скачать книгу бесплатно
Следствием этого закона является то, что сумма динамического и статического давлений в двух сечениях потока с точностью до потерь постоянна, и, например, при сужении потока, динамическое давление возрастает ровно настолько, насколько уменьшается статическое давление.
Сумма статического и динамического давления представляет собой полное давление
(41)
На рис. 11. представлен сужающийся трубопровод, в двух сечениях которого установлены трубки Пито, измеряющие полное давление, которое почти одинаково в обоих сечениях, хотя скорость W
> W
как это следует из уравнения неразрывности потока.
Рис. 11. Измерение полного давления при помощи трубки Пито
Динамическое давление во втором сечении больше, чем в первом, разница же полных давлений незначительна и равна давлению потерь. Это следует из уравнения Бернулли, так как ровно на столько же падает статическое давление.
Если вместо трубок Пито установить трубки Вентури, которые воспринимают только статическое давление, то мы увидим, что статическое давление в сечении 2 значительно меньше, чем в сечении 1. Определив значение статического давления по трубке Вентури, и вычтя его из полного давления определим динамическое давление в сечении 2 по формуле:
(42)
Графически соотношение представлено на рис. 10.
Рис. 12. Соотношение полного, динамического и статического давлений
Аналогичные явления происходят и в газах.
Эффект падения статического давления в струе широко используется в вакуумных преобразователях, например, для запитки вакуумных присосок.
Потери давления
Как мы уже установили, при движении жидкостей и газов возникают потери давления – Р
.
Они являются следствием двух различных процессов – трения о стенки трубопроводов и завихрений потока.
Рис. 13. Схема определения потерь давления
Поскольку трубопровод неподвижен, то слой, непосредственно примыкающий к его стенке можно считать также неподвижным, следующий слой, расположенный ближе к центру,
перемещается относительно первого с некоторой скоростью, следующий движется с еще большей скоростью и так далее.
Максимальную относительно стенок скорость будет иметь центральный слой.
Если соединить концы векторов скорости плавной кривой, то мы получим годограф скорости (рис. 13), оказывающий распределение скоростей в потоке жидкости или газа.
Для ламинарного течения годограф представляет собой квадратичную параболу, параметры которой зависят от вязкости жидкостей. Если измерить давление по всей длине трубопровода,
то окажется, что давление движущейся жидкости или газа равномерно убывает, поэтому называются потерями по длине.
Экспериментальным путем французский ученый Ж. Пуазейль в 1840 году нашел закон, связывающий потери столба с расходом
(43)
где:
? – кинематическая вязкость,
l – длина трубопровода,
d – диаметр трубопровода,
g – ускорение свободного падения,
Q – объемный расход.
То есть падение давления пропорционально расходу потока Q, (а также его скорости).
Это уравнение может быть представлено в несколько иной записи, которая называется уравнением Вейсбаха-Дарси:
(44)
где:
? – коэффициент потерь на трение, равный
(45)
2. Особенности применения воздуха в пневмоприводной технике
Сегодня сжатый воздух используется в самых разных отраслях промышленности.
Диапазон применений сжатого воздуха простирается от общепромышленного воздуха без каких-либо специфических требований к качеству, до абсолютно сухого, не содержащего масла и стерильного сжатого воздуха для фармацевтической и пищевой промышленности.
Такой разброс требований означает, что очень важна специальная подготовка сжатого воздуха, в точности соответствующая требованиям конкретного применения.
Важность надежной очистки обусловлена тем, что загрязнения сжатого воздуха, оказывая физическое, химическое и электролитическое воздействие на пневматические устройства, снижают их долговечность в 3–7 раз, а в некоторых условиях эксплуатации до 20 раз.
Выход из строя пневматических систем по причине плохой подготовки воздуха составляет до 80 % от общего числа отказов.
Исходя из вышесказанного, следует, что одним из основных параметров, определяющих надежность работы практически любой пневмосистемы, является качество используемого в ней воздуха.
Загрязнения сжатого воздуха и их воздействие на пневматические устройства и системы
Компонентами загрязнений сжатого воздуха являются вода и компрессорное масло в жидком и парообразном состоянии, твердые и газообразные загрязнения. Наибольшую часть загрязнений систем обычно составляют вода и компрессорное масло.
К примеру, воздух при 25
С, всасываемый компрессором, может содержать до 180 миллионов частиц пыли на 1 м
, приблизительно 23 г воды в форме пара и содержит от 0,01 до 0,03 мг/м
масла
в виде несгоревших углеводородов. При сжатии, например, до 10 бар, концентрация загрязняющих примесей возрастает в 11 раз, т. е. в 1 м
сжатого воздуха будет содержаться
порядка 2 миллиардов частиц пыли, 253 гр. воды в форме пара и 0,11–0,33 мг масла – это, не учитывая того масла, которое попало с систему после компрессора.
Весь этот «коктейль» попадая в систему, не снабженную должными устройствами отчистки воздуха, способен вывести из строя практически любое пневматическое устройство.
Для того чтобы правильно выбрать устройства отчистки, необходимо более детально разобраться с каждым загрязнителем в отдельности.
Вода
Источником содержащейся в сжатом воздухе воды является водяной пар, всасываемый компрессором в систему вместе с воздухом. Иногда вода поступает в линию нагнетания
из-за негерметичности промежуточных и концевых холодильников, а также из-за отсутствия заградительных козырьков на заборных устройствах всасывающей линии в дождливую погоду.
Влагосодержание воздуха зависит от температуры и относительной влажности паровоздушной смеси.
Для атмосферного воздуха эти параметры определяются климатическими условиями и временем года.
Сжатие поступившего в компрессор воздуха сопровождается повышением температуры на 100–130
С
(это происходит согласно закона Шарля).
В процессе сжатия содержание влаги в удельном объеме воздуха увеличивается пропорционально росту давления, но при этом вследствие повышения температуры его относительная влажность в значительной степени снижается. Так, при давлении в системе 0,7 МПа и относительной влажности всасываемого воздуха 80 % сжатый воздух на выходе из компрессора имеет относительную влажность 6–10 % т. к. температура сжатого воздуха значительно повысилась.
При движении по трубопроводам и другим элементам системы воздух охлаждается вследствие теплообмена с окружающей средой, происходит перенасыщение воздуха водяными парами и их конденсация.
Способность сжатого воздуха удерживать пары воды уменьшается с понижением температуры и с повышением давления. При этом его относительная влажность возрастает, а после достижения состояния насыщения (относительная влажность 100 %) происходит конденсация избыточного количества паров и появление воды в жидком состоянии (конденсата).
Температура, при которой это происходит, называется точкой росы t
.
При более высокой температуре (и том же давлении) конденсация водяных паров не происходит.
Поэтому точка росы сжатого воздуха часто указывается как мера содержания в нем водяных паров.
На рисунке 14 приведена зависимость влагосодержания насыщенного воздуха (относительная влажность 100 %) от давления и температуры. Эту зависимость можно использовать для воздуха,
насыщенного парами воды, от температуры и абсолютного давления для определения количества конденсата, выпадающего в системах при охлаждении сжатого воздуха.
Рис. 14. Зависимость влагосодержания воздуха от температуры
Масло
Источниками загрязнения сжатого воздуха маслом могут являться смазка компрессоров и пневматических устройств, масляные фильтры на линии всасывания компрессоров,
пары и распыленное масло в окружающем воздухе. В сжатом воздухе масло обычно находится в парообразном и жидком состояниях. Предельная концентрация паров масла в воздухе,
как и паров воды, уменьшается с понижением температуры и повышением давления.
Вынос в линию нагнетания смазки компрессоров обычно является основной причиной загрязнения сжатого воздуха маслом. Количество масла, поступающего в линию нагнетания, можно определить, исходя из норм расхода смазки в поршневых компрессорах различных типов по ГОСТ 18985–79.
В ротационных и винтовых маслозаполненных компрессорах вынос масла в линию нагнетания в 1,5–2 раза выше, чем в поршневых, и в среднем может быть принят:
– для компрессоров малой производительности 200–300 мг/м
;
– средней и большой производительности 50–100 мг/м
.
В центробежных и мембранных компрессорах вынос масла в линию нагнетания практически отсутствует.
Высокая температура в поршневом пространстве компрессоров и на начальном участке линии нагнетания (от 160 до 220 °С) приводит к парообразованию и, частично, термическому разложению масла.
В результате этих процессов до 5–6 % масла окисляется и в виде нагара и лакообразной пленки осаждается на внутренних полостях компрессоров и трубопроводов, а легкие фракции в виде паров и мелкодисперсной фазы уносятся воздухом в систему.
Твердые загрязнения
Концентрация, дисперсный состав и природа твердых загрязнений сжатого воздуха зависит от загрязненности воздушного бассейна в зоне всасывания компрессора, состояния, режимов эксплуатации и обслуживания трубопроводов и пневматических устройств.
Основное количество твердых загрязнений вносится при передаче сжатого воздуха по трубопроводам и соединениям.
Эти загрязнения на 95–98 % состоят из ржавчины и окалины.
При нарушении технологии изготовления и монтажа в трубопроводы попадают частицы уплотняющих материалов и промышленная пыль.
Усредненная концентрация ржавчины и окалины в межцеховых трубопроводах может составлять до 25 мг/м
воздуха, в цеховых – до 12,5 мг/м
.
При хорошем состоянии трубопроводов концентрация ржавчины и окалины обычно не превышает 2–4 мг/м
, однако разовые концентрации загрязнений в момент начала
подачи воздуха, при сотрясениях и гидравлических ударах в трубопроводах могут быть значительно большими.
Металлические частицы появляются в системах в результате износа поршневых колец компрессоров и подвижных деталей устройств, а стружка, притирочные составы и абразивы – при неправильной подготовке внутренних полостей пневматических устройств.
