Эффективное управление работой пылесборников в системах термического напыления

Проектирование надлежащей системы

На крупном производстве для термического напыления обычно используется специальная камера. Неиспользованные распыляемые вещества отводятся из камеры системой вентиляции, а в камеру попадает свежий воздух. Для эффективного удаления частиц материала можно определить оптимальный объем воздуха в зависимости от конструкции камеры и формы обрабатываемой заготовки. Например, для надлежащего удаления пыли из камеры может потребоваться система вентиляции с потоком воздуха 17 000 м³/ч (10 000 футов³/мин). Система с повышенным потоком увеличит расходы, а система с недостаточным потоком не справится с пылевой нагрузкой.

Используя значение оптимального потока как отправную точку, можно приступить к проектированию надлежащей системы пылеудаления. Система обычно включает в себя воздуховод для транспортировки пыли, фильтр для удаления пыли из потока воздуха и вентилятор, создающий воздушный поток. Вытяжной вентилятор для системы с потоком 17 000 м³/ч (10 000 футов³/мин) может иметь мощность 30–40 л. с. Требования к воздушному потоку, как правило, являются постоянными и меняются только при изменении конструкции камеры. Считается, что скорость потока 1066–1219 м/мин (3500–4000 футов/мин) является оптимальной для транспортировки пыли в воздуховоде круглого сечения.¹ Если снизить скорость потока, частицы пыли будут падать и скапливаться на дне воздуховода, создавая опасность возгорания и засоряя воздуховод. Увеличение потока воздуха повышает энергопотребление вентилятора и ускоряет износ воздуховодов. В данном примере для перемещения воздушного потока 17 000 м³/ч (10 000 фут³/мин) со скоростью 1066–1219 м/мин (3500–4000 футов/мин) требуется воздуховод круглого сечения диаметром 56 см (22 дюйма). Площадь поперечного сечения этого воздуховода составляет 0,2453 м² (2,6398 фута²), а скорость потока — 1155 м/мин (3788 футов/мин).

Вентиляторы и статическое давление

Промышленные вентиляторы создают разрежение, которое приводит к прохождению воздуха через систему. Это разрежение называется статическим давлением и обычно измеряется в миллиметрах (дюймах) водяного столба. Проектировщики используют различные математические модели для оценки статического давления, необходимого для достижения требуемого воздушного потока. На требуемое статическое давление влияют, в том числе, следующие параметры системы:

• размер и геометрия камеры для термического напыления;
• количество и радиус угловых патрубков (изгибов) воздуховода;
• общая длина воздуховодов системы;
• диаметр используемого воздуховода и скорость потока воздуха;
• выбранный пылесборник;
• средства тонкой очистки (например, фильтр HEPA или глушитель выпуска).

Многие из этих параметров не меняются в течение всего срока эксплуатации системы. Исключение составляют фильтры пылесборника и фильтры HEPA. По мере накопления пыли на фильтрах увеличивается перепад давления или сопротивление потоку воздуха. Системе потребуется увеличить статическое давление, чтобы компенсировать влияние скопления пыли на поверхности фильтров.

Вентиляторы обычно выбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха в течение всего срока службы фильтров, включая дополнительное статическое давление для поддержания потока воздуха, когда срок службы фильтров подходит к концу. Фильтры, срок службы которых истекает, имеют более высокий перепад давления по сравнению с новыми фильтрами. Чтобы продлить срок службы фильтров в пылесборнике для системы термического напыления, используется система очистки фильтров в процессе работы. Повторное накопление пыли на фильтрах с последующим циклом самоочистки пылесборника создает небольшие колебания требуемого статического давления в системе. Если этого не предотвратить, поток воздуха в системе будет уменьшаться и увеличиваться, что вызовет проблемы осаждения пыли в воздуховоде или в камере для термического напыления.

Избыточный поток воздуха в камере для термического напыления может снизить качество покрытия, отводя часть распыляемого материала от заготовки. Чтобы избежать этих проблем, необходимо регулировать поток воздуха. Наиболее распространенным средством управления вентилятором является заслонка, которая создает дополнительную нагрузку на вентилятор, чтобы поддерживать требуемый воздушный поток. Для поддержания требуемой скорости воздушного потока в воздуховоде необходимо открывать или закрывать заслонку². Этот способ имеет низкую точность, которой недостаточно для постоянного поддержания расчетного воздушного потока через систему. Управление заслонкой вручную потребовало бы постоянного наблюдения со стороны квалифицированного сотрудника. Это было бы дорого и сложно. Это объясняет, почему в большинстве систем пылеудаления для операций термического напыления не используется управление вентилятором.

Частотно-регулируемый электропривод и системы управления воздушным потоком

Более удобным способом управлять вентилятором и поддерживать постоянный поток воздуха в системе является применение частотно-регулируемого электропривода. Он изменяет частоту вращения двигателя вентилятора в зависимости от частотного сигнала. Трехфазные электрические сети в Северной Америке обычно работает с частотой 60 Гц. Использование частотно-регулируемого электропривода позволяет оператору выбирать частоту, замедляя или ускоряя вращение вентилятора. В идеальной системе максимальная частота вращения вентилятора достигалась бы только при наличии соответствующего статического давления из-за засорения фильтров. В остальное время вентилятор работал бы с пониженной частотой вращения, достаточной для создания необходимого статического давления. Этот способ управления позволяет экономить средства. По сравнению с системами без управления потоком, где вентилятор постоянно работает на повышенной скорости (для гарантированной вентиляции камеры для термического напыления), в подходе с применением частотно-регулируемого электропривода используется интеллектуальная система, которая поддерживает требуемый поток воздуха, экономя энергию.

Существуют математические модели, которые подтверждают эффективность такой системы, используя несколько допущений и параметров системы. Как правило, установка частотно-регулируемого электропривода и системы управления воздушным потоком может окупиться менее чем за два года и позволит поддерживать требуемую скорость воздушного потока в системе пылеудаления. Это может уменьшить износ системы, особенно высокоэффективных фильтров с поверхностной фильтрацией, необходимых для операций термического напыления. При обосновании установки частотно-регулируемого электропривода и системы управления воздушным потоком следует учитывать следующие возможности для экономии средств:

• стоимость фильтров;
• затраты на оплату труда;
• расходы на утилизацию;
• расходы на создание запасов;
• стоимость доставки при заказе новых фильтров и утилизации старых фильтров;
• качество обработки;
• стабильная работа системы и поддержание требуемого воздушного потока в системе.

Управление частотно-регулируемым электроприводом

Решив использовать частотно-регулируемый электропривод, необходимо выбрать способ непрерывной подачи управляющего сигнала. Целью системы управления является поддержание требуемого воздушного потока независимо от колебаний статического давления в системе. Устройство измерения воздушного потока, установленное в системе воздуховодов, позволит контроллеру соответствующим образом регулировать частоту вращения вентилятора. Устройства измерения потока лучше всего работают в чистом воздухе, поэтому их обычно устанавливают после фильтров. Это может быть воздуховод на выходе вентилятора. Длина воздуховода должна быть достаточной для надежного измерения общего воздушного потока, проходящего через систему.

Кроме измерения воздушного потока, можно также измерять статическое давление в месте подсоединения воздуховода к пылесборнику. Статическое давление, необходимое для поддержания расчетного воздушного потока, зависит от ряда параметров, которые не будут меняться, пока в систему не будут внесены изменения. Если система работает с расчетным потоком воздуха, загрязнение и очистка фильтров не приведет к изменению необходимого статического давления на входе в пылесборник. Самым простым способом управления частотно-регулируемым электроприводом в системе пылеудаления является контроллер, поддерживающий статическое давление. Когда сопротивление фильтров потоку возрастает, создаваемый вентилятором поток воздуха уменьшается. Это уменьшение воздушного потока приводит к снижению статического давления в воздуховоде перед пылесборником, поэтому контроллер даст сигнал частотно-регулируемому электроприводу увеличить мощность, чтобы поддержать статическое давление. И наоборот, после очистки фильтров импульсами сжатого воздуха сопротивление потоку в системе падает, поэтому мощность частотно-регулируемого электропривода уменьшается, чтобы поддерживать статическое давление на постоянном уровне. Результатом такого управления является поддержание расчетного воздушного потока и сопровождающие его преимущества и экономия средств.

Что стоит учитывать

Существуют ситуации, когда использование частотно-регулируемого электропривода и системы управления воздушным потоком имеет ограниченные преимущества. Если для одновременной вентиляции одной или двух камер в системе с множеством камер для термического напыления используется только один пылесборник и один вентилятор, не существует простых способов управления мощностью вентилятора. Это ограничение, накладываемое системой воздуховодов, а не частотно-регулируемым электроприводом.

Заключение

Технология термического напыления постоянно совершенствуется, а новые подходы зачастую создают проблемы для связанных компонентов, например систем отведения. С другой стороны, совершенствование компонентов систем может улучшить общие условия операций термического напыления, и все существующие системы пылеудаления для термического напыления смогут выиграть от использования частотно-регулируемого электропривода. Все больше производителей осознают важность управления воздушным потоком и связанные с ним возможности для экономии энергии.