NTNU Institutt for Termisk Energi og Vannkraft LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG 64182 PNEUMATIKK FREDAG 5. DESEMBER 1997 Oppgave 1 ( 15% ) a) Velg sylinder for et nettrykk på 6.3 bar. Kraften sylinderen må gi i minusretning er F=3500 N. Bruk belastningsgrad B = 0.80. Nødvendig stangdiameter er d = 32 mm. Svar: Fv Fv 3500 B = Ft = = = F B 08. t Ft Ft 4375( N ), p = A = = A p 4375N N 63, 10 cm 2 = 69, 44cm 2 π A A = 1 ( D 2 4 d ) D = + d 2 4 69, 44 2 = + 32, = 993, c m, 4 π 314, Vi velger sylinder D=100 mm b) Bestem luftforbruket for sylinderen. Stempelet går en gang fram og tilbake pr.sek. Slaglengde s = 200 mm. Vi vil ha én ventil for å kjøre sylinderen fram og tilbake. Svar: Q A s p A s p a a = 1 + 1 = 69, 44 20 7, 3 + 78, 5 20 7, 3 1 = 21, 6 p p + 0 0 dm s 3 L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 1 av 12
d) Definèr begrepet konduktans, C, for en ventil, og beregn C for en 5/2 ventil som brukes til å styre sylinderen i a). Velg diameter på ledningen, når ventilen skal stå L = 2 m fra sylinderen. Diagram er gitt i Vedlegg 1. Svar: Gjennomstrømningskapasiteten, konduktansen, definerer vi slik: Konduktansen C = Q Nl s ( Nl / s bar) 73, bar maks / a 21, 599 - C = = 295, ( Nl / s bar), Vi velger en 5/2 ventil med port dim. G=¼ 73, - Vi velger diameter på ledningen d = 8 mm. e) Foreslå en løsning som reduserer luftforbruket. Hint: Plusslaget trenger nesten ikke kraft. Svar Endre effektventilens forbindelser som vist, og plusslagets trykktluft forsynes gjennom en trykkreduksjonsventil. L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 2 av 12
Oppgave 2 ( 20 % ) a) Trykkluftkvalitet klassifiseres i ISO 8573. Denne standarden er i hovedsak rettet mot anleggets tekniske levetid. Forklar kort etter hvilke kriterier trykkluftkvaliteten klassifiseres. Svar Trykkluftkvaliteten betegnes som partikkelklasse/fuktighetsklasse/oljeklasse. For eksempel er anbefalt klasse ved håndtering av næringsmiddler er 2/2/1. Dette tilsvarer 1mg/m 3 = partikler med størrelse 1 µm fuktighet som tilsvarer et duggpunkt på -20 o C 0.01 mg/m 3 olje b) Beregn Mach-tallet for en luftstrøm med en hastighet på v=420 m/s og en statisk temperatur på T= 20 o C. Konstanten κ = 1.4 for luft. Svar: v M = a ℵRT = 420 1, 4 287 293 = 122, c) I pneumatiske systemer har vi ofte en innsnevring (ventil) som etterfølges av et rør eller en slange. Figuren under viser en slik oppstilling med en dyse og et rør, og trykkvariasjonen med forskjellige utløpstrykk. I oppstillingen er det forutsatt isentropisk strømning i dysen, og strømningen i røret er adiabatisk strømning med friksjon. For hvilken verdi av trykkforholdet mellom reservoartrykket foran dysen og utløpstrykket vil massestrømmen ikke øke mer?. Svar Trykkforholdet p ut /p r = 0.528. L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 3 av 12
d) Skissèr en trykkforhold-massestrømskarakteristikk som beskriver systemet i c) i prinsipp. Vis med pil på grafen i hvilken retning økt lengde på røret vil påvirke kurven. Svar Så figur over, b = 0,528, pil viser resultat av økende lengde på rør. e) Forklar (ikke beregn) hvordan mellomtrykket p i kan finnes fra uttrykket nedenfor for kompresjonsarbeidet når minimum kompresjonsarbeid ønskes. Svar Derivere uttrykket for kompressorarbeidet med hensyn til mellomtrykket p i. Sette den deriverte lik null. dw dp i = 0 L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 4 av 12
Oppgave 3 ( 40% ) Figur 1. viser hovedkomponentene for en automatisk flaske-fyllingsmaskin. Konstruer en automatisk pneumatisk styrekrets slik at flaskene fylles og slippes kontinuerlig. Du skal velge ekstra komponenter hvis det er nødvendig. Anta at samlebåndene går hele tiden, slik at de ikke inngår i konstruksjonen. a) Tegn et funksjonsdiagram for maskinen. b) Tegn et kretsskjema for den pneumatiske kretsen L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 5 av 12
C1 S10 S11 C2 S20 S21 C3 S30 S31 Y1 Y2 Y3 99 START D1 D2 D3 D4 S10 MATERIAL S21 S30 S11 S20 S31 L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 6 av 12
Oppgave 4. (25% ) a) Hvis man setter inn en trykktransducer (trykkmåler) inn i sylinderen på en stempelkompressor, og logger trykket, så vil pv-diagrammet ha noen topper som vist. Forklar kort hvorfor. Svar Trykktap gjennom ventilene som åpner og lukker for lufta inn til sylinderkammeret. b) Skissèr et pv-diagram hvor man finner igjen kompressor-arbeidet L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 7 av 12
c) Isoterm kompresjon gir minst kompressor-arbeid. Vis i et pv-diagram hvordan denne prosessen tilnærmes for en stempelkompressor med to sylindre. (Prinsippskisse med kort forklaring) L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 8 av 12
d) Ventilene i topplokket på en stempelkompressor må ha en klaring ned til stempelets øvre dødpunkt. I hvilken virkningsgrad kommer denne klaringen inn, og i hvilken virkning gir økt klaring. Begrunn kort svarene. Svar : Klaringen kommer inn i η v volumetrisk virkningsgrad. Klaringen representerer et dødvolum. Dødvolumet er med på kompresjonen uten at vi klarer å utnytte denne luften. Økt klaring gir et større dødvolum, og minker leveringsmengdeen. e) Nevn noen metoder for å regulere leveringen fra en kompressor (fortrengningsmaskin). Svar : Svar (side 44, Pichot, 1986) Gjennomstrømning i kompressorer kan reguleres ved Resirkulere den komprimerte gassen til sugesiden (etter kjøling hvis kompresjonsforholdet og resirkulert volum er nok til å risikere en temperaturøkning). Denne metoden representerer et tap av kompresjons-energi like stort som for den resirkulerte gassen. Start og stopp, hvis startingen er myk og rask Endre volumetrisk virkningsgrad med variable klaringslommer og synkronisert blokkering av sugeventilene. Denne metoden virker bare med stempelkompressorer. Endre den effektive klaringen med forsinket lukking av sugeventilene, eller ved å isolere en av flere sylindre (for stempelkompressorer) Variere rotasjonshastighet (variabel hastighet på motor, variator system, momentomformer) Endre fortrengningsvolum med hull midtveis i sylinder for stempelkompressor, og i huset for skrue og vingekompressorer. L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 9 av 12
f) Nevn flere kompressortyper, og sorter, enten i figur eller tabell etter karakteristiske trekk og ytelsesdata. Bruk gjerne kun stikkord. L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 10 av 12
L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 11 av 12
Vedlegg 1. L:\Undervisning2002\sio4052\TidligereEkamensopg\97des5.doc Side 12 av 12