Физические основы функционирования пневмосистем. Тема 1.1

Воздух представляет собой газовую смесь, в основном состоящую из двух газов:
азота N2 (78,08%)
кислорода 02 (20,95%).
В небольших количествах в нем присутствуют инертные газы
аргон Аг,
неон Ne,
гелий Не,
криптон Кr
ксенон Хе
водород Н2 (0,94%)
а также диоксид углерода (углекислый газ) С02 (0,03%).

1.Основные параметры газа
Давление
Рис. 1.1. Иллюстрация действия закона Паскаля
p=F/S
давление — р,
сила — F,
площадь — S
1 Па = 1 Н/м2
1 бар = 106 Па = 102 кПа = 0,1МПа

Температура.
Термодинамическая, или абсолютная, температура T [К] и температура по Международной практической шкале t [°С] связаны соотношением T=t + 273,15.
Плотность.
плотность р [кг/м3]
Масса вещества m [кг]
объем V[м3]
Удельный объем.
Удельный объем v [м3/кг] — это величина, обратная плотности: v = 1/р.

Основные физические свойства газов
Сжимаемость
Температурное расширение
Вязкость

Основные газовые законы
Иллюстрация закона Бойля — Мариотта

Решение задачи.
Закон Бойля – Мариотта.
Атмосферный воздух объёмом 1м3 был сжат при неизменной температуре до избыточного давления 6 бар. Какова степень сжатия воздуха? Какой объём будет занимать сжатый воздух?

Решение задачи.
Закон Бойля – Мариотта.
Атмосферный воздух объёмом 1м3 был сжат при неизменной температуре до избыточного давления 6 бар. Какова степень сжатия воздуха? Какой объём будет занимать сжатый воздух?
Дано:
V1= 1м3
р1=1,013 бар
р2изб= 6 бар
Найти :
V1/V2; V2

Решение задачи.
Закон Бойля – Мариотта.
Атмосферный воздух объёмом 1м3 был сжат при неизменной температуре до избыточного давления 6 бар. Какова степень сжатия воздуха? Какой объём будет занимать сжатый воздух?
Дано:
V1= 1м3
р1=1,013 бар
р2изб= 6 бар
Найти :
V1/V2; V2
Решение:
V1 / V2 = р2 / р1;
V1/V2 = 6 + 1,013 / 1,013 = 7,013 / 1,013 ≈ 6,923.
V2 = р1V1 /р2; V2 = 1,013 * 1 / 7,013 ≈ 0,144м3
Ответ: V1/V2 ≈ 6,923; V2 ≈ 0,144м3.

Иллюстрация закона Шарля

Решение задачи.
Закон Шарля.
В ресивере (пневматической ёмкости) находится воздух под избыточным давлением 5 бар при температуре окружающей среды 18°С. Каковы будут показания манометра, установленного на ресивере, если температура сжатого воздуха в нем повысится на 10°С?
Дано:
р1изб = 5 бар;
t1 = 18°С;
t2 = 28°С;
Найти:
Р2изб.

Решение задачи.
Закон Шарля.
В ресивере (пневматической ёмкости) находится воздух под избыточным давлением 5 бар при температуре окружающей среды 18°С. Каковы будут показания манометра, установленного на ресивере, если температура сжатого воздуха в нем повысится на 10°С?
Дано:
р1изб = 5 бар;
t1 = 18°С;
t2 = 28°С;
Найти:
Р2изб.
Решение:
р2 = р1 * Т2/Т1.
р1 = 5 + 1,013 = 6,013 бар;
Т1 = 273,15 + 18 = 291,15К;
Т2 = 273,15 + 28 +301,15 К.
р2 = 6,013 * 301,15/291,15 ≈ 6,220 бар;
р2изб = 6,220 – 1,013 ≈ 5,207 бар.
Ответ: р2изб ≈ 5,207 бар.

Иллюстрация закона Гей-Люссака

Решение задачи.
Закон Гей – Люссака.
При температуре окружающей среды 22°С воздух, находящийся под избыточным давлением 6 бар, занимает объем 1м3. Какой объем будет занимать воздух, если его температура понизится на 10°С, а давление останется неизменным?
Дано:
V1 = 1м3;
t1 = 22°С;
t2 = 12°С;
Найти: V2

Решение задачи.
Закон Гей – Люссака.
При температуре окружающей среды 22°С воздух, находящийся под избыточным давлением 6 бар, занимает объем 1м3. Какой объем будет занимать воздух, если его температура понизится на 10°С, а давление останется неизменным?
Дано:
V1 = 1м3;
t1 = 22°С;
t2 = 12°С;
Найти: V2
Решение:
V2 = V1 * T2/Т1
Т1 = 273,15 + 22 = 295,15К;
T2 = 273,15 + 12 = 285,15K
V2 = 1,3 * 285,15 / 295,15 ≈ 1,256 м3
Ответ: V2 ≈ 1,256 м3

Расход (Q)
Течение газа
Q= υ S,
где υ — средняя по сечению скорость потока, м/с;
S — площадь поперечного сечения трубопровода, м2

Расход жидкости при течении по трубе переменного сечения.
Исходя из закона сохранения вещества, а также из предположения о сплошности (неразрывности) потока для установившегося течения несжимаемой жидкости, можно утверждать, что объемный расход через любое сечение одинаков
Это явление описывается уравнением неразрывности
Q1 =S1υ1 - S2 υ 2 = Q2 = const.
Из данного уравнения следует, что в узком сечении трубы поток ускоряется:
υ2 =υ1 S1/S2

Уравнение Бернулли

Режимы течения
Рис. Эпюры скоростей при различных режимах течения
Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением (слоями) жидкости или газа, причем скорости внешних слоев меньше, чем внутренних. Когда скорость движения превысит некоторую критическую величину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают поте­ри энергии.