Как сильно сжимается воздух

Как сильно сжимается воздух

Воздух можно сжать. И чем сильнее мы будем сжимать воздух, тем сильнее он стремится расшириться. Это свойство называется упругостью. Чтобы ознакомиться со сжимаемостью и упругостью воздуха, сделаем такой опыт.

Опыт. Возьмем широкую стеклянную трубку длиною приблизительно в 50 сантиметров. Врежем конец этой трубки в толстый ломоть картофеля. Кружок картофеля остается в трубке и плотно закрывает ее отверстие. Так же плотно закроем кружком картофеля и другой конец трубки.

Теперь возьмем в одну руку трубку, а в другую — деревянную палочку. Будем толкать этой палочкой картофельный кружок внутрь трубки.

Мы не протолкнули первый картофельный кружок и до половины трубки, как второй кружок уже вылетает из трубки. Наш воздушный пистолет стреляет.

Повторим этот интересный опыт. Но почему же стреляет воздушный пистолет?

Когда мы вдвигаем картофельный кружок в трубку, мы сжимаем воздух. Воздуха между кружками в трубке осталось столько же, а места он занимает меньше. Мы его сжали.

Но сжатый воздух упруг, он стремится расшириться. Он давит на обе стороны и на тот и на другой картофельный кружок. Под напором воздуха свободный картофельный кружок с шумом вылетает из трубки. Вот почему стреляет воздушный пистолет.

Сжимаемость и упругость воздуха используют в технике. Так сжатым воздухом приводятся в действие тормоза вагонов железнодорожных поездов и трамваев. Сжатым воздухом пользуются для разбрызгивания краски и белил на постройках. Сжатый воздух находится в шинах автомобилей; вследствие его упругости смягчаются толчки, которые получает автомобиль при движении. Сжатым же воздухом наполнены мячи, которыми играют. Благодаря упругости сжатого воздуха и отскакивает мяч при ударах во время игры.

Сжатый воздух как он есть…

В современном высокотехнологическом мире сжатый воздух незаменим, он используется повсеместно и на сегодняшний день является вторым по важности источником энергии после электричества для очень многих промышленных предприятий.

Что же представляет из себя сжатый воздух? Какие существуют принципы и особенности сжатия воздуха, и что следует помнить при работе с ним?

Начнем с определения: сжатый воздух – это воздух, который находится под давлением, превышающим атмосферное. По сути, сжатый воздух – это сжатый атмосферный воздух, то есть тот воздух, которым мы дышим, который состоит из различных газов:

Состояние воздуха (газа) можно описать тремя параметрами:

— удельный объем (Vуд.);

В технологии сжатия воздуха все три параметра измеряются в конкретных величинах:

— рабочее давление (давление сжатия) измеряется в барах;

— температура сжатого воздуха измеряется в градусах Цельсия;

— объем используют как для определения размеров ресивера, так и для расхода компрессорами сжатого воздуха, выраженный в лит./мин или куб.м./час

Одним из средств сжатия воздуха является его “выработка” компрессорным оборудованием. Таким образом, сжатый воздух начинает свой путь в компрессоре.

Прежде чем попасть к потребителю сжатый воздух проходит следующие этапы:

На каждом из этих этапов происходит своего рода трансформация воздуха из одного состояния в другое. Рассмотрим основные принципы и особенности сжатого воздуха.

Температура.

В процессе поступления воздуха из атмосферы в компрессор воздух начинает сжиматься. В момент сжатия воздуха в компрессоре его температура может достигать до 180 С, однако через какое-то время, когда воздух попадает дальше, в ресивер, его температура начинает падать, к примеру, на “выходе” из поршневого компрессора она равняется примерно 40-45 С.

Таким образом, падение температуры сжатого воздуха “на лицо”, и воздух, действительно, остывает. В тот момент, когда его температура начинает понижаться, идет процесс возникновения конденсата или другими словами влаги. Таким образом, о сжатии воздуха важно знать следующее:

— при сжатии всегда происходит повышение температуры. Чем сильнее сжимается воздух, тем выше поднимается температура, и даже при сжатии воздуха до невысокого давления происходит значительное возрастание температуры.

— повышение температуры происходит не из-за механического трения частей компрессора и тому подобного, а из-за самого сжатия.

— водяные пары также сжимаются, и при последующем понижении температуры — конденсируются.

— при сжатии воздуха пары воды становятся основным загрязнением.

— в сжатом воздухе сконденсировавшаяся вода является загрязнением, которое улавливает и переносит другие загрязнения.

— концентрация вредных веществ возрастает, и может стать опасной, если их не удалить.

Самое главное – то, что в итоге сжатия воздуха после падения температуры воздуха возникает конденсат, и это может стать настоящей проблемой для потребителя.

Значительное содержание воды в сжатом воздухе становится причиной коррозии пневмосети. Взвешенные частицы и ржавчина действуют как абразив на элементы пневмоавтоматики. Всё это приводит к серьезным повреждениям пневматического оборудования, тем самым вызывая простои оборудования, повышение эксплуатационных расходов и повреждение производимых изделий.

Состав сжатого воздуха.

При подаче в компрессор обычный воздух содержит около 1,8 миллиардов частиц пыли. Таким образом, воздух, попадающий в компрессор, уже содержит загрязнения в виде твердых частиц. К этому надо добавить и то, что мы уже выяснили – некоторое количество влаги или водяного пара, который при сжатии конденсируется, тоже образует загрязнение воздуха. Но и это еще не все: в процессе работы маслянных компресоров в воздушный поток (в результате нагревания масла) могут попадать масляные пары и образовавшийся углерод.

Масляный туман или пар, исходящий из потока сжатого воздуха, может стать причиной сбоя в работе компрессора, сколов краски от корпуса либо появления отверстий (пробоин) на нем. При эксплуатации компрессора в пищевой отрасли либо в медицинской сфере существует риск попадания вредных веществ в организм человека. Масляный туман является наиболее трудновыводимым элементом при его отделении от воздушного потока.

Все это в целом приводит к тому, что загрязнения в атмосферном воздухе с наличием водяных паров и масляного тумана, в процессе работы компрессора превращаются в 2 миллиарда частиц пыли и 0,03 мг/м.куб. масляных паров в выходном воздушном потоке.

Попадая в пневматическую систему, такая агрессивная смесь приводит к ускоренному износу оборудования и выходу его из строя.

Поэтому встает вопрос о качестве воздуха, которое определяется содержанием частиц пыли, масляного тумана и водяных паров. Требование к качеству сжатого воздуха определяет производитель оборудования и нормируется по DIN ISO 8573-1:2001 или ГОСТ 17433-80. Существуют следующие стандарты ISO для типов сжатого воздуха:

Очистка сжатого воздуха.

В последнее время производство качественного сжатого воздуха приобрело особое значение, так как современная промышленность предъявляет высокие требования к оборудованию, а потребитель — к качеству выпускаемой продукции. В связи с этим существуют комплексные системы подготовки и очистки сжатого воздуха. Если коротко остановится на основных этапах, то они выглядят так.

Для принудительного удаления влаги из сжатого воздуха на первом этапе применяют охладители воздуха, которые охлаждают горячий, содержащий влагу воздух до температуры +10 С по отношению к температуре окружающей среды. В результате резкого охлаждения происходит процесс конденсации. На выходе из охладителя сжатый воздух содержит влагу в виде взвеси капелек воды – водяного конденсата и пара. На следующем этапе получения сжатого воздуха с необходимой точкой росы (содержанием влаги) используются осушители сжатого воздуха.

Для удаления содержащихся в сжатом воздухе других посторонних примесей (песок, пыль, частицы метала от трущихся элементов компрессора, продукты окисления пневматической магистрали, пары масел и т. п.), применяются магистральные фильтры.

Таким образом, какими бы ни были требования по чистоте воздуха, современные системы подготовки и очистки воздуха позволяют эффективно подготовить и очистить воздух до необходимого уровня.

DIN ISO 8573-1:2001 Качество сжатого воздуха

Класс качества Грязь Вода Масло
Размер частиц (мкм) Макс. концентрация (мг/м. куб) Точка росы при макс. давлении (С) Макс. концентрация (мг/м. куб)
0 Класс 0 зарезервирован под более высокие требования, оговариваются специально
1 0,1 0,1 -70 0,01
2 1 1 -40 0,1
3 5 5 -20 1
4 15 8 3 5
5 40 10 7 25
6 10

Стандарт качества сжатого воздуха для каждой категории применения

Коэффициент сжимаемости воздуха

Коэффициент сжимаемости воздуха – это показатель степени сжимаемости воздуха в зависимости от давления и температуры. Используется при проведении расчетов параметров работы в средствах индивидуальной защиты органов дыхания. Обозначается: Ксж.

Коэффициент сжимаемости воздуха (далее – коэффициент) используется при расчете времени работы в средствах индивидуальной защиты органов дыхания и зрения (далее – СИЗОД), и предназначен для определения реального объема закачанного в баллоны воздуха.

Реальный объем сжатого воздуха в баллонах

Vвозд – реальный объем сжатого воздуха в баллонах, л;

P – давление в баллонах, атм.

Коэффициент при любых условиях расчета параметров работы в СИЗОД принимается равным 1,1.

Коэффициент сжимаемости воздуха

Таким образом, зная реальный запас воздуха в баллонах, можно легко вычислить время работы газодымозащитника в СИЗОД. Для этого достаточно разделить реальный запас воздуха на его расход газодымозащитником (в общем случае принимается среднее значение – 40 л/мин):

Реальный запас воздуха на его расход

В общем же виде эта формула приобретает вид:

Реальный запас воздуха на его расход газодымозащитником

И в такой трактовке приводится в методических указаниях по проведению расчетов параметров работы в СИЗОД.

Физические основы

Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объем и плотность при изменении давления и температуры. Если вещество в процессе сжатия не испытывает химических, структурных и других изменений, то при возвращении внешнего давления к исходному значению начальный объём восстанавливается.

Термин «сжимаемость» также используется в термодинамике для описания отклонений термодинамических свойств реальных газов от свойств идеальных газов. Коэффициент сжимаемости определяется как:

Коэффициент сжимаемости

p – давление газа;

V – молярный объём.

Коэффициент зависит как от температуры вещества, так и от давления. Таким образом, при давлениях 200 атм и 300 атм коэффициент будет разным. При этом даже при различной температуре воздуха коэффициент так же меняется!

Таблица значений коэффициента

Таблица коэффициента сжимаемости воздуха

Значения коэффициента сжимаемости воздуха при различных давлениях и температурах

Примечание:

  • голубой цвет – данные получены интерполяцией экспериментальных значений;
  • серый цвет – экспериментальные значения;
  • жирным текстом с подчеркиванием выделены значения наиболее интересные с точки зрения ГДЗС.

График коэффициента сжимаемости воздуха

Зависимость коэффициента сжимаемости воздуха от давления (по оси X, атм.) и температуры (согласно графиков)

Из приведенной информации видно, что в большинстве интересующих ГДЗС случаев, коэффициент отличается от единицы на тысячные доли, что может быть пренебрежимо. И только при давлениях приближающихся к 300 атмосферам, он начинает увеличиваться и приближаться к 1,1 используемому в расчетах.

Важно понимать, что расчет реального запаса сжатого воздуха уместно делать только в момент, когда баллон только что был наполнен, так как в дальнейшем при работе в аппарате, воздух расходуется, давление в баллонах уменьшается, а следовательно и коэффициенты изменяются. Именно поэтому, сейчас, при расчетах для ДАСВ коэффициент принимается равным 1,1 (так как рабочее давление баллонов достигает 300 атм) при любых условиях, а для ДАСК – 1 (давление баллонов не превышает 200 атм). По этой же причине ранее, в расчетах, для дыхательных аппаратов АИР-2, коэффициент принимался 1 – так как рабочее давление в баллонах данного ДАСВ было 200 атм.

Основные понятия о жидкости и сжатом воздухе

Жидкости являются телами, которые имеют почти постоянный объем, но не имеют постоянной формы.

Жидкости разделяются на вязкие и невязкие. К вязким жидкостям относятся: глицерин, машинное масло, олифа и др. Невязкими и текучими жидкостями являются: вода, бензин, спирт и др. При нагревании жидкости расширяются в объеме: например, вода расширяется на 0,0006, глицерин на 0,0003, керосин на 0,001 своего первоначального объема при повышении температуры на Г. С увеличением давления жидкость незначительно сжимается, т. е. уменьшается в объеме. При давлении в 1 атмосферу вода сжимается на 0,00005 своего первоначального объема. Величина эта так незначительна, что практически можно считать жидкости несжимаемыми.

Сжатый воздух, которым пользуются в качестве механической движущей силы для приведения в действие машин, вырабатывается из атмосферного воздуха.

Как все газы, так и атмосферный воздух обладает способностью сжиматься. На этом важном свойстве — способности к сжатию атмосферного воздуха — и основан способ получения сжатого воздуха и его применение в промышленности.

Сжатие атмосферного воздуха производится особыми машинами, называемыми компрессорами.

Существуют компрессоры поршневые и турбинные, резко отличающиеся по своему устройству и принципу работы. Поршневые компрессоры строят одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми.

Одноступенчатыми они называются потому, что воздух сжимается в них до рабочего давления в 6—7 ат за один прием — одну ступень. В двухступенчатых компрессорах воздух до рабочего давления сжимается в два приема — две ступени. Процесс сжатия воздуха в двухступенчатом компрессоре производится сначала в первом цилиндре до 4 от, а потом через промежуточный охладитель переходит во второй, в котором он подвергается вторичному сжатию до 7 ат.

При потреблении сжатого воздуха, превышающего давление 6—7 ат, применяют многоступенчатые компрессоры. Давление в них может быть доведено до 150 ат.

Для получения сжатого воздуха высокого давления применяются турбинные компрессоры. Турбинные компрессоры имеют ряд преимуществ перед поршневыми компрессорами, они конструктивно более совершенны, надежны в действии и более компактны. Но турбинные компрессоры более дорогие как по стоимости, так и по эксплуатационным расходам, поэтому они применяются обычно при большом потреблении сжатого воздуха.

Атмосферный воздух в компрессорах подвергается сжатию. Степень сжатия зависит исключительно от количества затраченной для этого энергии. Чем больше будет затрачено энергии, тем сильнее будет сжат атмосферный воздух.

При сжатии воздух уменьшается в объеме и занимает меньше места: объем сжатого воздуха много меньше объема атмосферного воздуха. Сжатый до определенного давления воздух обладает большой упругостью. Эта упругость сжатого воздуха есть не что иное, как запасенная частицами воздуха энергия давления. Чем больше будет сжат воздух, тем больше, в силу своей упругости, он будет стремиться к расширению. Воздух, освобождаясь от сжатия, стремится к быстрому расширению и этим производит определенную работу. Энергия при превращении в работу широко используется в пневматических инструментах и машинах. Подача сжатого воздуха от компрессоров к необходимым местам производится по трубопроводам.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *