圧縮空気パイプのサイジング: 圧力損失を計算し、適切なパイプ直径を選択する方法

圧縮空気パイプのサイジングが重要な理由

圧縮空気の分配は、プラント ユーティリティ システムの二次的な部分として扱われることがよくありますが、コンプレッサーによって生成される圧力が実際に使用点に到達するかどうかは、配管ネットワークによって決まります。圧力損失には、配管径、配管全長、継手、バルブ、フィルター、ドライヤー、主管と分岐管のレイアウトがすべて影響します。ネットワークの規模が小さい場合、プラントはコンプレッサーの吐出圧力を高めることで補償することがあります。これにより、基礎となる配電設計を改善することなく、エネルギー使用量が増加する可能性があります。

NRCan 基準点: 適切に設計された圧縮空気システムでは、通常、コンプレッサーの吐出口と最終使用点の間の総圧力損失がコンプレッサーの吐出圧力の 10% 未満に抑えられる必要があります。 NRCan はまた、基準の 100 psi システムでは、吐出圧力が 2 psi 増加するたびに、最大出力でエネルギー使用量が約 1% 増加する可能性があると述べています。

1. パイプ直径を選択する前に設計入力を定義する

パイプのサイジングは、推奨されるパイプ サイズではなく、システム要件から始める必要があります。少なくとも次のことを確立します。

· 使用の最も遠い点または重要な点で必要な圧力。

· ピークおよび通常の圧縮空気需要。SCFM または別の明確に定義された流量基準で表すことが好ましい。

・幹線長と支線最長距離。

· 流路内の継手、バルブ、フィルター、ドライヤー、レギュレーター、クイックコネクターの数と種類。

· 必要な空気品質および該当する ISO 8573-1 純度クラス (該当する場合)。

· 予想される生産拡大と、後で流通システムに追加のドロップや分岐が必要かどうか。

コンプレッサーの馬力だけで配管のサイズを決めないでください。コンプレッサーの銘板には機械の説明が記載されていますが、パイプのサイジングは実際の空気需要と供給と使用点の間の抵抗を考慮する必要があります。

2. 設計フローの確立

予備設計の場合に役立つエンジニアリング フレームワークは次のとおりです。

Q_設計 = Σ(Q_設備 × 需要率) + 成長余裕

これは、普遍的なコード方程式ではなく、計画上の公式です。需要係数は同時に動作する空気圧負荷の数によって決まり、実際の生産動作または文書化されたエンジニアリングの仮定に基づく必要があります。 NRCan は、コンプレッサー容量の実際的な購入検討事項として 20% ～ 30% の増加余地があると指摘しています。対応する配管システムの許容値は、盲目的に適用するのではなく、プロジェクトに応じて選択する必要があります。

3. 圧力損失を設計制約として使用する

圧力損失は、上流で利用可能な圧力と下流に供給される圧力との差です。実際の圧縮空気システムでは、圧力損失は、直管全体と、エルボ、ティー、バルブ、フィルター、ドライヤー、コネクタなどのコンポーネント全体で発生します。 NRCan は、ジョイント、曲げ、接続点によって追加の圧力損失が発生することを特に警告し、一般的な継手の同等の長さの参照データを提供します。

エンジニアリング目標: 圧力降下をシステムの予算として扱います。コンプレッサーを不必要に高い吐出圧力で動作させることなく、最終機器が必要な圧力を受け取ることができるように、配管ネットワークに十分な圧力を確保してください。

有用な初回パスの圧力バジェット

・コンプレッサー吐出圧力

・ドライヤーとフィルター間の圧力損失

・主配管の圧力損失

・分岐配管や継手による圧力損失

· 使用時点での濾過/調整の損失

・装置入口の必要圧力

設計では、最終的なパイプ直径を選択する前に、この圧力バジェットを閉じる必要があります。計算された損失が大きすぎる場合は、パイプの直径を大きくする、流路を短くする、不要な継手を減らす、レイアウトを改善する、または必要に応じてループ状の分配配置を​​使用するなどのオプションがあります。

4. 公開された流量データを予備パイプ選択に使用する

Natural Resources Canada は、1 psi の圧力降下におけるパイプ 1,000 フィートあたりの空気流量のおおよその参考表を発行しています。これらの値は、プロジェクトの最終計算ではなく、予備的な比較に役立ちます。

参考データはカナダ天然資源局から転載。条件: 1 psi の圧力降下におけるパイプ 1,000 フィートあたりのおおよその空気流量。予備的な比較としてのみ使用してください。プロジェクト固有の計算で最終的なサイジングを確認します。

5. 継手および相当長さを無視しないでください

直線パイプの計算は許容範囲内に見えますが、実際のシステムでは依然として過剰な圧力損失が発生します。その理由は、あらゆるエルボ、ティー、バルブ、接続部に抵抗が加わるためです。 NRCan は同等の長さの例を提供します。公称 1 インチのパイプの場合、90° エルボは同等の直管の約 2.5 フィートにリストされます。 4 インチのパイプの場合、同じ基準値は約 12 フィートです。これらは単なる指標であり、プロジェクトの設計値ではありません。

実際の意味は単純です。同様のパイプ長を持つ 2 つのレイアウトを比較すると、制限的なターンが少なく、より適切に計画された継手を備えたレイアウトの方が、総圧力損失が低くなります。

6. ブランチ レイアウトとループ レイアウトの比較

シングルエンドの分岐ネットワークは、1 つのメイン パスを通じて空気を供給します。ループされたメインでは、システムのセクション間に複数の可能なパスが作成されます。複数の生産エリアを持つ工場の場合、パイプの直径と分岐の設計が適切であれば、ループを使用すると流れをより均等に分配し、単一の長い行き止まりの経路に対する影響を軽減できます。

設計上の注意: ループは圧力降下の問題を自動的に解決しません。ループには、依然として適切なパイプ直径、バランスのとれた分岐、適切な遮断バルブ、および実際の生産需要を反映したレイアウトが必要です。

7. システムレビューに空気漏れを含める

パイプのサイジングと漏れ管理は異なるエンジニアリング作業ですが、どちらもプラントが生成する必要がある圧縮空気の量に影響します。 NRCan は、一般的な産業施設ではコンプレッサー出力の 20% ～ 30% が空気漏れとして現れることは珍しいことではなく、事前の漏れ検出と修理プログラムにより漏れを工場の圧縮空気生産量の 10% 未満に削減できると述べています。

NRCan の例: 参考例では、100 psi で 100 cfm の漏れを維持するコストは、4,250 動作時間と 0.10 米ドル/kWh の電気代を想定して、年間約 8,500 米ドルと見積もられています。これは例示的なシナリオであり、普遍的なコストの数値ではありません。実際のコストは、圧力、時間、コンプレッサーの効率、電気代によって異なります。

8. パイプの材質と接続システムを選択します

必要な直径とレイアウトが理解されると、材料と接続の設計がライフサイクルの決定の一部になります。産業用圧縮空気の供給では、腐食挙動、内部表面の状態、接続の完全性、設置方法、メンテナンスへのアクセス、ネットワークの拡張能力などを考慮する必要があります。

UPIPE 製品ドキュメントには、圧縮空気、真空、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの不活性ガス用の配管システムが記載されており、公称サイズは DN20 から DN200、使用圧力は 16 bar と記載されています。このカタログでは、フルサイズのフィッティング設計、アクティブ シーリング、凸状リング クランプ接続、クイック接続機能も強調しています。

重要: UPIPE 製品の評価は、製品ドキュメントの値です。アプリケーション エンジニアは、システムを指定する前に、該当する製品構成、温度、媒体、ローカル要件、およびプロジェクト条件を確認する必要があります。

9. 実用的な設計例

ピーク設計フローが 800 SCFM の製造ラインを考えてみましょう。主要な流通経路は十分に長いため、配管径だけでは圧力損失を評価できません。継手、バルブ、分岐接続も含める必要があります。

1. ステップ 1: 最も要求の厳しい使用箇所で必要な圧力を確認します。

2. ステップ 2: 配電ネットワークの圧力損失バジェットを設定します。

3. ステップ 3: 公開されたフロー テーブルは、候補直径の予備スクリーニングとしてのみ使用してください。

4. ステップ 4: エルボ、ティー、バルブに同等の長さの効果を追加し、完全な圧力降下を計算します。

5. ステップ 5: 複数の生産領域が供給されている場合、シングルエンド構成とループ構成を比較します。

6. ステップ 6: 最終構成を選択する前に、将来の需要、漏れ管理戦略、およびメンテナンス アクセスを確認します。

重要な点は、 800 SCFM が 1 つの「正しい」パイプ サイズに自動的にマッピングされるわけではないということです。正しい直径は、許容される圧力降下、パイプの長さ、空気条件、継手の構成、および必要な最終使用圧力によって異なります。

10. UPIPE エンジニアリングアプローチ

UPIPE は、圧縮空気配管を個々の配管セクションの集合ではなく、完全な分配システムとしてアプローチします。製品カタログでは、フルサイズのフィッティング、アクティブ シーリング、クイック接続、モジュール構成を強調しています。これらの機能は、設置速度、接続の信頼性、将来の変更が重要な考慮事項となる産業システムをサポートすることを目的としています。

プロジェクトに関する問い合わせの場合、UPIPE は配管構成をより効果的に評価できるように、次の情報を提供することをお勧めします。

・コンプレッサー出口圧力と公称コンプレッサー能力

・装置の必要作動圧力

· ピークおよび通常の空気需要

・幹線長とフロア・生産エリアのレイアウト

・落下数と主な機器接続箇所

· 特別な空気の質、温度、または環境要件

・将来的に予想される生産ラインの拡張または追加

11. パイプのサイジング後も空気の質は重要

パイプのサイジングは空気処理に代わるものではありません。 ISO 8573-1 は、粒子、水、油に関する圧縮空気の純度クラスを指定し、ガス状および微生物汚染物質も特定します。必要な純度クラスは用途によって異なります。したがって、完全なシステムでは、コンプレッサー、乾燥機、フィルター、レシーバー、分配配管、および使用時点での処理を 1 つのシステムとして考慮する必要があります。

12. 圧縮空気パイプのサイジングに関する実際的なチェックリスト

結論

圧縮空気パイプの効果的なサイジングは、単にパイプの直径を選択するだけではなく、圧力管理の問題です。エンジニアは、ピークエアフロー、圧力降下の制限、パイプの長さ、継手、レイアウト、漏れ、将来の拡張、および空気品質の要件のバランスを取る必要があります。

公開されている NRCan データは、有用な参考点を提供します。適切に設計されたシステムでは、総圧力損失がコンプレッサーの吐出圧力の 10% を十分に下回っている必要があります。吐出圧力が 2 psi 増加するごとに、基準条件下でエネルギー使用量が約 1% 増加する可能性があります。一般的な工業用漏れは、コンプレッサー出力の 20% ～ 30% に達する可能性があります。これらの数字は、配電設計とメンテナンスがコンプレッサー自体と同じように注意を払う必要がある理由を示しています。

UPIPE は、アルミニウム配管を使用する産業プロジェクト向けに、DN20 ～ DN200 サイズと 16 bar の作動圧力をリストした製品ドキュメントを備えた、圧縮空気、真空、不活性ガスのアプリケーションをカバーするモジュラー システムを提供します。プロジェクト固有の選択は、実際の動作条件および適用される要件に照らして常に検証する必要があります。

産業用圧縮空気の配管レイアウトを検討する際にサポートが必要ですか?プロジェクトについて話し合うために、空気流、圧力、パイプの長さ、プラントのレイアウト要件を UPIPE に問い合わせてください。