوای فشرده

در این مطلب قرار است یافتن، اندازه گیری نشتی و حذف نشت از هوای فشرده را بطور کامل بررسی کنیم.
هر کارخانه ای به یافتن، ارزیابی و برطرف کردن نشتی هوای فشرده نیاز دارد،
اما به ندرت کسی می داند که هوای فشرده یکی از گران ترین شکل های انرژی است.
بنابراین استفاده منطقی از هوای فشرده پتانسیل زیادی برای صرفه جویی ارائه می دهد.
اغلب تلاش های صرفه جویی فقط بر روی تولید هوای فشرده (مثلا روی کمپرسورها و بازیابی حرارت) متمرکز می شود.

کاربردهای هوای فشرده

• پردازش بهینه هوا
• پوش باتن
• تولید بطری های PET (پلی اتیلن ترفتالات)
• بافندگی
• لاک ها
• و غیره.

هوای فشرده از فشرده سازی هوای محیط با کمپرسور تولید می شود.
اگر ناخالصی های موجود در هوای فشرده با محصول نهایی تماس پیدا کند، این امر می تواند منجر به تولید ضایعات بیشتر شود.
این خود اغلب راه حلی را که در نگاه اول ارزان به نظر می رسد، به روشی بسیار گران برای تولید هوای فشرده تبدیل می کند.

بنابراین برای کاربر ضروری است که هوای فشرده را پس از تولید آن تصفیه کرده و با اندازه گیری نشتی، بهترین هوا را خروجی بگیرد؛
زیرا این هوا حاوی آب، روغن، ذرات گرد و غبار و سایر ناخالصی ها است.
بسته به کیفیت هوای فشرده مورد نیاز، این مواد می توانند باعث مشکلات تولید و افزایش هزینه های عملیاتی شوند.

برای پردازش، علاوه بر کمپرسور، مخزن و سیستم لوله کشی باید اجزای اضافی نیز ارائه شود.
هوا با کمک درایر خشک می شود که بسته به نوع درایر، رطوبت کم و بیش از خود خارج می کند و نقطه شبنم کم را بسته به کاربرد خاص خود، تضمین می کند.

علاوه بر این، هوای فشرده باید توسط فیلترها از روغن و دیگر پارتیکل ها پاک شود.
ساخت یک سیستم هوای فشرده نمونه در شکل زیر نشان داده شده است.

طبقات کیفیت هوای فشرده توسط استاندارد ISO 8573-1 مشخص شده است.
با رعایت استانداردهای کیفیت، احتمال خرابی دستگاه کاهش می‌یابد، اندازه گیری نشتی به خوبی انجام می پذیرد، هزینه‌های نگهداری کاهش می‌یابد و طول عمر قطعات هوای فشرده افزایش می‌یابد.
کلاس های مختلف کیفیت در شکل بالا مشخص شده است.

ابزار اندازه گیری نشتی هوای فشرده در دست CS INSTRUMENTS!

CS Instruments انواع ابزار اندازه گیری نشتی متحرک و ثابت را برای اندازه گیری کیفیت هوای فشرده مطابق با ISO 8573-1 عرضه می کند:

• اندازه گیری روغن باقیمانده با ابزار اندازه گیری روغن باقی مانده مثل Oil Check 400
• اندازه گیری پارتیکل های جامد با شمارشگر ذرات PC 400
• و برای اندازه گیری نقطه شبنم، نقطه شبنم سنج FA 510

برای ضبط کننده های دیجیتالی سیار و ثابت DS 500

کلاس های کیفیت هوای فشرده

بنابراین اگر هوای فشرده و تمیز شده از طریق نشتی خارج شود، هزینه های اضافی ایجاد می شود؛
زیرا این هوا باید به طور اضافی تولید شود.

شکل زیر توزیع کلی هزینه یک سیستم هوای فشرده را نشان می دهد.

هزینه های انرژی، با ۷۳ درصد بیشترین سهم از کل هزینه ها را دارد.
بنابراین سیستم هوای فشرده باید به گونه ای طراحی شود که کمیت و کیفیت هوای فشرده تولید شده مطابق با مشخصات باشد و سیستم حداکثر بازدهی قابل دستیابی را بدست آورد.

شکل زیر هم پتانسیل های مختلف پس انداز موسسه Fraunhofer برای صنعت هوای فشرده را فهرست می کند.
بالاترین پتانسیل صرفه جویی با کاهش نرخ نشتی پس از اندازه گیری نشتی حاصل می شود.
با مکان یابی و رفع نشتی می توان از ۴۲ درصد کل پتانسیل صرفه جویی در سیستم هوای فشرده استفاده کرد.

بر اساس بررسی های آژانس انرژی NRW، نرخ نشت ۳۰٪ بسیار معمول است و منجر به افت فشار تا ۲ بار و ۵۰٪ انرژی استفاده نشده می شود.
این موضوع توسط یک مطالعه بررسی شده توسط موسسه Fraunhofer به نمایندگی از Energie-Schweiz تأیید شده است که نشان می دهد میزان نشت شرکت های تولیدی بین ۱۵٪ تا ۷۰٪ است.

اندازه گیری نشتی ابتدا با تشخیص آن

هنگامی که آب از لوله خارج می شود، این امر به وضوح قابل مشاهده است.
تشخیص این موضوع با هوای فشرده چندان آسان نیست؛
زیرا صدای خش خش معمولی تنها با نشت های بسیار بزرگ در یک محیط آرام قابل شنیدن است.

با این حال، با سر و صدای معمولاً بالا در سالن های تولید، می توان به راحتی از این موضوع چشم پوشی کرد و هوای خارج شده بدون توجه باقی می ماند.
اغلب ناآگاهی در مورد میزان هزینه های واقعی ناشی از نشت هوای فشرده نیز وجود دارد.
بنابراین توصیه می شود برای یافتن نشتی های بزرگ و رفع آنها، محل نشتی را به طور مرتب مورد بررسی قرار دهید.

استاندارد مدیریت انرژی ISO 50001 یک چرخه PDCA را برای کاهش هزینه های انرژی شرکت ها تعریف می کند.
این چرخه را می توان برای سیستم هوای فشرده نیز اعمال کرد.
چرخه PDCA منجر به بهبود مستمر مقدار در نظر گرفته شده می شود.

چرخه با تجزیه و تحلیل وضعیت اولیه و برنامه ریزی (P) راه حل ها برای اجرای اقدامات مشخص (Do) شروع می شود.
تأیید (C) با ارزیابی میزان دستیابی به هدف شرایطی که باید بهبود یابد انجام می شود.
علاوه بر این، اقدامات فردی اجرا شده ارزیابی می شود.

این یافته‌ها برای تعریف اقدامات بهبود جدید بیشتر (A) در صورتی که هدف محقق نشده باشد، استفاده می‌شوند.

محل نشتی به عنوان یک ابزار بررسی فاز برای سیستم هوای فشرده مورد بررسی عمل می کند تا اطمینان حاصل شود که به طور موثر کار می کند.
اگر عیوب (نشتی های یافت شده) کشف شد، باید آنها را اصلاح کرد (قانون فاز).

تعیین دقیق نشتی هنگام اندازه گیری و ارزیابی

برای تعیین دقیق هنگام اندازه گیری نشتی کل در هنگام تجزیه و تحلیل وضعیت اولیه (P)، می توان به عنوان مثال از یک فلومتر PI 500 همراه با سنسور فلو حجمی VA 500 استفاده کرد.
در طول توقف تولید، نشت یا تلفات هوای فشرده اندازه گیری و ثبت می شود.

با نرم افزار ارزیابی CS Basic می توان داده های نشتی یا مصرف هوای فشرده را دقیقاً تجزیه و تحلیل کرد.

یکی دیگر از گزینه های اندازه گیری اندازه گیری نشتی و کاهش فشار، در طول توقف تولید در یک دوره زمانی مشخص است.
برای این منظور حجم سیستم هوای فشرده نیز باید با تلاش زیاد تعیین شود که تقریبا غیرممکن است.
بنابراین، این روش اغلب منتفی است.

این نوع اندازه گیری منسوخ است و دارای عدم قطعیت های اندازه گیری زیادی است؛
زیرا افت فشار و همچنین دما باید بسیار دقیق اندازه گیری شوند.
کاهش فشار همیشه منجر به کاهش دما می شود.
برای اینکه بتوانیم حجم استاندارد را دوباره محاسبه کنیم، فشار مطلق و همچنین دما (دمای در حالت آرامش) در سنسور فشار باید به طور دقیق اندازه گیری شوند.

اگر میزان نشتی کل مشخص باشد، می توان از آن برای محاسبه پتانسیل صرفه جویی سالانه در هزینه های انرژی استفاده کرد.
برای این منظور، هزینه های هوای فشرده و زمان کارکرد سیستم کمپرسور علاوه بر محاسبه هزینه انرژی مورد نیاز است.

هزینه های ثابت سالانه سیستم هوای فشرده

• پرداخت بهره
• استهلاک
• هزینه های استفاده از فضا

هزینه های متغیر سیستم هوای فشرده

• هزینه های انرژی در بار کامل و زمان های بیکاری
• هزینه های کمکی مانند روغن، آب خنک کننده و غیره
• هزینه های نگهداری و تعمیر کمپرسورها

اگر ظرفیت تحویل سالانه [m³] سیستم کمپرسور اکنون بر کل هزینه‌ها [€] تقسیم شود، هزینه‌های هر متر مکعب هوای تولید شده به دست می‌آید.
هزینه تولید یک متر مکعب استاندارد هوای فشرده، بسته به سیستم، تقریباً ۱٫۵ یورو سنت/Nm³ تا ۲٫۷ یورو سنت/Nm³ است.

پتانسیل صرفه جویی در هزینه های انرژی [ € / سال] =

نرخ کل نشت [Nm³/hour] * هزینه هوای فشرده [€/۱ Nm³] * ساعات کار [ساعات کار /۱ سال]

از آنجایی که هوای فشرده خارج شده با چشم انسان قابل مشاهده نیست، به سختی می توان نشتی ها را در کارخانه های تولید بدون تجهیزات مناسب شناسایی کرد.
یکی از راه حل های این مشکل، تعیین محل نشتی با استفاده از امواج فراصوت است؛
زیرا گازهایی که از طریق نشت خارج می شوند، مربوط به منبع اولتراسونیک هستند.
بنابراین می توان از مبدل های اولتراسونیک برای تعیین محل نشتی استفاده کرد.

فرکانس های سونوگرافی که برای گوش انسان قابل شنیدن نیست، باید به سیگنال صوتی قابل شنیدن برای گوش انسان تبدیل شود.
این کار با استفاده از یک ترکیب فرکانس انجام می شود که فرکانس ها را به محدوده ای منتقل می کند که برای گوش انسان قابل شنیدن است.

قلق کار در دستان CS Instruments

شرکت CS Instruments، LD 500 را به عنوان جانشین آشکارساز نشت LD 400 توسعه داده است.
با نشتی یاب LD 500 نه تنها می توان نشتی های هوای فشرده را پیدا کرد،
بلکه می توان مقدار هزینه های هوای فشرده فراری را بر حسب لیتر در دقیقه محاسبه کرد و هزینه های هوای فشرده را به یورو محاسبه و مستند کرد.

علاوه بر این، حسگرهای خارجی (gooseneck and parabolic mirror) توسعه داده شده اند تا کاربر را راحت تر در شرایط مختلف محیطی نشت پیدا کند.
برای کاربر مهم است که بداند چه مقدار هوای فشرده در هر بخش نشتی نشت دارد تا بتواند تصمیم بگیرد کدام نشت هوای فشرده باید حذف شود تا هزینه های تعمیر از هزینه های نشت بیشتر نشود.

اگر نرخ های مختلف نشت بر حسب لیتر در دقیقه به عنوان تابعی از قطر نشتی بر حسب میلی متر و فشار بر حسب بار بیان شود، اطلاعات جدول زیر را مشاهده خواهید کرد.

در جدول زیر، هزینه های ناشی از نشت در طول یک سال عملیاتی (۳۶۵ روز و ۲۴ ساعت) با قیمت ۱٫۹ € سنت / نیوتن متر مربع محاسبه شده است.

با توجه به هزینه های بالا، نشتی یاب LD 500 در محدوده قیمت ۲۰۰۰ – ۳۰۰۰ یورو بسیار سریع هزینه خود را پرداخت می کند.
البته پیش نیاز آن این است که نشتی های یافت شده تعمیر شوند.

۱٫۱ اولتراسوند چیست؟ و چگونه می توان از اندازه گیری اولتراسونیک برای اندازه گیری نشتی استفاده کرد؟

طبق تعریف اشعه ماوراء بنفش، کلمه فراصوت به ناحیه ای از پدیده های صوتی اطلاق می شود که به دلیل فرکانس های بالای آن، دیگر در دسترس انسان نیست.
شکل زیر محدوده فرکانس های مختلف صدا را نشان می دهد.
اولتراسوند نه تنها شامل انتشار امواج صوتی در گازها یا مایعات، بلکه در جامدات نیز می شود.
از آنجایی که حد بالایی از فرکانس های شنیداری از فردی به فرد دیگر متفاوت است، هیچ محدودیت ثابتی بین صدای قابل شنیدن و اولتراسوند وجود ندارد.
فرکانس های صوتی بالای ۲۰ کیلوهرتز معمولا به عنوان اولتراسوند شناخته می شوند.

هیچ تفاوت فیزیکی بین صدای شنوایی و اولتراسوند وجود ندارد؛
زیرا قوانین تولید و انتشار صدا مستقل از فرکانس هستند.
دلیل تمایز بین دو فرم صوتی در ساختار متفاوت مبدل است که صدا را تولید یا دریافت می کند.

۱٫۲ انتشار اولتراسونیک

امواج صوتی نوسانات مکانیکی ذرات در یک محیط خاص هستند.
این بدان معنی است که ذرات تشکیل دهنده محیط اطراف موقعیت استراحت خود در نوسان هستند. شکل زیر به صورت شماتیک انتشار یک موج میرا شده را به ذرات مجاور نشان می دهد. در زمان t0، اولین ذره در وضعیت استراحت خود قرار می گیرد، سپس برانگیخته می شود. بین ذرات فاصله ثابت Δx قرار دارد. مدت زمانی که تحریک به ذره همسایه برسد، با Δt مطابقت دارد.

نسبت Δx / Δt مربوط به سرعت انتشار است.
این میزان بستگی به محیطی دارد که موج بدون تلفات در آن منتشر می شود.
بسته به تحریک، اولتراسوند به شکل (الف) امواج طولی یا (ب) امواج عرضی در مایعات و گازها منتشر می شود.

انواع موج در مایعات و گازها

۱٫۳ اندازه میدان صوتی

به اتاقی که امواج صوتی در آن منتشر می شود، میدان صوتی می گویند.
فشار صوت یا فشار متناوب صدا تعداد فشارهای بیش از حد و کمتری است که برای مثال زمانی که مولکول های هوا از وضعیت استراحت خود جابجا می شوند، اتفاق می افتد.
این تغییر فضایی منجر به چگالی سریع (kg/m³) و تغییر فشار (N/m²) می‌شود.

سرعت صوت (m/s) سرعتی را که مولکول‌ها در اطراف موقعیت استراحت خود در نوسان هستند، توصیف می‌کند.
این پارامتر به عنوان انحراف صدا در واحد زمان تعریف می شود.
سرعت انتشار {۱} صدا در محیط هوا ۳۴۳ متر بر ثانیه در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد است.
در مایعات و جامدات، صدا سریعتر منتشر می شود.

شکل زیر به صورت شماتیک پروفایل فشار صوتی تولید شده در میدان صوتی یک فرستنده اولتراسونیک تخت را نشان می دهد. خطوط نقاط با فشار صوتی برابر را به هم متصل می کنند، رنگ های زرد/خاکستری روشن فشار صدای بالا را نشان می دهند و رنگ های آبی/خاکستری تیره فشار صوتی پایین را نشان می دهند.

۱٫۴ انعکاس و شکست

اگر یک موج صوتی تخت به یک سطح مرزی صاف در یک محیط گازی یا مایع برخورد کند، بسته به ماده سطح مشترک، شکسته و منعکس می شود. این پدیده در شکل زیر نشان داده شده است. موج ورودی در محیط ۱ به سطح مرز برخورد می کند و در همان زاویه به محیط ۱ بازتاب می یابد (زاویه ورود = زاویه خروج)

بسته به ماهیت رابط، موج علاوه بر این شکست می شود و بخشی از انرژی در محیط ۲ آزاد می شود.