Сжатие и расширение газов
Бойль нашел математическое соотношение между давлением и объемом данной массы газа. Однако Мариотт сделал существенное дополнение к его исследованием, в результате появился закон Бойля Мариотта. Суть его сводится к следующему: объем данной массы газа обратно пропорционален давлению при условии постоянства температуры. Другой способ выражения того же закона: произведение давления на объем есть величина постоянная для данной массы газа при неизменной температуре.
Калькулятор давления газов — введите три значения (Закон Бойля Мариотта)
Формулы закона Бойля Мариотта
P1/P2=V2/V1
P1V1=P2V2
При пользовании этими формулами безразлично, в каких единицах вы будете измерять объем и давление, лишь бы оба объема и оба давления были измерены в одинаковых единицах. Например, если одно давление измерено в килограммах на квадратный сантиметр, то в тех же единицах должно быть измерено и другое давление. Если один объем измерен в кубических сантиметрах, то так же должен быть измерен и другой.
Применение закона Бойля Мариотта в быту
Пылесос состоит главным образом из вентилятора, приводимого в движение электромотором. Вентилятор выталкивает воздух своими лопастями и создает за ними разреженное пространство. Так как воздух, который из-за разности давлений внутри и снаружи устремляется по трубке в камеру вентилятора, проходит через ковер, то пыль уносится с ковра. В некоторых пылесосах применяется, кроме того, вращающаяся щетка, подметающая и выбивающая ковер. Воздух, прошедший вентилятор, поступает в мешок или другой отстойник для пыли и грязи, которые потом могут быть опорожнены различными способами в зависимости от типа пылесоса.
Водолазные колокола и водолазные костюмы. Когда водолазный колокол погружается в воду, воздух тоже сжимается, но при помощи компрессора, находящегося снаружи. Воздух нагнетается под колокол, поэтому вода совсем не входит в колокол. При этом необходимо все время накачивать в колокол свежий воздух в количестве, необходимом для работающих там людей. Излишек воздуха будет пузырями вырываться наружу. Важной частью водолазного костюма является шлем, который привинчивается к верхней части водонепроницаемого костюма. Обычно шлем снабжают воздухом таким же образом, как водолазный колокол. В некоторых типах костюмов водолаз имеет при себе собственный запас сжатого воздуха.
Одно из своеобразных проявлений закона Бойля — наше дыхание. Когда мускулы, сокращаясь, тянут диафрагму вниз, объем пространства, где помещаются легкие, увеличивается, отчего давление внутри становится меньше наружного. В результате воздух из пространства с большим давлением поступает в легкие, где давление меньше. Обратное движение диафрагмы уменьшает объем легочного пространства и делает давление внутри легких большим наружного. Поэтому воздух и ненужные газы выходят из легких.
Как изменяется плотность воздуха в зависимости от давления: формулы, графики, таблицы
Чем выше давление, тем более сжатым является воздух, и тем выше его плотность. Этот же вывод следует из формулы плотности ρ = p · M / (R · T). Давление находится в числителе, и при его возрастании будет возрастать плотность.
Содержание статьи:
Как плотность воздуха зависит от давления: формула
Формула плотности воздуха выводится из уравнения Менделеева-Клапейрона и выглядит следующим образом:
ρ = p · M / (R · T), где
- p – давление воздуха (в системах вентиляции и кондиционирования обычно принимается нормальное атмосферное давление 101 325 Па, но если объект находится в горах, необходимо учитывать изменение плотности в зависимости от высоты над уровнем моря. Об этом рассказано в отдельной статье).
- М – молярная масса воздуха (29 г/моль, более точное значение 28,98 г/моль),
- R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)),
- Т – температура в Кельвинах
Плотность воздуха возрастает при увеличении давления
Плотность уменьшается при снижении давления
Онлайн калькулятор плотности при разных давлениях
Наш калькулятор позволяет рассчитать плотность воздуха в зависимости от температуры и давления. Полученный результат можно сохранить в виде ссылки и поделиться им с коллегами. Чтобы скопировать ссылку, нужно нажать на кнопку "Копировать".
Как меняется плотность воздуха в зависимости от давления
Из формулы плотности воздуха вытекает, что чем выше давление, тем выше его плотность. И наоборот, чем ниже давление, тем ниже плотность воздуха.
Зависимость прямо пропорциональная. Таким образом, если давление увеличится в 2 раза, то и плотность воздуха возрастет в 2 раза. Если давление снизить в 3 раза, то плотность воздуха снизится в 3 раза.
Плотность воздуха при давлении 1 Па составляет 0.000012761 кг/м³.
Как меняется давление воздуха в системах вентиляции и кондиционирования
Напор вентилятора в небольших приточных системах, как правило, на 100-500 м³/ч, составляет порядка 300-400 Па. В системах средней производительности (до 5000 м³/ч) напор достигает 1000 Па. В мощных системах с расходом в десятки тысяч м³/ч может потребоваться напор до 2000-3000 Па.
Как напор вентилятора влияет на плотность воздуха
В малых системах — почти никак, влияние минимально. В крупных системах разница может достигать 1-3%. Действительно, давайте обратимся к цифрам.
Допустим, в крупной системе вентиляции давление воздуха изменяется на 3000 Па. Базой при этом является атмосферное давление, равное 101 325 Па. Таким образом, мощный вентилятор меняет давление примерно на 3%. Следовательно, после вентилятора плотность воздуха будет на 3% выше.
Имейте ввиду: мощный вентилятор способен повысить плотность воздуха на 3%
В меньших системах с напором в 300-600 Па влияние и того меньше: от 0,3% до 0,6%. Инженерная погрешность в расчетах составляет 5%, следовательно при расчете воздухообмена, систем вентиляции и кондиционирования учитывать изменение плотности смысла нет.
А вот влияние высоты над уровнем моря и температуры учитывать надо обязательно. Также следует учитывать изменение атмосферного давления воздуха.
Изменение атмосферного давления
Обратимся теперь к зависимости плотности воздуха от атмосферного давления, ведь цифра 101 325 не является постоянной всегда и везде. Даже в одном регионе и городе в зависимости от погоды давление может меняться в широком диапазоне: от 700 до 800 мм. рт. ст.
Например, самое низкое атмосферное давление в Москве было зафиксировано 25 ноября 1973 года и составило 709 мм. рт. ст., а самое высокое – 14 декабря 1944 года — 782 мм. рт. ст.
Это интересно: В России атмосферное давление менялось в диапазоне от 700 до 812 мм рт. ст. Плотность воздуха при этом менялась на 16%.
В России давление изредка опускалось и ниже 700 мм. рт. ст., а максимальным считается давление, зафиксированное 31 декабря 1969 года в Сибири — 812 мм. рт. ст. Так как плотность воздуха прямо пропорциональна давлению, то она за это время менялась более чем на 16%.
Однако это экстремумы. Вентиляцию нет смысла считать по параметрам, которые бывают раз в жизни. Лучше использовать средние данные для регионов страны:
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.
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.
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):
В общем же виде эта формула приобретает вид:
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:
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
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.
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.
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