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圧縮空気の分配

Compressor Installations Compressed Air Wiki Air Distribution Compressors

圧縮空気の分配システムが適切でないと、電気コストの増大、生産性の低下、エアツールの性能低下につながります。圧縮空気分配システムにおいて求められる3つのことは、コンプレッサとエア消費ポイント間の圧損が低いこと、分配パイプからの漏れが最小限であること、圧縮空気ドライヤを設置しない場合は凝縮水分離の効率性が高いことです。

コンプレッサとエア消費ポイント間の圧損を低く維持する方法

これら3つの要件が大きく該当するのは、メインパイプ、そして現在のニーズと将来のニーズに対する圧縮空気の計画消費量です。最初に必要とされるより大きなパイプ寸法と継手を設置するコストのほうが、後になって分配システムを作り直す場合よりも低コストです。エアライン網のルーティング、設計、寸法は圧縮空気生産の効率性、信頼性、コストにとって重要です。パイプラインの圧損が大きくなっても、コンプレッサの運転圧力をたとえば7 bar(e)から8 bar(e)に増やすことで補えることもあります。この場合、圧縮空気の経済性は低下します。そのうえ、圧縮空気の消費量が減少すると、圧損も減少し、その結果、エア消費ポイントの圧力は上昇して許容レベルを超えます。

これら3つの要件が大きく該当するのは、メインパイプ、そして現在のニーズと将来のニーズに対する圧縮空気の計画消費量です。最初に必要とされるより大きなパイプ寸法と継手を設置するコストのほうが、後になって分配システムを作り直す場合よりも低コストです。エアライン網のルーティング、設計、寸法は圧縮空気生産の効率性、信頼性、コストにとって重要です。パイプラインの圧損が大きくなっても、コンプレッサの運転圧力をたとえば7 bar(e)から8 bar(e)に増やすことで補えることもあります。この場合、圧縮空気の経済性は低下します。そのうえ、圧縮空気の消費量が減少すると、圧損も減少し、その結果、エア消費ポイントの圧力は上昇して許容レベルを超えます。

固定型の圧縮空気分配網の場合は、コンプレッサと最も遠い消費ポイントの間でパイプ内の圧損が0.1 barを超えないように寸法を決定する必要があります。これに、フレキシブルホース、ホース継手、その他の継手をつなぐ場合の圧損を加算する必要があります。こうした接続部で最も大きな差圧が発生しがちなため、これらの部品の寸法を適切に決めることが非常に重要です。

パイプ網において特定の差圧に許容される最長の長さは、次の式で計算できます。

l = パイプの全長(m)
∆p = パイプ網で許容される圧損(bar)
p = 入口圧力(絶対圧)(bar(a))
qc = コンプレッサの自由空気吐出量(FAD)(l/s)
d = パイプ内径(mm)

エア消費エリア周囲の配管システムを設計する際の最も良いソリューションは、閉鎖ループリングラインです。この方法では、ブランチパイプをループから様々な消費ポイントまで配管することができます。これにより空気が2方向から消費ポイントに供給されるため、断続的に使用量が増えても、圧縮空気が均一に供給されます。このシステムは、あらゆる設備に使用されますが、コンプレッサ設備からエア消費量が大きなポイントまでの距離が非常に長い場合は別です。このようなポイントまでは、メインパイプを個別に配管します。

エアレシーバとは

各コンプレッサ設備には、1台以上のエアレシーバが含まれています。エアレシーバのサイズは、コンプレッサの容量調整システム圧縮空気消費装置の空気要件パターンの関数で表されます。エアレシーバは圧縮空気のバッファ貯蔵エリアとなり、コンプレッサの脈動のバランスを取り、空気を冷却し、凝縮水を収集します。したがって、エアレシーバは凝縮ドレーン装置に取り付ける必要があります。レシーバの容量を決めるときは、以下の関係が適用されます。この関係が適用されるのはオフロード/ロード調整を搭載したコンプレッサだけです。

V = エアレシーバ容量(l)qC = コンプレッサFAD(l/s)
p1 = コンプレッサ入口圧力(bar(a))
T1 = コンプレッサの最高入口温度(K)
T0 = レシーバ内のコンプレッサ空気温度(K)
(pU -pL) = 負荷と無負荷の間の設定された差圧
fmax = 最高負荷周波数(30秒ごとに1サイクルをアトラスコプコのコンプレッサに適用)

各コンプレッサ設備には、1台以上のエアレシーバが含まれています。エアレシーバのサイズは、コンプレッサの容量調整システム圧縮空気消費装置の空気要件パターンの関数で表されます。エアレシーバは圧縮空気のバッファ貯蔵エリアとなり、コンプレッサの脈動のバランスを取り、空気を冷却し、凝縮水を収集します。したがって、エアレシーバは凝縮ドレーン装置に取り付ける必要があります。レシーバの容量を決めるときは、以下の関係が適用されます。この関係が適用されるのはオフロード/ロード調整を搭載したコンプレッサだけです。

エアレシーバの基礎

可変速制御(VSD)を搭載したコンプレッサでは、エアレシーバに必要とされる容量が大幅に減少します。前述の式を使用する場合、qcは最低速度におけるFADと見なされます。短期間に大量の圧縮が必要とされるとき、この極端な空気消費量パターンに合わせてコンプレッサやパイプ網の寸法を決定するのは経済的な観点から実用的ではありません。個別のエアレシーバを消費ポイントの近くに配置し、寸法は空気の最大出力に基づいて決定します。もっと極端なケースでは、小型の高圧コンプレッサを大型のレシーバと一緒に使用することで短期間、長間隔の大量空気要件に対応できます。ここでは、コンプレッサは平均的な消費量に対応できる寸法にします。

V = エアレシーバ容量(l)
q = 排気フェーズのエアフロー(l/s)
t = 排気フェーズの持続時間(s)
p1 = 配管の正常運転圧力(bar)
p2 = 圧縮空気消費装置の機能の最小圧力(bar)
L = 充填フェーズの空気要件(1/作業サイクル)

この式では、コンプレッサは排気フェーズ時に空気を供給しうるという事実は考慮されていません。一般的な用途は大型船エンジンの起動で、レシーバの充填圧力は30 barです。

エアレシーバおよびサイズ決定方法の詳細については、こちらをご覧ください。

圧縮空気網の設計

圧縮空気網を設計および寸法決定する際の出発点は、圧縮空気を消費するすべての装置の一覧と、それぞれの装置の場所を示す図です。圧縮空気を消費する装置は論理的にグループ分けし、それらには同じ分配パイプで空気を供給します。分配パイプには、ライザーによってコンプレッサから空気を供給します。大規模な圧縮空気網は主に次の4つの部分に分割できます。
- ライザー
- 分配パイプ
- サービスパイプ
- 圧縮空気継手
圧縮空気はライザーによってコンプレッサから消費エリアに送られます。
分配パイプは空気を分配エリアに分けます。サービスパイプが、分配パイプを通ってきた空気を作業場まで送ります。

圧縮空気網の寸法決定

空気網の配管システム、空気の分配

一般的に、コンプレッサ直後の圧力がすべて活用されることはありません。圧縮空気の分配によっていくらかの圧力が失われるためです。主にパイプ内の摩擦により失われます。さらに、バルブとパイプベンド内でスロットル現象とフローの方向変更が発生します。損失は熱に変換され、圧損となります。


分配網の様々な部分(ライザー、分配パイプ、サービスパイプ)の必要パイプ長さが決定されます。この際の基準に適しているのが、分配網の計画の縮尺図です。パイプの長さは、下の図のようにバルブ、パイプベンド、ユニオンなどのパイプの長さを追加して、修正します。

分配網の様々な部分(ライザー、分配パイプ、サービスパイプ)の必要パイプ長さが決定されます。この際の基準に適しているのが、分配網の計画の縮尺図です。パイプの長さは、下の図のようにバルブ、パイプベンド、ユニオンなどのパイプの長さを追加して、修正します。

前述の式の代わりに、パイプの直径を計算する際にノモグラム(下記を参照)を使用して最も適したパイプの直径を見つけることができます。この計算を行なうためには、流量、圧力、許容される圧損、パイプの長さが分かっていなければなりません。最も近い最大のパイプ直径がこれで決まります。

設備の全部分のパイプ等価長は、継手とパイプ部品のリスト、パイプの等価長で表されるフローの抵抗を使用して計算します。これらの「追加」パイプ長さが、当初のパイプ直線長さに追加されます。分配網に選択した寸法をこの後に再度計算して、圧損が大きくなり過ぎないようにします。大規模な設備の場合は、個々のセクション(サービスパイプ、分配パイプ、ライザー)を個別に計算する必要があります。

コンプレッサ設備内のフロー測定

エアフローメーターを導入することで、会社内の圧縮空気使用量の社内経費計上や配分を容易に行なえます。圧縮空気は生産手段であり、会社内の各部門の生産コストに含める必要があります。このような考え方から、各部門内で消費量を削減しようとすることで関係者全員が恩恵を得ます。

現在市販されているフローメーターは、数値の手動読み取りや、測定データをコンピュータや経費計上モジュールへ直接送信するなど、あらゆることに対応します。このようなフローメーターは、通常、遮断弁の近くに取り付けられます。環状測定の場合は特に注意する必要があります。メーターは前方フローと後方フローの両方を測定できなければならないからです。

コンプレッサシステムの設置プロセスの詳細は、以下をご覧ください。

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エアレシーバとは

エアレシーバは圧縮空気タンクとも呼ばれ、圧縮空気システムに不可欠な部分です。こちらで詳細をご確認いただけます。