Otázka: Jak vypočítat hodnotu ‚Cv‘ a požadovaný průtok pro vysokorychlostní pneumatické třídění.

V moderních automatických třídicích systémech, jako jsou například systémy používané na třídicích zařízeních pro recyklaci, potravinářský průmysl, logistické balení a výrobu léčiv, je rychlost klíčovým parametrem. Vzduchové trysky nebo kompaktní pneumatické válce musí být schopny aktivovat a zasunout se během několika milisekund, aby vyhodily vadné výrobky z vysokorychlostních dopravních pásů.

Pokud vyberete příliš malý elektromagnetický ventil, pohonný člen nedostane v požadovaném čase dostatečné množství stlačeného vzduchu, což způsobí jeho pomalý pohyb a promíjení cílového předmětu. Naopak výběr příliš velkého ventilu plýtvá stlačeným vzduchem, zvyšuje náklady na energii a zabírá zbytečné fyzické místo. Aby byla dosažena dokonalá synchronizace, musí pneumatictí inženýři vypočítat požadovaný průtok a cv hodnotu ventilu (průtokový koeficient). Níže tým inženýrů společnosti AIRWORK poskytuje podrobný krok za krokem průvodce těmito kritickými výpočty pro dimenzování.

1. Co je Cv hodnota a proč je důležitá?

Cv hodnota, neboli průtokový koeficient, je průmyslový standard, který vyjadřuje průtokovou kapacitu ventilu. Podle definice znamená Cv hodnota 1,0, že ventil propustí 1,0 US galon vody za minutu při tlakovém spádu 1,0 psi mezi jeho vstupem a výstupem. V pneumatice přizpůsobujeme tento standard založený na kapalinách stlačitelným médiím (vzduchu) pomocí matematických převodních vzorců.

Hodnota Cv v podstatě udává, jak velký odpor bude šoupátko ventilu k průchodu vzduchu představovat. Vyšší hodnota Cv znamená větší vnitřní průchod, nižší omezení průtoku a rychlejší pohyb válce.

2. Zjištění rozměru – krok 1: Výpočet objemu válce a spotřeby vzduchu

Pro určení požadovaného průtoku musíme nejprve zohlednit aktuátor, který se má naplnit. Předpokládejme vysokorychlostní třídicí válec s následujícími parametry:

• Průměr válce (D): 20 milimetrů (0,02 metru)
• Zdvih válce (L): 50 milimetrů (0,05 metru)
• Požadovaný čas zdvihu (t): 0,05 sekundy (50 milisekund)
• Provozní tlak (P1): 0,5 MPa (5,0 baru, tj. přibližně 72,5 psi)

Nejprve vypočítejte vnitřní objem komory válce (V) při vysunutí:

• Plocha pístu (A) = 3,1416 × (poloměr průměru²)
• A = 3,1416 × (10 mm × 10 mm) = 314,16 mm² (0,000314 m²)
• Objem komory (V) = Plocha × zdvih = 314,16 mm × 50 mm = 15 708 kubických milimetrů (0,0157 litru)

Protože stlačený vzduch je stlačitelný, musíme tento fyzický objem válce převést na objem volného vzduchu (V_free) za standardního atmosférického tlaku:

• V_free = V × (Absolutní pracovní tlak / Absolutní atmosférický tlak)
• Absolutní pracovní tlak = 0,5 MPa + 0,1 MPa (atmosférický tlak) = 0,6 MPa (6,0 baru)
• Absolutní atmosférický tlak = 0,1 MPa (1,0 bar)
• Poměr = 6,0 / 1,0 = 6
• V_free = 0,0157 litru × 6 = 0,0942 normálního litru (NL) vzduchu na jeden zdvih.

3. Krok výběru rozměru: Určení požadovaného objemového průtoku (Q)

Nyní musíme zohlednit časový limit. Válec se musí úplně vysunout do 0,05 sekundy (t = 0,05 s). Průtok (Q) je objem požadovaného volného vzduchu dělený povoleným časem:

• Q = V_free / t
• Q = 0,0942 litru / 0,05 sekundy = 1,884 litru za sekundu
• Pro převod na standardní litry za minutu (SLPM nebo NL/min) vynásobte hodnotu číslem 60:
• Q = 1,884 × 60 = 113,04 standardních litrů za minutu (NL/min)

Pro převod z NL/min na standardní kubické stopy za minutu (SCFM), což je běžná jednotka B2B na západních trzích, vydělte hodnotu číslem 28,316:

• Q = 113,04 / 28,316 = 3,99 SCFM (přibližně 4,0 SCFM)

Toto je průměrná průtoková rychlost požadovaná během aktivního zdvihu. Však u vysokorychlostních aplikací je nutné uplatnit bezpečnostní faktor 1,5 až 2,0, aby byly zohledněny počáteční tlakové ztráty, tření v potrubí a zpoždění řízení ventilu. Použijeme bezpečnostní faktor 1,5:

• Požadovaný návrhový průtok (Q_design) = 4,0 SCFM × 1,5 = 6,0 SCFM (nebo přibližně 170 NL/min)

4. Krok dimenzování 3: Výpočet požadované hodnoty Cv

Po stanovení námi navrhovaného průtoku (Q_návrh) můžeme vypočítat požadovanou průtokovou charakteristiku ventilu Cv. Standardní průmyslový vzorec pro proudění vzduchu ventilem (v případě podkritického tlakového spádu, tj. kdy je výstupní tlak vyšší než 53 % vstupního tlaku) je:

• Cv = Q_návrh / (22,48 × odmocnina z (ΔP × P2))

Kde:

• Q_návrh = průtok ve SCFM (6,0 SCFM)
• ΔP = povolený tlakový spád na ventilu v psi. Pro maximální účinnost obvykle navrhujeme tlakový spád rovnající se 10 % vstupního tlaku. 10 % z 72,5 psi = 7,25 psi.
• P2 = absolutní výstupní tlak v psi (absolutní vstupní tlak minus ΔP). Absolutní vstupní tlak = 72,5 psi + 14,7 psi (atmosférický tlak) = 87,2 psi. P2 = 87,2 psi − 7,25 psi = 79,95 psi.

Nyní dosadíme hodnoty:

• ΔP × P2 = 7,25 × 79,95 = 579,6
• Odmocnina z 579,6 = 24,07
• Jmenovatel = 22,48 × 24,07 = 541,1
• Cv = 6,0 / 541,1 = 0,011

Toto je minimální požadovaná hodnota Cv pro jednosměrný tok. V praxi však kvůli tření v potrubí a příslušenství volí návrháři B2B ventily s hodnotou Cv výrazně vyšší, obvykle mezi 0,15 a 0,3, aby byla zaručena naprostá přesnost provozu a bezpečnostní rezerva.

5. Výběr správného ventilu AIRWORK

Jakmile vypočítáte požadovanou hodnotu Cv, můžete se poradit s našimi technickými datovými listy. Níže najdete rychlý přehled ventilů řady AIRWORK:

• řada 100 (připojení M5/M6): rozsah hodnoty Cv od 0,2 do 0,4. Ideální pro miniaturizované vysokorychlostní třídicí válce (průměr válce 10 mm až 20 mm).
• řada 200 (připojení 1/8 palce nebo 1/4 palce): rozsah hodnoty Cv od 0,7 do 0,89. Nejpopulárnější volba pro standardní balicí stroje.
• řada 300 (připojení 3/8 palce): rozsah hodnoty Cv od 1,4 do 1,68. Používá se u těžkých třídicích paží a pro přesměrování sypkých materiálů.

Výhoda AIRWORK (JZPNU)

Ve společnosti Zhejiang Jinzhi Pneumatic Technology Co., Ltd. (JZPNU) si uvědomujeme, že výpočty jsou tak přesné, jak přesné jsou fyzické komponenty. Naše ventily značky AIRWORK jsou navrženy tak, aby s extrémní přesností dosahovaly svých deklarovaných průtokových koeficientů Cv:

• Vyleštěné vnitřní povrchy těla ventilu: Snížení vnitřního tření umožňuje uzávěrovému šoupátu okamžitě vyskočit do otevřené polohy, čímž se dosáhne plného průtoku za méně než 10 milisekund.
• Stálé výrobní tolerance: Pro zajištění toho, aby každé tělo ventilu přesně odpovídalo našim technickým průtokovým diagramům, používáme nejmodernější CNC obráběcí linky – díky tomu se vaše fyzické systémy chovají přesně tak, jak předpovídají teoretické výpočty.

Provedením těchto výpočtů a výběrem odpovídajícího vysoce výkonného solenoidního ventilu AIRWORK mohou inženýři B2B zaručit bezchybný výkon při vysokorychlostním třídění, snížit počet chyb při odmítnutí a optimalizovat účinnost stlačeného vzduchu.