Свойства воздуха. Энергия движущегося воздуха.
Небольшое введение о рабочей среде пневматических систем - воздухе.
Большая часть цехов на современных производствах снабжены разветвленной системой сжатого воздуха, который подается в помещения при относительно низких давлениях, обычно не превышающих 1МПа (10бар). Его подвод на рабочее место достаточно прост и осуществляется с помощью гибких трубопроводов небольшого сечения.
Поскольку жидкости и газы, обычно используемые на практике, мало загрязняют атмосферу, при их применении в производстве не требуется особенно тщательной герметизации пневматических систем. Это позволяет устанавливать на рабочем месте достаточно простые и недорогие устройства. Пневматические системы по мощности на единицу массы занимают промежуточное место между электрическими и гидравлическими системами и имеют ряд преимуществ. В частности, их функционирование малочувствительно к облучению и экстремальным температурам (как низким, так и высоким). Обслуживание материальной части довольно просто и может быть обеспечено малоквалифицированным персоналом.
Однако сжатый воздух имеет не только преимущества перед другими средами, но и недостатки. Он практически не обладает никакими смазывающими свойствами, что ведет к возникновению сухого трения достаточно большой величины. Кроме того, воздух всегда содержит определенную концентрацию паров воды. Последние конденсируются на стенках системы в виде влаги, которая удаляется с большим трудом. Эти обстоятельства являются важным фактором, поскольку очень часто влага оказывает вредное воздействие. Наконец, движение воздуха с большими скоростями часто сопровождается шумом, особенно в случае выпуска его в атмосферу.
Основным параметром газообразной среды является ее сжимаемость. Она характеризуется силой упругости, которая сообщает пневматическим системам определенную способность выдерживать случайные перегрузки. Но в то же время сжимаемость порождает склонность к возникновению в такой системе динамических колебаний, которые очень трудно подавить, чтобы создать качественный привод.
Из книги П.Андре Ж-М.Кофман Ф.Лот Ж-П.Тайар «Конструирование роботов»
Рабочим телом в пневматических системах управления является сжатый воздух, представляющий собой механическую смесь азота, кислорода и других газов, содержащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и г. д.), а также водяного пара.
Воздух, содержащий водяные пары, характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в единице объема воздуха. Отношение абсолютной влажности к максимальному количеству пара, которое могло бы содержаться в единице объема воздуха при тех же температуре и давлении, называют относительной влажностью. На практике при термодинамических расчетах используют параметры сухого воздуха. Поправку на влажность вносят только при особых требованиях к точности.
Основными и наиболее распространенными параметрами, характеризующими состояние сжатого воздуха, являются давление, температура и удельный объем (или плотность).
Давление
Давление P представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Атмосферным давлением условно принято считать давление, которое уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм, что соответствует среднему давлению атмосферы на уровне моря. Давление, отсчитываемое от величины атмосферного давления, называют избыточным или манометрическим. Его измеряют манометрами и указывают в технических характеристиках пневматических устройств.
В теоретические зависимости всегда подставляют абсолютное давление, которое равно сумме избыточного и атмосферного (барометрического) давлений и является параметром состояния газа.
В системе СИ единицей измерения давления служит паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой в 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м2. 1Па = 1Н/м2.
Соотношение между основными единицами давления приведены в таблице:
|
Единица измерения
|
Единица измерения
|
|||||
| Па | кгс/см2 | бар | psi | мм рт. ст. | мм вод. ст. | |
| Па | 1 | 1,02*10-5 | 10-5 | 1,45*10-4 | 7,5*10-3 | 0,102 |
| кгс/см2 | 9,81*104 | 1 | 0,98 | 14,22 | 735,6 | 104 |
| бар | 105 | 1,02 | 1 | 14,5 | 750 | 1,02*104 |
| psi | 6,9*103 | 0,07 | 0,069 | 1 | 51,71 | 703 |
| мм рт. ст. | 133,3 | 1,36*10-3 | 1,33*10-3 | 19,34*10-3 | 1 | 13,6 |
| мм вод. ст. | 9,81 | 10-4 | 9,81*10-5 | 1,42*10-3 | 7,36*10-2 | 1 |
Параметром состояния газа является также абсолютная температура Т, отсчет которой ведут от абсолютного нуля, лежащего на 273° ниже нуля по шкале Цельсия, т.е. T = t°+273°, где t — температура в градусах Цельсия. Абсолютную температуру T измеряют в Кельвинах (К). Эта величина входит во все термо- и газодинамические зависимости.
Для измерения температуры наибольшее распространение получила международная стоградусная шкала — шкала Цельсия (в которой 0°С — точка плавления льда, а 100°С — точка кипения воды при атмосферном давлении), применяют и другие шкалы (см. таблицу ниже).
| Шкала | Шкала | |||
| Кельвина, К | Цельсия, °С | Фаренгейта, °F | Реомюра, °R | |
| Кельвина, К | 1 | t°C + 273 | (t°F-32)/1,8 + 273 | 1,25t°R + 273 |
| Цельсия, °С | t°K - 273 | 1 | (t°F-32)/1,8 | 1,25t°R |
| Фаренгейта, °F | 1,8t°K - 459 | 1,8t°C + 32 | 1 | 9/4 t°R + 32 |
| Реомюра, °R | 0,8t°K - 218 | 0,8t°C | 9/4 (t°F - 32) | 1 |
Удельный объем
Удельный объем представляет собой объем, занимаемый единицей массы вещества (м3/кг)ν — V/m,
где V и m — соответственно объем и масса газа.
Величину, обратную удельному объему, называют плотностью ρ= 1/ν = m/V.
Иногда используют понятие удельного веса, под которым понимают вес вещества в единице его объема
γ= ρg , где g - ускорение свободного падения.
Параметры состояния газа ρ, ν, T однозначно связаны между собой уравнением состояния, вид которого в общем случае зависит от свойств газа:
F (P, ρ, Т) = 0.
Законы идеального газа.
Законы идеального газа. Сжатый воздух обычно рассматривают как идеальный газ, т. е. газ, у которого отсутствуют силы сцепления между молекулами, а молекулы являются материальными точками, не имеющими объема. Идеальный газ подчиняется следующим законам:
- Закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре газа PV = const.
- Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении V/T = const.
- Закон Шарля: при постоянном объеме газа P/T = const.
Все эти уравнения объединены в одно, которое является уравнением состояния идеального газа и называется уравнением Клайперона pV = mRT, или для единицы массы газа рν = RT.
Коэффициент пропорциональности R называется удельной газовой постоянной идеального газа массой 1кг, совершающего работу 1Дж при повышении температуры на 1К. Его значение зависит только от свойств газа. Для сухого воздуха R =287 Дж/(кг*К).
Реальный газ отличается от идеального в основном наличием сил внутреннего трения. Чем выше плотность реального газа, тем более он отличается от идеального. Динамический коэффициент вязкости ηд, Па*с, который определяется силами внутреннего трения, связан с кинематическим коэффициентом вязкости νk, м2/с, следующей зависимостью: νk= ηд/ρ.
Вязкость воздуха зависит от температуры следующим образом:
ηд1 = ηд ( T1/273)0,75 , где ηд1 - динамический коэффициент вязкости при температуре 273К (0°С).
Из справочника «Пневматические устройства и системы в машиностроении» под ред. Е.В.ГЕРЦ