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空氣與壓縮空氣知識漫談<上>

  【壓縮機網(wǎng)1、物質(zhì)的狀態(tài)

  物質(zhì)是由分子、原子或離子構(gòu)成的,物質(zhì)狀態(tài)是指一種物質(zhì)出現(xiàn)不同的相。物質(zhì)共有六種狀態(tài):氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)、費米子凝聚態(tài)。通常所見的物質(zhì)有三態(tài):氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。

  在固態(tài)下,物質(zhì)在強大的親和力作用下,緊密地結(jié)合在一個結(jié)構(gòu)內(nèi),分子或原子有規(guī)則地周期性排列著,有一定的體積和幾何形狀。(圖1右下)

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  當(dāng)固態(tài)下的物體被賦予能量,如加熱到分子運動無法維持其剛性結(jié)構(gòu)時,分子變得松散,物體熔化并變成液態(tài),此時,物體不可能再保持原來的固定位置,于是就產(chǎn)生了流動,分子或原子間的吸引力還比較大,使它們不會分散遠離,因此液態(tài)有一定的體積但沒有具體形狀。(圖1左下)

  如果液態(tài)下的物體被進一步賦予能量,如加熱,由于分子或原子間的距離增大,分子之間的結(jié)合力完全消失,液態(tài)就轉(zhuǎn)變成了氣態(tài)。此時物體的分子或原子做各自無規(guī)則運動,這導(dǎo)致了氣態(tài)物質(zhì)具有流動性,但沒有固定的形狀和體積,能自動地充滿任何容器,容易被壓縮或膨脹。(圖1中上)

  當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)受到冷卻,分子的運動速度變慢,彼此又重新結(jié)合并產(chǎn)生凝析成為液態(tài),再進一步冷卻,液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。

  圖2為純凈水在熱能導(dǎo)入或?qū)С鰰r水發(fā)生變化的三種狀態(tài)的過程。

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  2、氣體

  前面我們講到,氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)是通常物質(zhì)存在的三種狀態(tài)。對于壓縮空氣從業(yè)者來說,我們應(yīng)該知道在工作中,空氣是以氣態(tài)物質(zhì)出現(xiàn)。因此,了解氣體的物質(zhì)特性對于我們研究和利用空氣為我們工作非常有必要。

  氣體是指無形狀有體積的可壓縮或膨脹的流體。氣體是物質(zhì)的一個態(tài)。氣體與液體一樣是流體:它可以流動,可變形。與液體不同的是氣體分子間距離很大,因此可以被壓縮或膨脹。假如沒有限制(容器或力場)的話,氣體體積可以不受限制。氣體的原子或分子相互之間可以自由運動,因此氣體的原子或分子的動能比較高。 氣體狀態(tài)在微觀上很難跟蹤每一個分子或原子的動態(tài),但從宏觀上可過通其體積、溫度和壓強變化來研究。

  氣體的研究對壓縮空氣系統(tǒng)的發(fā)展可起到重大作用,氣體與液體、固體相比較,具有兩個最基本特征:

  1. 擴散性:當(dāng)把一定量的氣體充入真空容器時,它會迅速充滿整個容器空間,而且均勻分布,少量氣體可以充滿很大的容器,不同種的氣體可以以任意比例均勻混合(見圖3)。

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  2.可壓縮性:當(dāng)對氣體加壓時,氣體體積縮小,原來占有體積較大的氣體,可以壓縮到體積較小的容器中(見圖4)。

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  3、理想氣體

  什么是理想氣體?如果有這樣一種氣體:它的分子只有位置而無體積,且分子之間沒有作用力,這種氣體稱之為理想氣體。當(dāng)然它在實際中是不存在的。實際氣體分子本身占有一定的體積,分子之間也有吸引力,但在低壓和高溫條件下,氣體分子本身所占的體積和分子間的吸引力均可以忽略,此時的實際氣體即可看作理想氣體(見圖5)。

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  科學(xué)家們對理想氣體的研究可以發(fā)現(xiàn):

  1.微觀量:描述個別分子運動規(guī)律的物理量。如:每個分子都有的質(zhì)量、運動速度、能量等等,可以對特定狀態(tài)下氣體分子進行研究;

  2.宏觀量:表示大量分子集體效應(yīng)的物理量。如:氣體的體積(V)、溫度(T)、壓強(P)等等,比較容易掌握氣體狀態(tài)變化規(guī)律;

  3.狀態(tài)參量:體積V(m3), 壓強P(Pa), 溫度T(K)之間是可以建立計算模型的。

  4.氣體與外界沒有能量和物質(zhì)的交換時,內(nèi)部也無任何形式的能量轉(zhuǎn)換,則壓強P、體積V、溫度T變化很小或不變化,從而達到熱平衡,保持氣體狀態(tài)不變。

  5.我們可以將氣體狀態(tài)變化按等溫變化、等容變化、等壓變化來分析,可以建立理想氣體狀態(tài)方程從而開展壓縮氣體的研究和利用。

  理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時,壓強P、體積V、溫度T之間關(guān)系的狀態(tài)方程。它建立在玻義耳-馬略特定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等定律的基礎(chǔ)上,由法國科學(xué)家克拉珀龍(Benoit Pierre Emile Clapeyron)于1834年提出。當(dāng)氣體與外界進行能量交換時,則壓強P、體積V、溫度T會發(fā)生變化,其變化規(guī)律可以通過理想氣體狀態(tài)方程來計算。

  理想氣體狀態(tài)方程可用以下方程表示:

  PV=nRT

  式中:p為壓強(Pa),V為氣體體積(m3),T為溫度(K),T=273+攝氏度數(shù),n為氣體的物質(zhì)的量(mol),R為摩爾氣體常數(shù)(也叫普適氣體恒量)(J/(mol.K)),對任意理想氣體而言,R是一定的,約8.31441±0.00026J/(mol·K)。

  在一個與外界沒有交換的密閉空間內(nèi)的理想氣體的狀態(tài)方程為:

  知識點:標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積

  標(biāo)準(zhǔn)狀況:0℃、1.01×105Pa,1mol任何氣體摩爾體積為22.4L。(可以是單一純凈的氣體,也可以是混合氣體)。

  理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用舉例:

  當(dāng)一個客戶已經(jīng)有了空壓機站,但隨著生產(chǎn)的擴大或管線阻損變大及泄漏增加,系統(tǒng)壓力不夠用了,需要增加空壓機,怎么算(見圖6)?

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  例1,當(dāng)一個客戶已經(jīng)有了空壓機:6m3/min-7bar,但隨著生產(chǎn)的擴大或管線阻損及泄漏的增加,系統(tǒng)壓力掉到5bar了,不夠用了,想讓系統(tǒng)壓力到達7bar,需要增加空壓機,怎么計算?

  解答:

  1.先測量現(xiàn)有壓縮空氣氣量V1=6m3/min 和目前的壓力P1=5bar;

  2.再根據(jù)需要的壓力P2=7bar,利用理想氣體狀態(tài)方程計算需要的總氣量V2:

  V2=V1*(P2/P1)=6*(7+1)/(5+1)=8m3/min

  3.最后算出需要增加氣量V3:

  V3=V2-V1=8-6=2m3/min

  4.為滿足現(xiàn)有的用氣需求所要增加多少氣量,建議增加足夠的氣量以便不僅滿足目前的用氣要求,還把將來的需求和泄漏因素考慮進去,比如乘以系數(shù)1.2等。注意:凈化設(shè)備需要同步增加!

  例2,當(dāng)一個客戶已經(jīng)有了空壓機,20m3/min-7bar,但隨著生產(chǎn)的擴大或管線阻損及泄漏的增加,系統(tǒng)壓力掉到4.5bar了,不夠用了,想讓系統(tǒng)壓力到達7bar,需要增加空壓機,怎么計算?

  可以使用“欠壓補充計算器”更快更便捷(見圖7)。

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  4、空氣性質(zhì)

  空氣是地球周圍的氣體,它分層覆蓋在地球表面,透明且無色、無嗅、無味的氣體混合物。它由多種氣體組成,但主要由氮氣和氧氣組成,對人類的生存和生產(chǎn)有著重要的影響。

  在0℃及一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下(1.013×105 Pa)空氣密度為1.29kg/m3 ,其摩爾體積為22.4 L/ mol ,空氣的相對分子質(zhì)量是29,在0℃、760mmHg柱時的密度為1.293g/m3。

  空氣之中恒定組成部分為氧氣、氮氣、稀有氣體,他們的含量百分比,在海拔100 km以內(nèi)幾乎不變。以體積含量計,氧約占20.95%,氮約占78.09%,稀有氣體約占0.934%??諝獠皇且环N純化學(xué)物質(zhì),因此其組份可用分離法分離出來,例如工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)氧氣、氮氣就是從空氣中分離出來的,通常是采用液態(tài)空氣分餾法來實現(xiàn)。

  以下是與我們壓縮空氣行業(yè)相關(guān)的一些特性:

  1. 地球內(nèi)部的引力和內(nèi)部的磁場所造成的大氣壓力,海拔越高大氣壓越低,氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。通常我們把海平面(海拔高度0m)的大氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×105Pa)。因此,我們在計算壓縮空氣的時候在沿海地區(qū)通常不需要考慮海拔高度對計算的影響,但是在海拔高度大于1km時,比如高原地區(qū),應(yīng)該要把海拔高度因素考慮進去,后面會有舉例說明(見圖8)。

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  2.空氣是物理作用下多種氣體的混合物,其中:氮78%、氧21%、氬0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外還有其它惰性氣體、臭氧、水氣和塵埃等。其成分中恒定組成部分為氧氣、氮氣、稀有氣體,可變組成部分為二氧化碳和水蒸氣,它們在空氣中的含量隨工業(yè)化、植被覆蓋率、地理位置、溫度及氣候不同會有變動。比如溫室效應(yīng),雙碳經(jīng)濟等就是由于二氧化碳人為排放過多而引起全世界關(guān)注。壓縮空氣干燥設(shè)備就是為了解決空氣中水蒸汽而誕生的。后面我們會舉例壓縮空氣節(jié)能可以減少多少碳排放量及空氣的露點溫度變化(見圖9)。

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  3.空氣經(jīng)過外部能量可以被壓縮或者膨脹,增加或減少其內(nèi)能和勢能空氣,就是我們常說的壓縮空氣或真空。當(dāng)我們在描述壓縮空氣或真空時,通過壓力、流量與溫度這三個基本指標(biāo)來定義和計算(見圖10)。

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  4.空氣質(zhì)量的好壞反映了空氣污染程度,它是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的。空氣中的污染物主要是指:煙塵、總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、揮發(fā)性有機化合物等等。按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)來判定。在壓縮空氣應(yīng)用中,我們主要是關(guān)注空壓機站房的空氣質(zhì)量,通常在GB 50029-2014《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》有規(guī)定??諌簷C站房空氣質(zhì)量好壞會影響到壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備的運行(見圖11)。

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  5.壓縮空氣或真空的質(zhì)量主要是對空氣中污染物如:水(包括水蒸氣、凝結(jié)水)、懸浮物、油(包括油霧、油蒸氣)、菌、味等含量指標(biāo)高低的要求。通常我們是要求壓縮空氣或真空中塵、油和水含量通過《壓縮空氣 第1部分:污染物凈化等級》GB/T 13277.1-2008或《壓縮空氣-第1部分雜質(zhì)和質(zhì)量等級》ISO8573.1-2010(見圖12)。

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  6.空氣可以視作是干燥的空氣和水蒸汽的混合物。含有水蒸汽的空氣稱為濕空氣。相對濕度通常在0%~100%(見圖13)。

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  我們在計算和定義壓縮空氣或真空時,通常會遇到壓縮空氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有“標(biāo)準(zhǔn)工況”這個術(shù)語,其描述空氣進氣相對濕度為0%。但是在螺桿空壓機的主機設(shè)計參數(shù)中,我們通??梢钥吹娇諝膺M氣相對濕度為60%;在干燥器設(shè)計時,空氣的進氣相對濕度為100%。

  7.一定量的空氣中水蒸氣含量可以通過壓力或溫度變化改變(見圖14)。

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  壓縮空氣水蒸氣含量可以用露點表示。通常有常壓露點和壓力露點來表示在環(huán)境大氣壓或一定壓力下壓縮空氣中水水蒸汽的含量。單位℃表示。

  例3,舉例計算某空壓機吸入空氣中的總水量。

  問:相對濕度60%,環(huán)境溫度30℃時,26.7m3/min的空壓機運行1小時共吸進水量是多少?

  答:查看空氣相對濕度圖表(見圖15)

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  1.找到相對濕度60%曲線,

  2.從溫度30℃劃直線過來,

  3.再看相對濕度60%曲線與溫度30℃橫線交叉點對應(yīng)的水含量是20g/m3;

  4.計算該空壓機運行1h吸入水量:

  L=20g/m3x26.7m3/min=534g/min=32kg/h。

  <注:本文未完待續(xù),更多精彩見下期——>

來源:本站原創(chuàng)

標(biāo)簽: 漫談空氣知識  

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