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    空氣與壓縮空氣知識漫談<上>

      【壓縮機網1、物質的狀態

      物質是由分子、原子或離子構成的,物質狀態是指一種物質出現不同的相。物質共有六種狀態:氣態、液態、固態、等離子態、玻色—愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態。通常所見的物質有三態:氣態、液態、固態。

      在固態下,物質在強大的親和力作用下,緊密地結合在一個結構內,分子或原子有規則地周期性排列著,有一定的體積和幾何形狀。(圖1右下)

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      當固態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構時,分子變得松散,物體熔化并變成液態,此時,物體不可能再保持原來的固定位置,于是就產生了流動,分子或原子間的吸引力還比較大,使它們不會分散遠離,因此液態有一定的體積但沒有具體形狀。(圖1左下)

      如果液態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,分子之間的結合力完全消失,液態就轉變成了氣態。此時物體的分子或原子做各自無規則運動,這導致了氣態物質具有流動性,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)

      當氣態物質受到冷卻,分子的運動速度變慢,彼此又重新結合并產生凝析成為液態,再進一步冷卻,液態變為固態。

      圖2為純凈水在熱能導入或導出時水發生變化的三種狀態的過程。

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      2、氣體

      前面我們講到,氣態、液態和固態是通常物質存在的三種狀態。對于壓縮空氣從業者來說,我們應該知道在工作中,空氣是以氣態物質出現。因此,了解氣體的物質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。氣體是物質的一個態。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。 氣體狀態在微觀上很難跟蹤每一個分子或原子的動態,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的發展可起到重大作用,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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      科學家們對理想氣體的研究可以發現:

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

      2.宏觀量:表示大量分子集體效應的物理量。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變化規律;

      3.狀態參量: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的交換時,內部也無任何形式的能量轉換,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,保持氣體狀態不變。

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

      理想氣體狀態方程是描述理想氣體在處于平衡態時,壓強P、體積V、溫度T之間關系的狀態方程。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上,由法國科學家克拉珀龍(Benoit Pierre Emile Clapeyron)于1834年提出。當氣體與外界進行能量交換時,則壓強P、體積V、溫度T會發生變化,其變化規律可以通過理想氣體狀態方程來計算。

      理想氣體狀態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,n為氣體的物質的量(mol),R為摩爾氣體常數(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的理想氣體的狀態方程為:

      知識點:標準狀況下的氣體摩爾體積

      標準狀況: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)。

      理想氣體狀態方程應用舉例:

      當一個客戶已經有了空壓機站,但隨著生產的擴大或管線阻損變大及泄漏增加,系統壓力不夠用了,需要增加空壓機,怎么算(見圖6)?

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      例1,當一個客戶已經有了空壓機:6m3/min-7bar,但隨著生產的擴大或管線阻損及泄漏的增加,系統壓力掉到5bar了,不夠用了,想讓系統壓力到達7bar,需要增加空壓機,怎么計算?

      解答:

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

      2.再根據需要的壓力P2=7bar,利用理想氣體狀態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1.2等。注意:凈化設備需要同步增加!

      例2,當一個客戶已經有了空壓機,20m3/min-7bar,但隨著生產的擴大或管線阻損及泄漏的增加,系統壓力掉到4.5bar了,不夠用了,想讓系統壓力到達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

      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有著重要的影響。

      在0℃及一個標準大氣壓下(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純化學物質,因此其組份可用分離法分離出來,例如工業上大規模生產氧氣、氮氣就是從空氣中分離出來的,通常是采用液態空氣分餾法來實現。

      以下是與我們壓縮空氣行業相關的一些特性:

    1. 地球內部的引力和內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)的大氣壓作為標準大氣壓(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,應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,雙碳經濟等就是由于二氧化碳人為排放過多而引起全世界關注。壓縮空氣干燥設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.空氣經過外部能量可以被壓縮或者膨脹,增加或減少其內能和勢能空氣,就是我們常說的壓縮空氣或真空。當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來定義和計算(見圖10)。

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      4.空氣質量的好壞反映了空氣污染程度,它是依據空氣中污染物濃度的高低來判斷的??諝庵械奈廴疚镏饕侵福簾焿m、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、揮發性有機化合物等等。按照《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)來判定。在壓縮空氣應用中,我們主要是關注空壓機站房的空氣質量,通常在GB 50029-2014《壓縮空氣站設計規范》有規定??諌簷C站房空氣質量好壞會影響到壓縮空氣系統設備的運行(見圖11)。

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      5.壓縮空氣或真空的質量主要是對空氣中污染物如:水(包括水蒸氣、凝結水)、懸浮物、油(包括油霧、油蒸氣)、菌、味等含量指標高低的要求。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部分雜質和質量等級》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標準中有“標準工況”這個術語,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計參數中,我們通??梢钥吹娇諝膺M氣相對濕度為60%;在干燥器設計時,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,更多精彩見下期——>

    來源:本站原創

    標簽: 漫談空氣知識  

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