Kitabı oxu: «Курс «Трубопроводная арматура». Модуль «Пневмоприводы и приборы управления пневмоприводами»»
Вступление. О Курсе "Трубопроводная арматура"
Курс предназначен для специалистов, работающих в области изготовления, проектирования, выбора и расчета арматуры, проектных организаций и коммерческих инженеров, разрабатывающих спецификации по поставке арматуры, специалистов сервисных и ремонтных предприятий, работающих с арматурой.
В ходе обучения рассматриваются практические аспекты разработки и технического обслуживания трубопроводной арматуры различного назначения. Детально рассматриваются типовые конструкции арматуры, приводов к ней, узлы, детали и характеристики используемых материалов, включая материалы по зарубежным стандартам. Представлены объемные справочные данные и множество практических рекомендаций по расчету, выбору, применению и обслуживанию трубопроводной арматуры.
Среди вопросов курса:
– Условия работы и выбор арматуры
– Типовые конструкции и приводы арматуры
– Типовые узлы и детали арматуры
– Конструкционные материалы
– Регулирующая арматура в системах автоматизации
– Применение трубопроводной арматуры
Длительность курса – 3 месяца.
Форма обучения – дистанционная. Дистанционное обучение осуществляется с использованием электронных учебных курсов, предоставлением учебно-методических материалов и тьюторской поддержкой. Слушатель в любое время имеет возможность, используя современные средства коммуникаций, задать вопросы преподавателям, общаться с другими обучаемыми. Практическая направленность обучения позволяет слушателям выполнять задания с одновременным решением своих профессиональных задач.
Обучение, ориентированное на проблемы предприятия – обучение на рабочем мете предполагает выполнение практических задач, которые стоят перед слушателями. Обучение будет более эффективно, если в процессе обучения слушатели сформируют группы самоподдержки, из которых далее часто вырастают проектные команды, способные решать важные для своего предприятия задачи. Оптимальное количество человек в такой команде – не менее 3-х – 5 чел.
ПРОГРАММА КУРСА "ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА"
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Термины и определения. Условия работы и выбор арматуры. Энергетические параметры арматуры.
Монтажные параметры арматуры. Гидравлические испытания и классы герметичности арматуры. Гидравлические характеристики и классы точности регулирующей арматуры. Сертификация арматуры на различные виды испытаний. Критерии и методы проверки.
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ АРМАТУРЫ
Арматура с линейным (возвратно-поступательным перемещением штока). Запорная арматура. Задвижки. Клапаны запорные. Электромагнитные запорные клапаны. Распределительные электромагнитные клапаны. Отсечные клапаны. Отключающие клапаны. Обратные клапаны.
Регулирующая арматура. Регулирующие клапаны. Регуляторы давления. Регуляторы уровня
Предохранительная арматура. Предохранительные клапаны.
Перепускные клапаны
Импульсные предохранительные устройства
Арматура с вращательным движением штока. Краны. Шаровые краны. Дисковые затворы. Обратные затворы. Гермоклапаны
Специальная арматура. Мембранные и импульсные устройства. Гидрозатворы. Дыхательные клапаны. Конденсатоотводчики
Приводы арматуры. Способ управления арматурой. Силовые характеристики арматуры. Ручные приводы. Электромоторные приводы. Электромагнитные приводы. Поршневые приводы. Мембранные приводы. Электрические исполнительные механизмы. Дистанционные передачи
Типовые узлы арматуры. Затворы. Затворы клапанов. Затворы задвижек. Затворы шаровых кранов. Затворы дисковых затворов. Затворы регулирующей арматуры. Затворы предохранительных клапанов
Ходовые узлы. Узлы соединения шпинделя клапана с запирающим элементом. Сальниковые узлы
Сильфонные узлы.
Фланцевые соединения
Типовые детали арматуры. Корпуса арматуры. Крышки корпусов арматуры. Запирающие элементы
Шпиндели. Ходовые узлы. Маховики и рукоятки.
Конструкционные материалы. Чугуны. Серые чугуны. Ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны. Стали
Углеродистые. Низколегированные. Легированные. Высоколегированные и нержавеющие специальные сплавы. Цветные металлы и сплавы. Бронза. Латунь. Титан. Алюминий. Специальные сплавы. Неметаллические конструкционные материалы.
Допуски и посадки в конструкциях арматуры. Единая система допусков и посадок. Нормальные линейные размеры в арматуростроении. Размерные цепи в конструкциях трубопроводной арматуры. Допуски на резьбы. Допуски и посадки на размеры присоединительных размеров фланцев.
РАБОЧИЕ МАТЕРИАЛЫ
1. Учебно-справочное пособие
2. Приложение
2.1. Коды и классификация Европейского комитета трубопроводной арматуры (CEIR)
2.2. Применяемые стандарты по арматуре и приводам
2.3. Ключ сталей
3. Контрольные вопросы
4. Методическое руководство по самостоятельной работе слушателей
5. Руководство по работе групп самопомощи
6. Др. учебно-методические материалы
ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТЕМ КУРСА
1.1. Модуль 1. Трубопроводная арматура. Общие сведения
Модуль 1 "Трубопроводная арматура. Основные сведения" дает представление о трубопроводной арматуре, основных понятиях и параметрах работы арматуры.
Показаны основные условия работы и порядок выбора арматуры.
Представлены данные о подходах к выбору арматуры и использованию новых критериев для ее выбора, в частности, на основе критерия энергоэффективности и развития представлений о надежности работы арматуры.
Модуль снабжен кейсами по рассматриваемым темам.
Подробно рассматриваются особенности взрывозащиты и пылевлагозащиты трубопроводной арматуры.
Задачи модуля
В модуле "Трубопроводная арматура. Основные сведения" мы рассматриваем основные понятия, терминологию, материалы об основных подходах к выбору и применению арматуры.
Материалы модуля должны помочь Вам разобраться в том, какие существуют способы выбора арматуры, какие критерии используются для оценки эффективности работы арматуры, и какими методами достигается повышение надежности ее работы.
В результате изучения модуля Вы должны хорошо разбираться в терминологии, иметь представление об основных типах арматуры, понимать и применять на практике знания об использовании различных подходов к выбору и применению арматуры.
Вы должны уметь объяснить, как оцениваются энергетические параметры арматуры, почему важно знать особенности монтажных размеров арматуры, как проводятся гидравлические испытания и определяются классы герметичности арматуры, уметь дать оценку надежности арматуры на основе различных показателей, включая показатели взрывозащиты, пылевлагозащиты и функциональной безопасности.
Содержание модуля:
1.1. Терминология
1.2. Условия работы и выбор арматуры
1.3. Энергетические параметры арматуры
1.4. Монтажные размеры арматуры
1.5. Гидравлические испытания и классы герметичности арматуры
1.6. Огнестойкость арматуры, критерии и методы проверки
1.2. Модуль 2. Виды трубопроводной арматуры
В модуле 2 "Виды трубопроводной арматуры" рассматриваются основные виды арматуры. Выделены основные виды арматуры с линейным перемещением штока и вращательным перемещением штока. Показаны основные особенности арматуры различного функционального назначения. В кейсах представлены оценки к анализу применимости различных типов арматуры на основе проектных, эксплуатационных и др. критериев.
Задачи модуля
Модуль "Виды трубопроводной арматуры" касается основных типов арматуры, с которыми специалисты встречаются при работе с проектами и при получении запросов от промышленных заказчиков.
Хорошее знание видов арматуры позволяет легко ориентироваться среди множества предложений по арматуре от поставщиков или быстро разбираться с заявками клиентов.
От того, насколько точно и качественно будут выбираться те или иные виды арматуры, во многом будет зависеть и эффективность всей спецификации арматуры.
От этого будет зависеть и успех вашей организации в целом.
Нашими целями при рассмотрении видов арматуры будут:
– основные понятия о видах арматуры и их функциональном назначении
– основные характеристики разных видов арматуры
– конструктивные особенности арматуры
– выбор и применение арматуры.
После завершения изучения этого модуля Вы сможете лучше понимать виды арматуры и принимать во внимание особенности каждого вида арматуры при их выборе и применении. Ваши способности находить оптимальное решение для конкретных случаев
применения арматуры возрастут. Вы также сможете лучше помогать клиентам в правильном выборе арматуры и сможете доказательно объяснять преимущества того
или иного вида арматуры. В этом вам помогут и предлагаемые кейсы.
Содержание модуля
Арматура с линейным перемещением штока (линейная арматура)
2.1. Задвижки
2.2. Клапаны запорные
2.3. Электромагнитные запорные клапаны
2.4. Распределительные электромагнитные клапаны
2.5. Отсечные (защитные) клапаны
2.6. Отключающие клапаны
2.7. Обратные клапаны
2.8. Регулирующие клапаны
2.9. Регуляторы давления
2.10. Регуляторы уровня
2.11. Предохранительные и перепускные клапаны
2.12. Импульсные предохранительные устройства
Арматура с вращательным перемещением штока
2.13. Краны
2.14. Шаровые краны
2.15. Дисковые затворы
2.16. Обратные затворы
2.17. Гермоклапаны
Различная арматура
2.18. Мембранные и импульсные мембранные разрывные устройства
2.19. Гидрозатворы и дыхательные клапаны
2.20. Конденсатоотводчики
1.3. Модуль 3. Приводы арматуры
В модуле 3 "Приводы трубопроводной арматуры" рассматриваются основные виды приводов арматуры. Представлены типовые конструкции приводов арматуры. Показаны основные особенности выбора приводов по силовым характеристикам и способам управления арматурой. В кейсах представлены подходы к анализу применимости различных типов приводов для конкретных условий эксплуатации.
Задачи модуля
Модуль 3 "Приводы арматуры" посвящен вопросам управления арматурой при помощи приводов. Сейчас уже немыслимо применение арматуры без приводов, поскольку требования к крутящим моментам достигли такого уровня, при котором выполнить его человеку уже не под силу. Другим важным требованием, подталкивающим к все большему использованию приводов, стали требования автоматизации и своевременной перестановки арматуры.
В результате изучения модуля Вы должны начать глубже разбираться в способах управления арматурой на основе понимания силовых характеристик арматуры и понимать особенности выбора типов приводов.
Практические кейсы позволят Вам лучше разобраться в том, как потребители выбирают привод для конкретных условий эксплуатации.
Содержание модуля
3.1. Способы управления арматурой
3.2. Силовые характеристики арматуры
3.3. Ручные приводы
3.4. Электромоторные приводы
3.5. Электромагнитные приводы арматуры
3.6. Поршневые приводы арматуры
3.7. Мембранные приводы арматуры
3.8. Электрические исполнительные механизмы
3.9. Дистанционные передачи
1.4. Модуль 4. Типовые узлы и детали арматуры
Модуль 4 курса "Трубопроводная арматура" рассматривает типовые узлы и детали трубопроводной арматуры, а также предоставляет кейсы, позволяющие слушателям самостоятельно разобраться в особенностях и тенденциях применения тех или иных конструктивных решений.
Задачи модуля
Хорошее знание особенностей конструктивных элементов арматуры дает и хорошее понимание работы трубопроводной арматуры в целом. Поскольку каждый тип арматуры отличается, то существуют множество конструктивных решений в арматуре, которые так или иначе создают ее потребительские качества и определяют выбор потребителя.
Вашей целью будет подробнее познакомиться с конструктивными особенностями типовых узлов и деталей арматуры.
В этом модуле мы рассмотрим затворы различных типов арматуры, уплотнения, ходовые узлы, узлы соединения шпинделя с запирающим элементом, сальниковые, сильфонные узлы и фланцевые соединения. Для закрепления материала по разделу "Типовые узлы арматуры" Вы должны будете изучить представленные кейсы и понять, как можно выбирать тот или иной тип конструктивного элемента в зависимости от применяемой технологии.
В разделе "Типовые детали арматуры" мы рассмотрим наиболее применяемые типы деталей, к которым, как правило, относятся литые детали арматуры. Вам предстоит подробно ознакомиться с конструкциями корпусов, крышек, запирающих элементов, шпинделей, ходовых узлов, маховиков и рукояток.
Предложенные кейсы дадут Вам возможность разобраться в том, как происходит развитие конструктивных элементов, и убедиться, что их развитие продолжается, а их тщательный выбор и оценка на соответствие современным решениям часто определяет и конкурентоспособность продукции.
Содержание модуля
Типовые узлы арматуры
4.1. Затворы клапанов
4.2. Затворы задвижек
4.3. Затворы шаровых кранов
4.4. Уплотнения дисковых затворов
4.5. Затворы регулирующей арматуры
4.6. Затворы предохранительных клапанов
4.7. Ходовые узлы
4.8. Узлы соединения шпинделя клапана с запирающим элементом
4.9. Сальниковые узлы
4.10. Сильфонные узлы
4.11. Фланцевые соединения
Типовые детали арматуры
5.1. Литые детали
5.2. Корпуса арматуры
5.3. Крышки корпусов арматуры
5.4. Запирающие элементы
5.5. Шпиндели
5.6. Ходовые узлы
5.7. Маховики и рукоятки
1.5. Модуль 5. Конструкционные материалы
В модуле 5 Конструкционные материалы" рассматриваются основные конструкционные материалы, применяемые для изготовления деталей арматуры. Среди них большое место занимают чугуны, стали, включая легированные и коррозионностойкие, а также цветные металлы и неметаллические материалы.
Для закрепления материала приводятся кейсы, расширяющие понимание применения новых материалов в различных деталях трубопроводной арматуры.
Задачи модуля
Материалы в трубопроводной арматуре играют одну из самых значительных ролей. В каждой спецификации трубопроводной арматуры обязательно приводится спецификация используемых конструкционных материалов. Кроме того, материалы часто сертифицируются для конкретных условий эксплуатации.
И это не случайно, поскольку арматура, как сосуд, работающий под давлением, должна выдерживать большие уровни давления и, особенно, перепады давления, термические напряжения, возникающие вследствие теплосмен при подаче среды разной температуры, многочисленные циклы давления, приводящие к усталости материала.
В связи с этим важнейшую роль играют методы обеспечения надежности арматуры и проверка материала на способность выдерживать в т. ч. и запредельные нагрузки, способствуя переводу катастрофического разрушения арматуры в практически безаварийное.
Задачами модуля являются ознакомление Вас с основными типами материалов, которые используются в арматуростроении, без знания которых не обойтись ни конструктору, ни инженеру-расчетчику или эксплуатационнику, ни менеджеру, который должен уметь говорить на одном языке с механиками и другими специалистами промышленных предприятий.
Кейсы расширят ваше представление о современном состоянии применения конструкционных материалов в арматуре и позволят увидеть, насколько часто выбор материалов представляет собой непростую задачу.
В результате освоения материалов модуля Вы должны хорошо разбираться в видах материалов, применяемых в арматуростроении, уметь прочитать спецификацию материалов, приводимую в технических бюллетенях на арматуру, быть способны пояснить выбор того или иного материала для различных деталей арматуры.
В этом Вам поможет большое количество справочных материалов, приводимых в модуле.
Содержание модуля
5.1. Серые чугуны
5.2. Ковкие чугуны
5.3. Высокопрочные чугуны
5.4. Стали
5.5. Цветные металлы и сплавы
5.6. Неметаллические конструкционные материалы
5.7. Методы оценки надежности материалов
Приложение: Обозначение сталей по стандартам разных стран
Приложение. Рекомендуемые материалы для применения в средах целлюлозно-бумажной промышленности
Приложение Рекомендуемые материалы для применения в арматуростроении в зависимости от коррозионного воздействия сред
1.6. Модуль 6. Допуски и посадки в конструкциях арматуры и стандарты в арматуростроении
В модуле 6 "Допуски и посадки в конструкциях арматуры и стандарты в арматуростроении" рассматриваются основные способы организации взаимозаменяемости деталей арматуры, а также их влияние на точность регулирования. Показана система стандартизации в арматурной отрасли, включая международные, региональные и корпоративные стандарты. Кейс демонстрирует особенности использования компаниями ряда представленных положений для повышения точности регулирующей арматуры.
Задачи модуля
В работе специалиста по арматуре больше чем в других областях промышленности встречается требование соответствия нормам, техническим регламентам и стандартам. Стандарты при этом остаются основой любой, в т. ч. и корпоративной стандартизационно- сертификационной системы.
Корпоративные стандарты, как правило, превышают требования технических регламентов, которые нормируют обязательные минимальные требования, необходимые для обеспечения безопасности продукции и процессов, а добровольные системы сертификации предлагают следовать требованиям, превышающим требования технических регламентов.
В этом суть развития стандартов в арматуростроении. Она заключается в том, чтобы стимулировать предприятия к выпуску более качественной продукции, отвечающей не только минимальным требованиям безопасности, но и как можно более высоким, часто превышающим мировые.
Стандартизованная арматура позволяет избавиться от многообразия деталей, добиться высокой взаимозаменяемости и дать общий значительный эффект от применения стандартизованных деталей и материалов. Допуски и посадки являются при этом основой стандартизации в арматуре по линейным и присоединительным размерам, а точность выполнения хода арматуры способствует повышению общей точности контуров регулирования и снижения колебательности технологического процесса или выходу его за пределы допусков.
Поэтому знать, как формируются допуски и посадки в конструкциях арматуры, каковы принятые нормальные линейные размеры в арматуростроении и различные виды допусков на резьбы и присоединительные размеры фланцев, а также уметь просчитать размерные цепи в конструкциях арматуры, что позволяет предсказывать возможные потери точности или рост погрешностей при ходе регулирующего элемента, а за ним и потери точности регулирования за счет нарастания гистерезиса, люфтов, мертвой зоны и пр. – все это представляет собой важную часть знаний специалиста по арматуре.
Задачами модуля являются:
– ознакомить Вас с допусками и посадками, принятыми в конструкциях арматуры;
– ознакомить Вас с единой системой допусков и посадок на различные соединительные элементы в арматуре;
– представить особенности применения стандартов в арматуростроении.
Помощь в этом Вам окажут кейс и справочные материалы, приведенные в приложении.
Содержание модуля
6.1. Нормальные линейные размеры в арматуростроении
6.2. Единая система допусков и посадок
6.3. Допуски на резьбы
6.4. Допуски и посадки на размеры присоединительных элементов фланцев
6.5. Размерные цепи в конструкциях трубопроводной арматуры
Введение и задачи модуля
Цель настоящего модуля заключается в изложении основных сведений по пневмоприводам, составляющих одно из ведущих направлений в приводной технике, технике автоматического регулирования и управления трубопроводной арматурой.
Современные пневмоприводы позволяют успешно решать большинство практических задач управления трубопроводной арматурой.
В таких отраслях промышленности как химия и нефтехимия, пищевая и газовая промышленность, целлюлозно-бумажная промышленность и др. применение пневматических приводов для управления трубопроводной арматурой дает большой технико-экономический эффект.
Это объясняется теми положительными свойствами, которые отсутствуют у других видов приводной техники, таких как гидропривод и электропривод. Так, в традиционной для пневмоприводной техники отрасли промышленности как нефтехимия, особенно важны такие качества пневматических устройств, как пожаро и взрывобезопасность, высокая надежность, дешевизна, простота эксплуатации и возможность использования в агрессивных средах.
Уровень развития пневмоприводов во многом определяет и состояние управления трубопроводной арматурой. "Ваш регулирующий клапан настолько хорош, насколько хорош его привод", примерно так можно охарактеризовать важность пневмоприводов для регулирования. Чтобы добиться больших результатов в управлении трубопроводной арматурой пневмоприводы оснащают
многочисленными приборами управления, одно из главных мест среди которых занимают позиционеры. Им будет уделено в материалах модуля наибольшее внимание.
Приборы управления совместно с инструментами позволяют реализовать различные функции запорной и регулирующей арматуры, что в свою очередь создает возможности для расширения функций и самой арматуры и лучшего соответствия ею технологическому процессу.
При написании данного модуля были использованы материалы ведущих компаний – производителей пневмоприводов. Обобщение результатов позволило в сравнительно небольшом объеме дать достаточно полное изложение материалов по пневмоприводам и приборам управления.
Раздел 1. Пневмопривод
1. Пневматика. Основные положения
Основные сведения о пневматике и пневматических системах
Промышленное использование пневматики началось более ста лет назад в печатном деле (линотип) и патронном производстве (контрольно-сортировочные автоматы). Широкое же применение пневматики в промышленности, одновременно во многих странах, началось после второй мировой войны, в связи с автоматизацией производства.
Долгое время (до появления промышленных микропроцессорных устройств) пневмоавтоматика являлась почти единственным средством управления технологическими процессами. Ввиду высокой надежности элементов пневмологики есть производства, где эти системы работают до сих пор.
И хотя в современном производстве они почти повсеместно заменены электронными управляющими устройствами, общие объемы применения пневматики не сократились,
а постоянно увеличиваются за счет более широкого применения силовых элементов – пневмоприводов вместо гидро- и электропривода. Современное автоматизированное производство немыслимо без пневматики, которая находится на этапе бурного, как количественного, так и качественного развития.
Развитие пневматики идет по следующим основным направлениям:
– применение современных материалов, которые позволяют:
• исключить появление масляного тумана, который загрязняет окружающую среду и создает опасность здоровью обслуживающего персонала;
• повысить срок службы всех элементов пневмосистемы;
• минимизировать или полностью исключить необходимость обслуживания пневмосистемы;
• исключить утечки сжатого воздуха;
• повысить КПД пневмоприводов;
• обеспечить устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды, таким как высокие и низкие температуры,
воздействие пыли, влаги, агрессивных химических веществ.
– миниатюризация управляющих устройств, применение группового монтажа (универсальные монтажные плиты, блочные конструкции распределителей, пневмоострова и т. п.).
– создание устройств стыковки пневматических и электронных систем (электропневматические
и пневмоэлектрические устройства).
– применение ресурсо- и энергосберегающих режимов работы пневмосистем (например, использование явления параметрического резонанса позволяет удешевить систему, сделать ее более компактной и существенно повысить КПД).
Основные параметры воздуха
Сжатый воздух, являющийся рабочим телом в системах пневматики, представляет собой смесь газов, молекулы которых, с достаточной для практических целей точностью можно представить в виде мельчайших упругих шариков, движущихся равномерно и прямолинейно в произвольном для каждого шарика направлении со скоростями примерно 1000 м/с. Шарики испытывают постоянные столкновения между собой и со стенками сосуда, в котором находится сжатый воздух. Столкновения молекул со стенками сосуда и создает давление газа.
Давление может быть определено как отношение силы к площади, на которой она распределена:
(1)
Единицы измерения
В международной системе единиц СИ, что является аббревиатурой французского SI (Siste’me International d’Unit’es), единице давления присвоено имя французского ученого Паскаля, автора известного закона о равномерном распространении статического давления по всем направлениям.
Один “Паскаль” равен давлению, создаваемому силой в 1 “ньютон", равномерно распределенной на площади в 1 м2 (Лат. 1 Ра= 1 N/m2).
Это очень малое давление и, поскольку эта единица неудобна, то для измерения используемых в технике стандартных уровней давления введена специальная единица – бар, равная 1/10 Мегапаскаля (Лат. bar. 1 бар = 0,1 МПа = 105 Па).
Удобство этой единицы состоит в том, что она практически равна традиционно используемой технической атмосфере (1 ат. = 1 кгс/см2).
Соотношение: 1 ат = 0,98067 бар.
1 бар = 1,01972 ат
Ожидается, что в будущем к системе СИ перейдут все страны, в том числе и страны с неметрическими системами единиц. В качестве единицы давления в этих странах всё еще используется 1 фунт-сила/кв. дюйм (1 psi).
Соотношение: 1 бар = 14,5 psi
1 psi = 0,06895 бар
Для измерения малых уровней давления используются также миллиметры водяного и ртутного столба.
Соотношение: 1 ат = 10000 мм. вод. ст. = 736 мм. рт. ст.
1 мм. вод. ст. = 9,80665 Па
1 мм. рт. ст. = 1,1333224 Па
Атмосфера Земли на её поверхности развивает давление в одну физическую атмосферу.
Соотношение: 1 атм. = 760 мм. рт. ст. = 1,01325 бар (нормальное давление).
Давление
Давление газа пропорционально его абсолютной температуре Т и концентрации молекул n, которую можно определить как отношение:
(2)
где N – число молекул, находящихся в сосуде;
V – объем сосуда.
Давление P газа равно:
(3)
Коэффициент пропорциональности k представляет собой постоянную Больцмана, равную
Чаще известен объем V сосуда и масса m заключенного в нем воздуха. В предположении, что воздух является идеальным газом, давление P внутри сосуда может быть определено по формуле Клапейрона:
(4)
где R – универсальная газовая постоянная
для воздуха, которая равна внешней работе, совершаемой при постоянном давлении одним килограммом воздуха при нагревании его на 1 градус;
T – температура в градусах Кельвина (абсолютная температура).
Нормальная температура в физике
Различают абсолютное P, избыточное (относительное) Pи и местное атмосферное Pа давления.
Абсолютное давление – это абсолютное значение силы, отнесенное к единице поверхности.
Поэтому абсолютное давление – это разность между давлением в данной точке среды и абсолютным нулем давления, соответствующим давлению в совершенном вакууме, рис. 1.
Рис. 1. Соотношения разных видов давления
Под избыточным (относительным) давлением понимают разность между абсолютным (полным) и местным атмосферным давлением:
(5)
Избыточное давление в соответствии с соглашением всегда положительно. “Отрицательное” относительное (избыточное) давление определяется как вакуумное.
Вакуумным называется давление, меньшее местного атмосферного давления. Местное атмосферное давление может изменяться в зависимости от окружающей температуры, высоты
над уровнем моря и местных погодных условий.
На рис. 1 можно увидеть соотношения между абсолютным, относительным и вакуумным давлениями.
Существует так же дифференциальное давление – это разность между двумя неизвестными давлениями. Этот тип измерения давления обычно используется, чтобы получить падение давления в системе подачи текущей среды. При измерении разности давлений не важно, какое из них считать опорным.
Если концентрация молекул равна нулю, то абсолютное давление в таком сосуде также равно нулю. Можно считать, что на поверхности Земли он обладает некоторой потенциальной энергией, так как весь окружающий его воздух находится под атмосферным давлением Ри, входя в сосуд,
может совершить работу. Так работают многие вакуумные устройства, например вакуумные приводы. Говорят, что эти устройства работают на разряжение.
Сосуд будет также обладать потенциальной энергией, если давление газа внутри него будет больше атмосферного (т. е. Pи > 0). Здесь газ также может совершить работу, но уже при выходе из сосуда
в атмосферу, т. е. привести в действие устройства, работающие на нагнетание.
Поскольку большинство устройств промышленной пневмоавтоматики работает на нагнетание, а магистральное давление существенно больше атмосферного, при расчете усилий удобно пользоваться избыточным давлением.
В термодинамических расчетах, например в формуле (1), пользуются абсолютным давлением.
Высокое давление: Это давление в пневматических системах, находящееся в пределах 3–10 бар.
Используется для запитки большинства промышленных устройств.
Низкое давление: Используется в различного вида датчиках и некоторых управляющих устройствах.
Низкое давление разбито на три диапазона:
• Давление 0,5 бар и менее;
• Давление от 0,5 бар до 1 бара;
• Давление от 1 до 3 бар.
Расход газа
Расход является вторым важнейшим параметром, характеризующим работу любого пневматического устройства, и определяется как количество вещества, проходящее через данное сечение в единицу времени. Поскольку можно измерять как объем вещества, так и его массу,
существует понятие объемного расхода Q и массового расхода G.
Объемный расход
Схема определения объемного расхода показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема к определению объемного расхода
Объемный расход определяется по формулам
(6)
где:
V – объем газа или жидкости, прошедших через данное сечение за определенный промежуток времени;
t – время, в течение которого прошел данный объем газа;
W – скорость потока в сечении (средняя скорость при неравномерном ее распределении по сечению);
S – площадь поперечного сечения потока (см. рис. 2).
Единицы измерения
В системе СИ объемный расход измеряется в м3 /с. Поскольку расход в 1 м3 /с очень велик, в технических характеристиках пневматических аппаратов расход часто указывается в л/мин и в м3/час.
Соотношение: между основными величинами показано ниже
Для жидкостей, из-за их не сжимаемости, объемный расход Q является однозначной характеристикой потока.
В случае воздуха, плотность которого существенно зависит от давления, более определенной характеристикой потока является массовый расход Gm, определяемый как отношение массы воздуха, прошедшей через данное сечение в единицу времени.
Массовый расход
(7)
Соотношение между объемным и массовым расходами:
(8)
где:
Q- объемный расход;
ρ – плотность;
W – скорость потока в сечении;
S – площадь поперечного сечения потока.
Нормальный объемный расход
Для обозначения расходных характеристик в технике используется понятие нормального расхода.
Данный расход Qn измеряется при избыточном давлении на входе устройства 6 бар и 5 бар на его выходе.
Объём проходящего через пневмоэлемент воздуха рассчитывается при нормальных условиях
(при температуре +20°С и абсолютном давлении 1,013 бар, соответствующем 760 мм ртутного столба).
Единицами измерения данного расхода являются Нл/мин (нормальные литры в минуту, для определения массового расхода по нормальному расходу, плотность воздуха берется
при атмосферном давлении).
Рис. 3. Схема измерения нормального объемного расхода воздуха
Расход воздуха при различных режимах истечения воздуха
Расход воздуха при подкритическом режиме истечения воздуха (режим при котором отношение давления в полости наполнения к давлению в ресивере (полости истечения) больше 0,5288).
(9)
где:
f Э – эффективная площадь проходного сечения пневмомагистрали, м2,
Pо – давление в полости, из которой идет истечение воздуха, Па,
P1 – давление в полости наполнения воздухом, Па,
k – показатель адиабаты для воздуха,
σ – относительное давление, величина, характеризующая отношение давления в полостях истечения и наполнения.
R – универсальная газовая постоянная (287 Дж/(кг*К)),
Т – температура воздуха в магистрали, К.
Расход воздуха при надкритическом режиме истечения воздуха (режим, при котором отношение давления в полости наполнения к давлению в ресивере менее 0,5288).
(10)
Для определения эффективной площади можно использовать данные, приведенные в монографии проф. Е. В. Герц «Расчет пневматических приводов», М.: Изд-во «Машиностроение», 1975 г.
Эффективная площадь проходного сечения определяется по следующей формуле:
(11)
где:
f – площадь трубопровода, м2
µ – коэффициент расхода трубопровода.
Коэффициент расхода определяется опытным путем и зависит от величины ξ.
(12)
где:
λпр – приведенная длина (для пластиковых трубопроводов 0,01).
l тр – длина трубопровода, м
dт – диаметр трубопровода, м.
Давление истечения определяется по следующей схеме, рис. 4.
Рис. 4. Схема определения давления истечения
Pо – давление в полости, из которой идет истечение воздуха, Па.
P 1 – давление в полости наполнения воздухом, Па.
На основе схемы определяются расходно-перепадные характеристики диафрагмы при различных режимах истечения воздуха.
Рис. 5. Расходно-перепадная характеристика диафрагмы при различных режимах истечения воздуха
Плотность газа
Плотность – отношение массы тела к занимаемому им объему.
(13)
Плотность воздуха зависит от температуры и давления. При нормальном (атмосферном) давлении Р= 101325 Па
Заменив отношение массы к объему на плотность в формуле (1), получим уравнение, связывающее плотность с давлением и температурой газа.
(14)
Величина, обратная плотности, называется удельным объемом
(15)
Иногда также пользуются удельным весом γ, под которым понимают отношение веса тела G к занимаемому им объему V.
(16)
(17)
Вязкость газа
Вязкость жидкости и газа характеризует силы внутреннего трения при движении потока воздуха или жидкости и оценивается коэффициентами динамической и кинематической вязкости.
Динамическая вязкость – характеризует внутреннее трение в жидкости или газе.
Если перемещать пластинку площадью S в вязкой жидкости, то на нее будет действовать сила внутреннего трения (рис. 6):
Рис. 6. Схема определения динамической вязкости
(18)
где:
Fтр сила трения пластинки о соседний слой жидкости (газа);
S – площадь пластинки, м2
– градиент скорости в сек -1
µ – коэффициент динамической вязкости [Па ⋅ c].
Динамическая вязкость воды при температуре 200С равна 1МПа с, вязкость воздуха равна 0,01821 МПа.
Вязкость жидкостей резко падает при повышении температуры, а вязкость воздуха и газов возрастает.
Кинематической вязкостью жидкости или газа называется соотношение динамической вязкости к плотности.
(19)
В качестве единицы кинематической вязкости применялся также стокс (ст) и сантистокс (сст) по соотношению:
Для измерения вязкости жидкости используют вискозиметры, например вискозиметр Энглера, который представляет собой цилиндрический сосуд, имеющий диаметр 106 мм (рис. 7). В днище сосуда выполнено отверстие диаметром 2,8 мм. Вязкость в градусах Энглера равна отношению
времени истечения 200 см3 исследуемой жидкости к времени истечения такого же количества дистиллированной воды при температуре 200С.
Рис. 7. Схема определения вязкости по Энглеру
Для пересчета “градусов Энглера” в “Стоксы” для минеральных масел применяют формулу Убеллоде:
(20)
Вязкость масел, применяемых в гидросистемах, лежит в пределах 10–30 0 Е.
Вязкость масла следует учитывать при расчетах скорости пневмопривода, поскольку уплотнения штока и поршня перемещаются по смазанным поверхностям и возникают существенные усилия вязкостного трения, снижающие скорость их движения.
В следящих приводах вязкостное трение играет роль демпфера, снижающего опасность возникновения автоколебаний.
Сжимаемость газа
Сжимаемость – свойство рабочего тела изменять свой объем под действием приложенного давления.
Коэффициент объемного сжатия β равен:
(21)
Несмотря на то, что молекулы жидкости подвижны, заметно сжать жидкость можно только приложив к ней очень большое давление.
Для практических целей можно считать жидкости несжимаемыми.
Термодинамические процессы при постоянном объеме газа
Сжимаемость газов гораздо выше и зависит от давления, температуры и объема, занимаемых ими. Бойлем в 1662 г. в Англии и независимо от него в 1676 г. Мариоттом во Франции было установлено, что если газ занимал некоторый начальный объем Vо и имел давление Ро, то после сжатия его до объема V1 давление его, при условии, что температура газа не изменяется
(изотермический процесс) повысится до величины P1, такой, что произведение начального объема и давления будет равно произведению конечного объема и давления:
(22)
или
(23)
Важным следствием этого закона является то, что поскольку масса газа не меняется, при подстановке значений объемов из формулы (5), получим, что отношение давлений равно отношению плотностей газа:
(24)
Изменение объема может происходить также и при изменении температуры Т тела, что учитывается коэффициентом объемного расширения
(25)
Большинство твердых тел, жидкостей и все газы увеличиваются в объеме при нагревании. Опыты Гей-Люссака в 1802 году показали, что коэффициент объемного расширения всех газов одинаков
(рис. 8), постоянен и равен
Рис. 8. Схема определения коэффициента объемного расширения по Гей-Люссаку.
Шарль установил, что если нагревать некоторую массу газа в закрытом сосуде, то на каждый градус увеличения температуры, давление Р в сосуде увеличивается на 1/273 часть давления Ро при 00С, то справедливо уравнение (рис. 9)
Рис. 9. Схема определения давления газа по Шарлю
(26)
где:
Ро – давление газа при 00C
γ – термический коэффициент давления, равный
t – температура газа в градусах Цельсия.
Равенство коэффициентов α и γ не случайно, а обусловлено равенством отношений давлений и объемов по закону Бойля-Мариотта.
Шкала Цельсия не совсем удобна для измерения температуры газа, для того, чтобы обеспечить прямую пропорциональность давления и температуры. Из закона Шарля можно получить число T=273+t, которое можно рассматривать как температуру, отсчитываемую по новой, так называемой абсолютной шкале Кельвина, в которой цена градуса остается прежней, но за нуль принята точка, лежащая на 273 градуса ниже точки таяния льда.
Уравнение состояния идеального газа связывает все три важнейших параметра газа.
Смысл его состоит в следующем: Для данного количества идеального газа отношение
произведения давления на объем к абсолютной температуре есть величина постоянная. 
(27)
Возможны частные случаи уравнения состояния идеального газа, когда один из этих параметров остается постоянным, табл.1.
Табл.1. Частные случаи состояния идеального газа
В случае если теплообмен со средой отсутствует, например, при хорошей теплоизоляции или при малом времени протекания, то процесс называют адиабатическим.
Состояние параметров газа при этом выражается зависимостью:
(28)
где n – показатель адиабаты, равной отношению
(29)
где:
Cp – теплоемкость газа при постоянном давлении;
C v – теплоемкость газа при постоянном объеме.
Теплоемкость вещества определяет количество тепла, которое нужно сообщить одному килограмму вещества, чтобы повысить его температуру на один градус (рис. 9).
Рис. 9. Схема определения теплоемкости
При нагреве газа при Р=const он совершает внешнюю работу по подъему груза на некоторую высоту, поэтому необходимо затратить дополнительное количество энергии. Поэтому Cp > Cv.
Для воздуха показатель адиабаты n равен:
Ввиду большой свободы движения молекул, газовые законы, описывающие изменение их объема значительно более универсальны и точны, чем аналогичные соотношения для твердых тел и жидкостей.
Движение и истечение жидкостей и газов
Если в движущуюся жидкость ввести несколько расположенных по кольцу струек, то они вытянуться в тонкие непересекающиеся линии, которые ограничат так называемую трубку тока (рис. 10).
Рис. 10. Трубка тока
Она замечательна тем, что ни одна частица жидкости или газа не проходит через нее наружу и не проникает снаружи в неё.
Это значит, что количество газа, прошедшее через сечение S1 равно количеству газа, прошедшего через сечение S2 за то же время, т. е. массовые расходы через эти сечения равны.
(30)
Или, подставив значения расходов по формуле (4), получим уравнение неразрывности потока
(31)
Для жидкостей
(32)
а это означает, что равны не только массовые, но и объемные расходы (31)
Обозначим через Е1 энергию газа в первом сечении, Е2
– энергию во втором сечении, Еn – энергию потерь, то есть энергию, израсходованную, например, на внутреннее трение.
Тогда разность двух энергий будет равна энергии потерь
(33)
Энергия сжатого газа равна потенциальной энергии Еп, которая может высвободиться при его расширении, и кинетической энергии Ек, т. е.
(34)
Потенциальная энергия сжатого газа равна произведению его давления P на объем V
Еп = PV (35)
или
(36)
Кинетическая энергия равна
(37)
Энергия потерь выражается как потенциальная энергия столба газа высотой
(38)
Подставив значения энергий в уравнение (19), получим уравнение Бернулли, первое слагаемое которого характеризует динамическое давление, а второе – статическое.
(39)
Для жидкостей, плотность которых в различных сечениях одинакова, это уравнение после умножения обеих частей на ρ, может быть приведена к более простому виду:
(40)
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 W2 > W1 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 – Рпот.
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:
υ – 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:
λ – коэффициент потерь на трение, равный
(45)
Pulsuz fraqment bitdi.
