Pneumatika

Pneumatika (prema grč. πνευματικός /pneumatikos/, "zračno") znanstvena je i tehnička disciplina koja proučava korištenje stlačenih plinova za obavljanje rada.

Za razliku od hidraulike koja koristi nestlačive kapljevine kao što su voda i ulje, pneumatika koristi zrak koji nema stalan obujam. U većini industrijskih primjena pneumatike radni tlak iznosi od 500 do 700 kPa, dok su u hidraulici uobičajeni tlakovi od 7 do 35 MPa, a iznimno i preko 70 MPa.

• Radni medij je lagan, pa ne opterećuje dovodne cijevi;
• Nema potrebe za povratnom cijevi jer se iskorišteni zrak može ispuštati u okolinu;
• Zrak je elastičan, pa ne postoji opasnost od hidrauličnih udara koji bi mogli oštetiti cijevi ili opremu;
• Stlačeni zrak ima potencijalnu energiju koja se može koristiti i kada kompresor nije u pogonu;
• Stlačeni zrak je gotovo neosjetljiv na promjene temperature i ekstremne uvjete;
• Neosjetljiv je na radijaciju, magnetska i električna polja;
• Sigurnost jer nije eksplozivan niti zapaljiv;
• Prilikom ispuštanja ne zagađuje okoliš;
• Neosjetljivost elemenata na vibracije.

• Može se koristiti mnogo viši tlak jer zbog nestlačivosti medija ne postoji opasnost od eksplozije pri oštećenju spremnika ili cijevi. Zahvaljujući tome može se prenijeti i mnogo veća snaga.
• Stalnost obujma medija omogućuje preciznu kontrolu pomaka radnog mehanizma.

Svojstva pneumatskih sustava su:

• Tlak zraka za napajanje 1-15 bar (uobičajeno 7 bar);
• Pogonske temperature zraka od -10 do 60 ºC (maksimalno do 200 ºC);
• Optimalna brzina strujanja zraka 40 m/s;
• Gibanje elemenata: pravocrtno i rotacijsko;
• Brzina cilindara 1-2 m/s (maksimalno oko 10 m/s);
• Maksimalna ostvariva sila oko 40 kN;
• Maksimalna snaga oko 30 kW;
• U pneumatskim sustavima se kod temperatura stlačenog zraka manjim od -10 ºC pojavljuju problemi sa zaleđivanjem, dok se kod temperatura većih od 60 ºC pojavljuje problem brtvljenja.

Dijelovi pneumatskog sustava mogu se prema njihovoj funkciji u sustavu podijeliti na: ^[1]

• dobivanje i razvod zraka,
• priprema zraka,
• izvršni pneumatski uređaji,
• upravljački dijelovi,
• upravljačko-signalni dijelovi,
• pomoćni dijelovi.

Dijelovi za proizvodnju i razvod zraka imaju zadatak potrošačima osigurati potrebne količine stlačenog zraka odgovarajućih parametara (kompresor, spremnik, cjevovodne mreže za razvod). Grupa za pripremu zraka sadrži filtar zraka, regulacijski ventil i eventualno mazalicu. Glavni vod postavlja se s padom od 1 - 2% u smjeru strujanja zraka, kako bi se osiguralo otjecanje kondenzirane vode. Glavni vod treba osigurati ujednačeni tlak bez obzira na potrošnju zraka.

Kompresor stlačenog zraka služi za pretvorbu mehaničke energije u energiju stlačenog zraka, dok se u pneumatskim motorima obavlja pretvorba energije u suprotnom smjeru. Kompresori zraka i pneumatski motori se bitno ne razlikuju, a konstrukcijski se razlikuju samo u detaljima. Ako se npr. punjenje i pražnjenje cilindra klipnog motora ili kompresora vrši preko usisnih i ispušnih ventila, motor mora imati mehanizam za prisilno otvaranje/zatvaranje ventila (koljenčasto ili bregasto vratilo), dok je kod kompresora moguće samoradno pokretanje ventila (pomoću samog tlaka zraka u cilindru). Često isti stroj može raditi kao kompresor ili motor, zavisno od ugradnje, odnosno povezivanja u sustav.

U pneumatskim upravljačkim i izvršnim elementima ne smije se dopustiti kondenzacija vlage iz zraka. Zato se suvišna vlaga mora izdvojiti, a to se vrši na izlazu kompresora zraka. Postupci sušenja su: kemijski ili apsorpcijski, fizikalni ili adsorpcijski, te toplinski ili postupak pothlađivanja.

U kemijskom postupku, zrak se provodi kroz sloj higroskopne tvari (npr. magnezijev perklorat, litijev klorid, kalcijev klorid). Vlaga se zadržava u tom sloju, cijedi se, sakuplja i odvaja na dnu sloja. Kemikalija se pomalo troši, pa se mora nadoknađivati.

U fizikalnom postupku zrak se provodi kroz usitnjeni silicijev dioksid (silikagel) ili aluminijev oksid. Ova materija se zasićuje vodom, zato se apsorberi ugrađuju u paru. Dok je jedan od njih u funkciji, drugi se regenerira toplim zrakom.

Toplinski postupak ujedno smanjuje previsoku temperaturu zraka na izlazu iz kompresora (hlađenje). Ako se želi osigurati da se prilikom ekspanzije (smanjenje temperature) u pneumatskim uređajima neće kondenzirati voda, potrebno je izvršiti pothlađivanje zraka iz kompresora na temperaturu +1,5 ºC (niža temperatura dovela bi do zaleđivanja vode). Zbog uštede energije, nakon izdvajanja kondenzirane vode, pothlađeni zrak koristi se u izmjenjivaču topline (predhladnjaku) za predhlađenje zraka iz kompresora. Time se pothlađeni zrak zagrijava na neku prihvatljivu temperaturu.

Svrha tlačne posude ili spremnika je: smirivanje tlačnih udara klipnog kompresora (ujednačavanje tlaka), kvalitetnija usklađivanje rada kompresora i potrošnje, preuzimanje vršne potrošnje, te izdvajanje vode i kompresorskog ulja iz stlačenog zraka. Na primjer u prehrambenoj industriji zahtijeva se čisti zrak (suhoradni kompresor zraka, kao što je membranski ili krilni s teflonskim lamelama).

Svaka tlačna posuda mora imati: priključak za dovod stlačenog zraka, priključak za odvod stlačenog zraka, priključak za regulator kompresora, ventil za ograničavanje tlaka (sigurnosni ventil) koji se otvara pri tlaku 10% većem od radnog tlaka, manometar, slavinu za ispuštanje kondenzata ili automatski odvajač kondenzata, otvor za ljude (za čišćenje), zaporni ventil prema mreži i tlačni prekidač.

Optimalna brzina zraka u vodovima je od 10 do 40 m/s; brzine veće od ovih uzrokuju prevelike gubitke. Promjer cjevovoda odabire se tako da gubici tlaka ne prelaze dopuštenu vrijednost (obično se uzima 5% od radnog tlaka ili 0,1 bar). Kako bi se izbjegao prodor kondenzata prema potrošačima, vodovi se postavljaju koso s padom od 1-2%, izlazi prema potrošačima izvode se na gornjoj strani cijevi, na krajevima vodova, uvijek se na najnižem mjestu stavlja posuda za odvajanje kondenzata, vodove treba toplinski izolirati pri prolasku kroz jače zagrijane prostore. Vodovi moraju biti postavljeni pristupačno, radi održavanja. Glavni vodovi izrađuju se od metalnih cijevi (čelik, bakar), a u sve većoj mjeri i od plastičnih materijala. Razvodni vodovi na strojevima se u pravilu izrađuju iz plastike.

Odvajač kondenzata postavlja se na najnižim mjestima u cjevovodnoj mreži i ispred uzlaznih dionica. Nakupljeni kondenzat potrebno je redovito ispuštati prije nego se čašica za kondenzat napuni preko označene granice. Često se koriste automatski odvajači kondenzata. U filtrima koji se ugrađuju ispred izvršnih pneumatskih elemenata izdvaja se uz ostalu nečistoću i kondenzat. Uređaj za automatsko odvajanje kondenzata često se ugrađuje i na dno čašice filtra.

Dijelovi za pripremu zraka obavljaju pripremu (kondicioniranje) zraka, što uključuje čišćenje, podmazivanje i regulaciju tlaka (filtar, mazalica, regulator tlaka). Prije ulaska u pneumatske uređaje, stlačeni zrak je potrebno pripremiti, tj. izvršiti: pročišćavanje zraka, zauljivanje zraka i regulaciju tlaka zraka. Jedinica za pripremu zraka sastoji se od filtra, regulatora tlaka i mazalice (zauljivač, uljilo). Filtar i regulator tlaka često se isporučuju kao jedinstveni pneumatski dio.

Prije ulaska u pneumatske uređaje potrebno je eliminirati nečistoće (vodu kao kapljevinu i paru, kompresorsko ulje, prašinu, produkte korozije). Kompresorsko ulje izloženo je relativno visokim temperaturama u kompresoru (oksidacija) i nije pogodno za podmazivanje pneumatskih uređaja.

Regulator tlaka osigurava stabilan željeni (podešeni) radni tlak. S jedne strane, on neutralizira oscilacije tlaka zbog promjenljive potrošnje zraka (poremećaj na izlaznoj strani regulatora). S druge strane, u njemu se tlak iz glavnog voda (obično 8 -10 bar) smanji na potrebnu vrijednost radnog tlaka (obično 5 - 6 bar).

Mazalica (zauljivač) treba ulje raspršiti u finu maglu u struji zraka. Za ubrizgavanje ulja koristi se princip ejektora. Za postizanje fine magle (sitne kapi) potrebna je posebna konstrukcija.

Izvršni pneumatski uređaji (pogonski elementi ili aktuatori) pretvaraju energiju stlačenog zraka u mehanički rad. Prema načinu kretanja mogu se podijeliti na:

• pneumatski uređaji s ograničenim (njihajućim) kretanjem:

• translacijski (pneumatski cilindri),
• rotacijski (zakretni pneumatski cilindri, koračni pneumatski motori),

• pneumatski motori (rotacijski, s kontinuiranim kretanjem).

U pneumatskim sustavima, pneumatski cilindar je najčešći izvršni element. U principu gibanje cilindra je linijsko (translacijsko), jedino je kod zakretnih cilindara zakretno (rotacijsko).

Pneumatski motor je rotacijski izvršni uređaj kojima se ostvaruje kontinuirano kružno gibanje vratila. U odnosu na kompresore, u motorima se vrši suprotna pretvorba energije (pretvorba energije tlaka zraka u mehanički rad). Konstrukcija motora i kompresora je slična, a ponekad jednaka, tada se isti stroj može koristiti kao motor i kompresor. Kod nekih konstrukcija motora je smjer vrtnje proizvoljan, a promjena smjera se postiže promjenom priključka za stlačeni zrak. U pneumatske pogonske strojeve ubrajaju se:

• klipni pneumatski motori (aksijalni i radijalni),
• lamelni pneumatski motori,
• zupčasti pneumatski motori,
• vijčani pneumatski motori,
• zračne turbine,
• koračni pneumatski motori.

U pneumo-hidrauličkim uređaji vrši se promjena radnog medija, snaga se od zraka predaje na hidrauličko ulje, koje se koristi za obavljanje rada. Korištenje hidrauličkog ulja omogućuje da se postignu male i jednolične brzine kretanja i/ili velike sile. Osnovne grupe pneumo-hidrauličkih elemenata su: pretvarač tlačnog medija, uljni kočioni cilindar i pojačalo tlaka.

Upravljački dijelovi (ventili) upravljaju tokovima energije i informacija (signala). Upravljanje može biti u potpunosti pneumatsko, a najčešće se izvodi u kombinaciji s drugim medijem i elementima (električno). Upravljačko-signalni dijelovi imaju zadatak dobavljati informacije o stanju sustava (senzori, indikatori).

Pneumatski ventili su upravljački elementi koji služe za regulaciju i usmjeravanje radnog medija (stlačeni zrak). Moguće funkcije ventila uključuju: propuštanje, zaustavljanje i promjenu smjera medija; regulaciju protoka i tlaka. U pneumatskom upravljanju ventili prenose energiju i/ili informaciju. Pneumatski ventili mogu biti razvodnici, zaporni ventili, tlačni ventili, protočni ventili, kombinirani ventili, cijevni zatvarači.

Pneumatski razvodnik usmjerava tok radnog medija (stlačeni zrak) propuštanjem, zatvaranjem, promjenom smjera toka. Razvodnici se razlikuju po sljedećim karakteristikama: tip, veličina, način aktiviranja, duljina trajanja signal, konstrukcija. Tip razvodnika određen je brojem priključaka i razvodnih položaja (polja u simbolu). Oznaka tipa razvodnika stavlja se ispred naziva, npr. “3/2 razvodnik” (čita se tri kroz dva) označava razvodnik s 3 priključka i dva razvodna položaja. Veličina razvodnika opisana je priključnom mjerom, odnosno nazivnim promjerom, koja se odabire prema protoku medija. Aktiviranje može biti neposredno i posredno (neposredni i posredni razvodnici). Mogući načini (neposrednog) aktiviranja razvodnika su: fizičko (ručno), mehaničko, tlačno, električko ili kombinirano.

Zaporni ventil ne dopušta protok u jednom smjeru (zatvaraju), a propuštaju u suprotnom smjeru (kao dioda). Povećanje tlaka na izlaznoj strani potpomaže zapornu funkciju (brtvljenje). Zaporni ventil se dijele na: nepovratni, uvjetno zaporni (logički I), naizmjenično zaporni (logički ILI) i brzoispusni.

Nepovratni ventili potpuno zatvaraju protok u jednom smjeru, a u suprotnom propuštaju medij, uz minimalno mogući pad tlaka (mali otpor). Taj pad tlaka je kriterij kvalitete ventila. Zatvaranje se postiže pomoću zapornih elemenata: ploča (tanjur), stožac, kugla. Nepovratni ventili često se kombiniraju s prigušnim ventilima.

Tlačni ventil koriste se za regulaciju tlaka radnog fluida, kao i za niz drugih funkcija baziranih na razini tlaka. Tlačni ventili dijele se na: regulatore tlaka, sigurnosne ventile i proslijedni tlačne ventile.

Sigurnosni ventili (ventili za ograničavanje tlaka) osiguravaju da ne dođe do prekoračenja tlaka u dovodnom vodu. Ako tlak u dovodnom vodu poraste iznad namještene vrijednosti, dovod se spaja s odzračnim odvodom sve dok tlak ne padne ispod namještene vrijednosti.

Protočni ventil djeluje na protok radnog fluida, a posredno i druge veličine koje zavise od protoka, odnosno brzine fluida. Koriste se dva tipa protočnih ventila: prigušni (prigušuju u oba smjera) i jednosmjerno-prigušni (prigušuju u jednom smjeru).

Kombinirani ventil realizira se sastavljanjem elemenata (ventila) iz nekoliko navedenih grupa ventila. Primjeri kombiniranih ventila su: vremenski član (ostvaruje kašnjenje signala), razvodnik s minimalnim tlakom za aktiviranje (proslijedni ventil + 3/2 razvodnik), davač takta, pneumatska memorija, elementi taktnog lanca.

Cijevni zatvarači su ventili i slavine čija svrha je potpuno, statičko zatvaranje cjevovoda, npr. prilikom isključivanja dijela sustava, pri zahvatima održavanja, remontu itd.

Pomoćni dijelovi ispunjavaju različite dodatne funkcije. Pomoćni elementi su priključne i montažne ploče, prigušivači buke (iz poroznih materijala), vakuumski uređaji za prihvat, indikatori, brojači, pretvarači signala, pneumatska pojačala, pneumatski bezkontaktni senzori.

Normalno stanje plina je stanje pri standardnoj temperaturi t = 0 ºC i apsolutnom tlaku p = 1,01325 bar (standardni atmosferski tlak). Pri normalnom stanju, suhi zrak ima sljedeća svojstva:

• R = 287,1 J/kgK plinska konstanta,
• к = 1,4 eksponent izentrope,
• c_v = 722 J/kgK specifična toplinski kapacitet zraka (pri konstantno volumenu),
• c_p = 1011 J/kgK specifična toplinski kapacitet zraka (pri konstantnom tlaku),
• ρ = 1,293 kg/m³ gustoća,
• μ = 17,5٠10-6 kg/ms dinamička viskoznost.

Apsolutni tlak p je normalno naprezanje kojem su podvrgnuta plinovita i kapljevita tijela (fluidi) uslijed mehaničkog djelovanja čestica tih tijela (sudaranje molekula). Ovom naprezanju podvrgnute su i sve čvrste površine uronjene u fluid. ^[2]

Atmosferski tlak ili barometarski tlak pa je apsolutni tlak okolnog atmosferskog zraka koji zavisi od geodetske visine i meteoroloških uvjeta.

Manometarski tlak p_M dobije se tako da se od vrijednosti apsolutnog tlaka p u nekom fluidu računski oduzme vrijednost atmosferskog tlaka, pa vrijedi:

p_M = p - p_a

ili očitavanjem odgovarajućeg manometra. Manometar je instrument za mjerenje tlaka koji u suštini mjeri razliku tlaka između dva fluida: u ovom slučaju između mjerenog fluida i okolnog atmosferskog zraka).

U slučaju p > p_a dobiva se pozitivna vrijednost manometarskog tlaka (p_M > 0) koji se tada naziva pretlak. Ako je p < p_a, manometarski tlak poprima negativnu vrijednost (p_M < 0) i tada se naziva podtlak. Apsolutna vrijednost podtlaka naziva se vakuum p_V (p_V = -p_M > 0) i često se izražava u postocima atmosferskog tlaka (p_V% = -p_M / p_a •100%).

Treba naročito naglasiti da je u pneumatici i hidraulici uobičajeno koristiti naziv tlak i oznaku p za pretlak. Zato je pri računanju s tlakom uvijek potreban izvjestan oprez. U termodinamičkim relacijama pojavljuje se gotovo isključivo apsolutni tlak. Kod određivanja sile tlaka na površinu mjerodavna je razlika tlaka na obje strane te površine. Zato se može koristiti pretlak, a to je i pogodnije ako na jednoj strani površine djeluje atmosferski tlak. U Bernoullijevoj jednadžbi tlak se pojavljuje na obje strane jednadžbe, pa jednadžba u istom obliku vrijedi kako za apsolutni tlak, tako i za pretlak.