Właściwości sprężonego powietrza

Powietrze to mieszanina gazów, otaczająca kulę ziemską. Na powierzchni ziemi suche powietrze jest mieszaniną: azotu (N2) 78,09%, tlenu (O2) 20,95%, gazów szlachetnych: helu (He), neonu (Ne), argonu (Ar), kryptonu (Kr), ksenonu (Xe) 0,93% i dwutlenku węgla (CO2) 0,03%. Napędy pneumatyczne pracują w takim zakresie temperatur, w których niemożliwa jest zmiana składu powietrza. Na właściwości sprężonego powietrza wpływają właściwości gazów w nim zawartych. Zwykle skład powietrza w układach pneumatycznych przyjmuje się w zaokrągleniu (patrz rys. 1 i tabela 1).

Więcej informacji o powietrzu atmosferycznym znajdziesz w wikipedii pod adresem: https://pl.wikipedia.org/wiki/Powietrze

Sklad powietrza - właściwości sprężonego powietrza

Skład powietrza

Tabela 1. Skład powietrza atmosferycznego

Pierwiastek

Symbol

Masa molowa kg/kmol

Udział objętościowy %

Udział masowy %

Azot

N2

28,013

78

76

Tlen

O2

31,999

21

23

Inne

1

1

Powietrze, tak jak każdy inny gaz, jest sprężyste, ściśliwe, płynne i wypełnia całkowicie objętość, w której się znajduje. Powietrze jest bezbarwne, bez smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie. Skroplone powietrze jest bladoniebieskie. Powietrze traktowane jest jak gaz doskonały, którego cząsteczki nie przyciągają się wzajemnie, są nieskończenie małe i sztywne (wewnątrz cząstek nie występują drgania). Gaz doskonały spełnia równanie stanu:

pV=nBT

gdzie: p – ciśnienie absolutne, Pa,

V – objętość, m3,

T – temperatura absolutna, K,

B – uniwersalna (molowa) stała gazowa, 8314,47 J/kmol⋅K

n – liczba moli, kmol,

n=m/M

– masa gazu, kg

– masa molowa, kg/kmol

Prawo Avogadra

Prawo Avogadra jest podstawowym prawem dotyczącym gazów doskonałych: „W tych samych warunkach fizycznych, tj. w takiej samej temperaturze, pod takim samym ciśnieniem i w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek”.

Z równania stanu wynika, że jeden kmol suchego powietrza w warunkach normalnych fizycznych (pn = 1013,25 hPa, Tn = 273,15 K) zajmuje objętość 22,41 m3.

Masa molowa powietrza wynosi M = 28,966 kg/kmol, wtedy indywidualna stała gazowa R powietrza ma wartość:

R=B/M=8314,47/28,966=287  J / kg x K

Równanie Clapeyrona

W warunkach technicznych określonych dla znormalizowanej atmosfery odniesienia ANR (ciśnienie pn = 100 kPa, temperatura Tn = 293,15 K, względna wilgotność j = 65%) indywidualna stała gazowa przyjmuje wartość: R =288 J/kg⋅K.

Po uwzględnieniu liczby moli n i uniwersalnej stałej gazowej B równanie stanu gazu doskonałego przyjmie postać równania Clapeyrona:

pV=mRT   lub   pV/mT=R

Równanie Clapeyrona przedstawiane jest także w innej postaci:

  • – po przyjęciu objętości w odniesieniu do masy: pϑ =RT
  • – po przyjęciu masy w odniesieniu do objętości: p=ρRT

    lub

    p/ρ=RT,

gdzie:

ϑ – objętość właściwa powietrza,

ϑ =v/m

ρ – gęstość (masa właściwa) powietrza,

ρ=m/V

Właściwości sprężonego powietrza charakteryzują się takimi wielkościami fizycznymi jak:

gęstość ρ, ciepło właściwe cp przy stałym ciśnieniu, ciepło właściwe cv przy stałej objętości, przewodność cieplna λ, dynamiczny współczynnik lepkości η, kinematyczny współczynnik lepkości ν, rozszerzalność objętościowa α.

Dla gazów doskonałych między ciepłem właściwym cp przy stałym ciśnieniu a ciepłem właściwym cv przy stałej objętości zachodzą związki:

cp-cv =R      K=cp / cv

gdzie: κ – wykładnik adiabaty, κ = 1,4 dla powietrza w zakresie temperatur 0–200ºC.

Do określenia dynamicznego współczynnika lepkości powietrza w zależności od temperatury (w zakresie –50÷+50oºC) można posłużyć się wzorem:

μ = μn (T/Tn)0,75

gdzie:

μn – dynamiczny współczynnik lepkości w warunkach normalnych fizycznych,

μn = 17,9×10-6 Pas dla Tn = 273,15 K.

Wartości wybranych wielkości fizycznych charakteryzujące właściwości sprężonego powietrza w różnych temperaturach przy ciśnieniu atmosferycznym zestawiono w tablicy 2

Tablica 2. Wielkości fizyczne powietrza w różnych temperaturach przy ciśnieniu atmosferycznym

Temperatura t (oC)

Gęstość ρ (kg/m3)

Ciepło właściwe cp (kJ/kg⋅K)

Przewodność cieplna λ (W/m⋅K)

Wsp. lepkości kinematycznej ν (m2/s) x 10-6

Rozszerzalność objętościowa α (1/K) x 10-3

-150

2,793

1,026

0,0116

3,08

8,21

-100

1,980

1,009

0,0160

5,95

5,82

-50

1,534

1,005

0,0204

9,55

4,51

0

1,293

1,005

0,0243

13,30

3,67

Właściwości sprężonego powietrza w technice

Sprężone powietrze wykorzystywane jest jako nośnik energii. W pneumatyce przygotowanie sprężonego powietrza, realizowane w specjalnych urządzeniach (elementach), polega na:

  • usunięciu z niego zanieczyszczeń,
  • redukcji ciśnienia do wymaganego poziomu,
  • wprowadzeniu czynnika smarnego (dla mechanizmów, które tego wymagają).

Powietrze sprężone oczyszczone powinno charakteryzować się:

  • brakiem wody w postaci kropel; woda w postaci pary jest dopuszczalna, gdy punkt rosy występuje przy temperaturze niższej o 5–10 °C od najniższej temperatury pracy układu napędowego;
  • zanieczyszczeniami mechanicznymi poniżej 5 mikrometrów, przy udziale wagowym do 0,7 mg/m³ w warunkach normalnych fizycznych;
  • niewystępowaniem olejów oraz innych cieczy w postaci kropel. Konstruktor i użytkownik urządzeń pneumatycznych, znając najniższe temperatury w nich występujące, powinien ocenić, czy przy danej wilgotności powietrza zasilającego może wystąpić szkodliwe skraplanie się wody zawartej w postaci pary w sprężonym powietrzu (tzn., czy zostanie osiągnięty punkt rosy).

Aby zapewnić prawidłową pracę urządzeń pneumatycznych, należy tak osuszać zasilające je powietrze, żeby jego wilgotność względna w najniższej temperaturze pracy nie przekroczyła 80%. Powietrze opuszczające stację kompresorową ma zwykle temperaturę o 10–15 °C wyższą od temperatury otoczenia. Podczas stygnięcia powietrza w instalacji pneumatycznej następuje skroplenie się pary wodnej. Aby skroplona woda nie dostawała się do instalacji sprężonego powietrza, stosuje się urządzenia osuszające sprężone powietrze.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.