Projektant przystępujący do opracowania instalacji transportu pneumatycznego, o wyznaczonej
długości i trasie, stoi częstokroć przed niełatwym zadaniem doboru parametrów ruchowych,
zapewniających wydajność i pewność działania. W głównej mierze dotyczy to średnic i wielkości
ciśnienia. Dużym średnicom rurociągów towarzyszą na ogół niskie ciśnienia robocze,
natomiast instalacje wysokociśnieniowe bazują zazwyczaj na średnicach mniejszych. Istnieje
przy tym niemal nieskończona liczba możliwych kombinacji tych parametrów. Gdzie jednak w tym obszarze znaleźć optimum?

WPŁYW ŚREDNICY RUROCIĄGU

Na przekór wszakże nieograniczonym w teorii możliwościom kojarzenia średnic i ciśnień przy projektowaniu systemów transportu pneumatycznego pojawia się sporo ograniczeń, bo np.:

● Dostępność średnic przewodów rurowych wyznaczają dostawcy posługujący się warunkami technicznymi, które w oparciu o szeregi liczb normalnych narzucają stopniowanie wymiarów w procesach walcowania i ciągnienia rur,

● W systemach otwartych, tj. z wylotem do atmosfery, nie przekracza się w praktyce granicy + 5 barów (0,5 MPa) z uwagi na efekt rozprężania powietrza w miejscu odbioru produktu.

Nawet jednak i w tej sytuacji obszar wyboru parametrów pneumatycznego transportu materiałów pozostawia projektantom systemów jeszcze sporo swobody. Rodzi się wszakże pytanie o konsekwencje ekonomiczne, zwłaszcza w kontekście uwarunkowań wynikających z naturalnych własności uczestniczących w tym materiałów.

W poszukiwaniu rozwiązań optymalnych posłużono się więc instalacją doświadczalną (ilustracja 1.), którą wykorzystano do wyznaczenia charakterystyk przesyłowych dwóch diametralnie różniących
się własnościami produktów - pylistego, jakim jest cement portlandzki, oraz krystalicznego, w postaci siarczanu potasu. Uzyskane w trakcie badań charakterystyki (ilustracja 2.) definiują wydatki
masowe [t/h] produktu przetłaczanego rurociągiem o średnicy 81 mm w funkcji wydatku masowego [kg/s] powietrza, spełniającego rolę nośnika energetycznego. Dla lepszego unaocznienia
różnic zestawiono je obok siebie.

Pamiętając, że odnoszą się one do instalacji wyposażonej w rury o średnicy 81 mm, przeliczono je krok po kroku na inne rozmiary przewodów - zachowując długość i konfigurację trasy. Celem była chęć oceny wpływu średnic rur na energochłonność transportu pneumatycznego. Końcową analizę porównawczą
przeprowadzono dla wydajności maksymalnej, tj. 40 t/h dla cementu i 12 t/h dla siarczanu potasu (ilustracja 3.).

Ponieważ ze zwiększeniem średnicy rurociągu rośnie wydatek masowy powietrza, możliwe są dwa scenariusze transportu: albo przy tym samym ciśnieniu wystąpi spadek koncentracji
produktu w strumieniu powietrza, albo też dla zachowania koncentracji należy (można) obniżyć ciśnienie ruchowe. Oznacza to, że nie tracąc nic na wydajności, cement można transportować
przy niskiej koncentracji, a nawet w rozrzedzeniu, gdy w użyciu jest niskie ciśnienie powietrza, lub przy koncentracji wysokiej i ze znacznie mniejszym wydatkiem powietrza, jeżeli wykorzysta się do tego ciśnienie wysokie. Natomiast siarczan potasu, który nie ma naturalnych własności pozwalających na
transport w silnym zagęszczeniu, wymaga znacznie wyższego wydatku powietrza niż cement. Znacznie niższy natomiast jest też jego wydatek masowy.

RELACJE MIĘDZY ŚREDNICĄ I CIŚNIENIEM

Wzajemne relacje między średnicą rur i ciśnieniem w transporcie pneumatycznym dla tych dwóch reprezentatywnych produktów przedstawia wykres na ilustracji 3. Informuje on nie tylko o istnieniu
wielu kombinacji gwarantujących sukces, ale też o tym, że przy dużych średnicach rur możliwy jest transport podciśnieniowy (na zassanie). W wielu przypadkach jest on bardziej wygodny od transportu
wysokociśnieniowego - np. odbiorową aparaturę i zbiorniki zastępują z powodzeniem proste atmosferyczne dozowniki obrotowe. Bez odpowiedzi wszakże pozostaje nadal pytanie o konsekwencje
ekonomiczne.

Nakłady finansowe na budowę systemu transportu pneumatycznego zależą w dużym stopniu od średnicy przewodów rurowych i ciśnienia, ponieważ to one decydują o gabarytach zasilaczy,
urządzeń filtracyjnych, sprężarek itp. - nie wspominając o rurach. Dobrym źródłem informacji o kosztach materiałowych bywają oferty dostawców. Dla pogłębienia analizy warto opracować kilka wariantów rozwiązań. W większości przypadków zapotrzebowanie mocy na pneumatyczny transport materiału określa moc nominalna kompresorów. Orientacyjne zapotrzebowania mocy na transport produktów testowanych przedstawia wykres na ilustracji 4. Najkorzystniejsze energetycznie dla cementu są średnice małe, natomiast dla siarczku potasu - duże.

UWARUNKOWANIA EKONOMICZNE

Obniżenie energochłonności transportu siarczku potasu ze wzrostem średnicy rury można tłumaczyć spadkiem prędkości strumienia. Ciśnieniu na wlocie 3,2 bara (0,32 MPa dla rur Ф 81 mm)
towarzyszy prędkość 68 m/s, która maleje do 27 m/s dla rur Ф200 mm. Dużym prędkościom strumienia towarzyszy też znaczny spadek ciśnienia na trasie rurociągu. Dlatego dla materiałów ziarnistych,
jak siarczan potasu, korzystniejsze są rurociągi o większych średnicach.

Zwiększenie poboru mocy na transport cementu ma także źródło w prędkości strumienia. W wyniku omówionych wyżej własności materiałów pylistych, takich jak cement (duża koncentracja
- mała prędkość i na odwrót), przy minimalnej prędkości na wlocie do rury Ф 81 mm zaledwie 4,2 m/s i koncentracji 109, ze wzrostem średnicy do 200 mm, koncentracja spada do 14, natomiast wymagana
prędkość rośnie do 12,0 m/s.

STOPNIOWANIE ŚREDNIC

Jeżeli ciśnienie na wlocie do instalacji transportu pneumatycznego przewyższa 1 bar (0,1 MPa), należy rozważyć podział rurociągu na odcinki o zmiennej średnicy [1]. Rozprężające się w rurociągu powietrze
może bowiem spowodować kilkakrotny wzrost prędkości strumienia. Zjawisko to jest niekorzystne, bo pociąga za sobą wzrost oporów przepływu, wzrost erozyjnego zużycia rur i degradację materiału.
Ujemnie wpływa to również na jednostkowe zużycie energii (ilustracja 4.). Przekonują o tym dane testowanych produktów. W przypadku siarczanu potasu powiększenie średnicy rury
z Ф81 mm do Ф175 mm skutkuje obniżeniem zapotrzebowania mocy
z 96 kW na 80 kW, a w przypadku cementu z 23 kW do 13 kW.

PODSUMOWANIE

Stopniowanie średnic rurociągów stosuje się w instalacjach transportu pneumatycznego na duże odległości. W takich liniach rozprężające się powietrze może spowodować kilkakrotny wzrost
prędkości strumienia. Maksymalna odległość transportu danego materiału zależy od dysponowanej różnicy ciśnień, niezbędnej do pokonania oporów przepływu między miejscem nadawy i odbioru.
Ponieważ różnice ciśnień nie powinny przekraczać 4 barów (0,4 MPa), wskazane jest dzielenie dłuższych rurociągów na odcinki o malejącej średnicy rur.