Плотность сжатого воздуха в зависимости от давления таблица

Сжатый воздух

Воздух, находящийся под давлением выше атмосферного, называют сжатым.

Сжатый воздух – газ, который используется в качестве кинематического звена в пневмоприводе. Для сжатия воздуха используются объемные или динамические компрессоры.
Воздух, как и жидкость является текучей средой и передает давление в одинаковой мере во всех направлениях.

Физические параметры воздуха

Нормальное напряжение сжатия называется давлением. Оно моет измеряться по избыточной или абсолютной шкале. В избыточной шкале за 0 принято давление атмосферы, получается, что абсолютное и избыточное давление связаны зависимостью:

Давление характеризует степень сжатия воздуха. Чем выше давление тем значительнее сжат воздух.

В пневматических системах обычно используется сжатый воздух под давлением 0,4 – 1 МПа (по избыточной шкале).

Сжимаемость

Сжимаемость воздуха характеризуется уменьшением его объема при увеличении давления.

Β = ΔV/(Δp×V)

Плотность

Отношение массы воздуха к его объему называют плотностью. Она изменяется при сжатии воздуха.

ρ = m/V

Воздух, как и любой другой газ занимает весь предоставленный ему объем.

Удельный вес

Отношение объема воздуха к его массе называют удельным весом.

Vуд = V/m

Температура

Температуру воздуха измеряют в градусах Кельвина или Цельсия. Под нормальными условиями понимают состояние воздуха при температуре.

Т = 273 К или t = 0 °C

При сжатии воздуха его температура возрастает, при расширении – снижается.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость – отношение количества теплоты, сообщенной единицы массы воздуха, к соответствующему изменению температуры.

Вязкость

Свойство воздуха оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого называют вязкостью.
Кинематическая вязкость воздуха значительно ниже вязкости жидкости и находится в пределе 0,001 – 0,0017 м2/c.

Расход воздуха

Расход – количество воздуха проходящее через сечение, перпендикулярное линиям тока, в единицу времени

Объемный расход – объем газа, проходящий через сечение в единицу времени.

Qv = V/t

Массовый расход – масса газа, проходящий через сечение в единицу времени.

Qm = m/t = ρ×u×A

Массовый и объемный расходы связаны зависимостью.

Взаимосвязь между физическими величинами, характеризующими состояние воздуха отражена в уравнении состояния Клайперона-Менделеева.

Особенности сжатого воздуха, как кинематического звена пневмопривода

Воздух имеет существенные отличия от жидкости, обосабливающие пневматический привод от гидравлического.

Воздух сжимаем (жидкость малосжимаема, а в большинстве инженерных расчетов считается несжимаемой), плотность воздуха может изменяться. При увеличении давления плотность воздуха возрастет, при уменьшении – снижается.

Воздух безопасен с точки зрения пожарной безопасности, поэтому может использоваться, в условиях, опасных по воспламенению газа, пыли и т.д.

Пневматический привод обладает высоким быстродействием, которое удается достичь благодаря малой инерционности сжатого воздуха, и обеспечении им демпфирующего эффекта.

В данном разделе мы рассказываем о
составе и свойствах воздуха,  рассматриваем процессы образования
конденсата в пневмосистеме, приводим классы подготовки сжатого воздуха. Понимание термодинамических процессов, возникающих при сжатии атмосферного воздуха, помогают создать эффективную пневмосистему.

Воздух это смесь газов, главным образом состоящая из азота и кислорода.

Средняя относительная молярная масса -28,98

*Состав воздуха может меняться. Как правило, в промышленных зонах воздух содержит

Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально около 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже около 10 граммов.

Температура – величина,
характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость
хаотического движения молекул (чем выше температура, тем больше скорость
их движения, и наоборот). Изменение объёма данной массы газа при
постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры.

Единица измерения
температуры (по системе СИ), – градус Кельвина (°К). Соотношение градус
Кельвина (°К ) с градусом Цельсия (°С):  (°K) = t(°C) + 273,15.

Чем выше
температура воздуха, тем больше влаги может содержаться в воздухе.
Температура воздуха возрастает при его сжатии и понижается с падением
давления.

Как уже говорилось выше, воздух всегда содержит пары воды.

В таблице указаны значения
максимального содержания влаги в воздухе при атмосферном давлении (0 бар
изб.) при определенных температурах.

В процессе сжатия атмосферного воздуха в компрессоре его температура в среднем возрастает до 180С. 
В компрессоре, под воздействием высокой температуры, конденсация влаги
содержащейся в сжатом воздухе не происходит. Но как только температура
сжатого воздуха понижается, начинается процесс конденсации влаги.

Таким образом при
производительности компрессора 1 куб.м/мин, относительной влажности
воздуха 80%, температуре окружающей среды +20С и сжатии до 6 атм. в пневмосистеме за 1 час может образовываться до 4 литров воды.

Вместе с
атмосферным воздухом, компрессор всасывает посторонние примеси: пыль,
пары масел, остатки продуктов горения и содержащуюся в атмосферном
воздухе влагу. Посторонние примеси, смешиваясь со сконденсированной
влагой, образуют агрессивную,  абразивную смесь – эмульсию.

Попадая в
пневматическую систему, такая агрессивная смесь приводит к ускоренному
износу оборудования и выходу его из строя. В большинстве случаях
использование сжатого воздуха с содержанием таких примесей вообще
недопустимо.

Очистка 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.

По ISO 8573.1
различают: классы по максимальному размеру d (мкм) и концентрации C
(мг/куб.м) частиц, точке росы водяного пара Т (гр.С) и максимальному
содержанию масла Oil (мг/куб.м).

Температура
точки росы газа (точка росы) — это значение температуры газа (воздуха),
ниже которой водяной пар, содержащийся в газе (воздухе), охлаждаемом
изобарически (изобарический – термодинамический процесс), становится
насыщенным над плоской поверхностью воды. Это классическое определение,
но можно сформулировать и так: Точка росы – температура, при которой
происходит конденсация водяного пара находящегося
в воздухе. Точка росы определяет какое максимальное количество водяного
пара может находится в воздухе. Если в документации пневматического
оборудования указывается температура точки росы Dp (Dew point) без
дополнительных индексов, как правило, имеется в виду давление равное
одной атмосфере (0 изб.). Для пневмосистем более важным показателем
является температура точки росы pDp (pressure Dew point) – при рабочем
давлении.

– это сила, действующая на единицу площади перпендикулярно к ней.
Всякое тело, находящееся в неподвижном воздухе, испытывает со стороны
последнего давление, одинаковое со всех сторон.

объясняется тем, что воздух подобно всем другим веществам обладает
весом и притягивается землей. Атмосферное давление, это давление
вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и ударами его хаотически
движущихся молекул. За единицу давления принята техническая атмосфера
(атм.) – давление, равное одному килограмму силы на один квадратный
сантиметр (кгс/см). Давление обозначается буквой , на уровне моря –

это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст). Обозначается буквой , на уровне моря –

Стандартным
барометрическим давлением называется давление на уровне моря в мм рт.
ст. Оно в зависимости от температуры и влажности колеблется от 700 до
800 мм рт. ст. и в среднем равно 760 мм. рт. ст. В физике под
барометрическим давлением 1 атм. подразумевается давление воздуха,
равное 1,0332 кгс/см или стандартному барометрическому давлению 760 мм рт. ст.

Рекомендованной единицей измерения давления, по  международной
системе измерений (СИ), является Паскаль (Па). Внесистемная единица
измерения давления – бар: 1 бар = 105Па = 0,1 Мпа

В технологии сжатия воздуха, рабочее давление является давлением сжатия и выражается в барах или  атмосферах (1 атм = 0,981 бар

Ратм.= 1013 мбар = 1,01325 бар = 760 мм. ртутного столба = 101325 Па.

– давление, превышающее атмосферное давление. В технических характеристиках пневматического оборудования, как правило, указывается именно избыточное давление

– сумма атмосферного и избыточного давлений.

– количество воздуха содержащегося в 1 м объема. В физике существует понятие двух видов плотности – весовая (удельный вес) и массовая.

Весовая плотность (удельный вес) воздуха – это вес воздуха в объеме 1 м. Обозначается буквой . При стандартных атмосферных условиях по ISO 2533 (барометрическое давление 760 мм рт.ст., t = +15 С) весовая плотность (удельный вес) 1м объема воздуха равна g = 1,225 кгс/м

Массовая плотность воздуха – это масса воздуха в объеме 1 м. Обозначается греческой буквой .
Масса воздуха равна его весу, деленному на ускорение свободного
падения. При стандартных атмосферных условиях массовая плотность воздуха
равна: 0,1250 кгс2/м

– свойство воздуха изменять свою плотность при изменении давления и температуры (для замкнутого объема).

– свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения
действия сил, вызвавших изменения его плотности (изменение объема при
сжатии).

Следует заметить,
что при расчетах пневмосистемы необходимо учитывать реальные
термодинамические процессы, возникающие при сжатии атмосферного воздуха.

Рассмотрены основные физические свойства воздуха: плотность воздуха, его динамическая и кинематическая вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля и энтропия. Свойства воздуха даны в таблицах в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.

Плотность воздуха в зависимости от температуры

Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа. Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.

На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах, удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).

При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м3. При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается). С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м3, что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре. В общем случае, снижение плотности газов при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.

Если сравнить плотность воздуха относительно плотности воды, то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м3, а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м3. Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному. Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м3.

Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах

При выполнении тепловых расчетов необходимо знать значение вязкости воздуха (коэффициента вязкости) при различной температуре. Эта величина требуется для вычисления числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значения которых определяют режим течения этого газа. В таблице даны значения коэффициентов динамической μ и кинематической ν вязкости воздуха в диапазоне температуры от -50 до 1200°С при атмосферном давлении.

Коэффициент вязкости воздуха с ростом его температуры значительно увеличивается. Например, кинематическая вязкость воздуха равна 15,06·10-6 м2/с при температуре 20°С, а с ростом температуры до 1200°С вязкость воздуха становиться равной 233,7·10-6 м2/с, то есть увеличивается в 15,5 раз! Динамическая вязкость воздуха при температуре 20°С равна 18,1·10-6 Па·с.

При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости. Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа. Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).

Удельная теплоемкость воздуха при температуре от -50 до 1200°С

Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии. Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус. Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.

Удельная теплоемкость воздуха увеличивается с ростом его температуры. Однако, зависимость массовой теплоемкости воздуха от температуры не линейная. В интервале от -50 до 120°С ее величина практически не меняется — в этих условиях средняя теплоемкость воздуха равна 1010 Дж/(кг·град). По данным таблицы видно, что значительное влияние температура начинает оказывать со значения 130°С. Однако, температура воздуха влияет на его удельную теплоемкость намного слабее, чем на вязкость. Так, при нагреве с 0 до 1200°С теплоемкость воздуха увеличивается лишь в 1,2 раза – с 1005 до 1210 Дж/(кг·град).

Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить теплоемкость воды и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.

Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха

В таблице представлены такие физические свойства атмосферного воздуха, как теплопроводность, температуропроводность и его число Прандтля в зависимости от температуры. Теплофизические свойства воздуха даны в интервале от -50 до 1200°С для сухого воздуха. По данным таблицы видно, что указанные свойства воздуха существенно зависят от температуры и температурная зависимость рассмотренных свойств этого газа различна.

Теплопроводность воздуха λ при повышении температуры увеличивается во всем диапазоне, достигая при 1200°С величины 0,0915 Вт/(м·град). Другие теплофизические свойства воздуха такие, как его температуропроводность a и число Прандтля Pr, по-разному реагируют на изменение температуры. Температуропроводность, как и вязкость воздуха сильно зависит от температуры и при нагревании, например с 0 до 1200°С, ее значение увеличивается почти в 17 раз.

Число Прандтля воздуха слабо зависит от температуры и при нагревании этого газа его величина сначала снижается до величины 0,674, а затем начинает расти, и при температуре 1200°С достигает значения 0,724.

Будьте внимательны! Теплопроводность воздуха в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100! Температуропроводность воздуха указана в степени 106. Допускается интерполяция значений физических свойств воздуха в приведенных таблицах.

Энтропия сухого воздуха

В таблице представлены значения такого теплофизического свойства воздуха, как удельная энтропия. Значения энтропии даны для сухого воздуха в  размерности кДж/(кг·град) в зависимости от температуры и давления. Удельная энтропия указана в таблице в интервале температуры от -50 до 50°С при давлении воздуха от 90 до 110 кПа. Следует отметить, что при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) и температуре, например 30°С, удельная энтропия воздуха равна 0,1044 кДж/(кг·град).