В строительной, судостроительной, горной промышленностях и в других областях техники широко применяют пневматические инструменты, т. е. инструменты, приводимые в действие сжатым воздухом. На любом большом, заводе применяют пневматические молотки и сверла; в шахтах пользуются пневматическими отбойными молотками.
Каждый такой инструмент присоединяется резиновым шлангом к магистрали - трубе, в которую непрерывно накачивается воздух с центральной компрессорной станции. Простейшая схема нагнетательного насоса-компрессора показана на рис. 302. При вращении маховика поршень 1 движется в цилиндре вправо и влево. При движении поршня вправо сжатый воздух открывает клапан 2 и нагнетается в магистраль; при движении влево новая порция воздуха засасывается в цилиндр из атмосферы, причем клапан 2 закрывается, а клапан 3 открывается. На рис. 303 показано устройство манометра, применяемого для измерения давления сжатого воздуха или других газов. Полая металлическая трубка 1 овального сечения, изогнутая в виде кольца, подсоединяется открытым концом 2 к объему, давление в котором нужно измерить. Вблизи конца 2 трубка, жестко прикреплена к корпусу манометра. Закрытый конец 3 соединен с механизмом, приводящим в движение стрелку прибора. Чем больше давление газа, тем больше распрямляется трубка 1 и тем больше отклоняется стрелка. Обычно положение стрелки, соответствующее атмосферному давлению, отмечается нулем на шкале. Тогда манометр показывает, на сколько измеряемое давление превышает атмосферное: показания прибора дают так называемое «избыточное давление». Такие манометры употребляют, например, для измерения давления пара в паровых котлах.
Рис. 302. Схема компрессора
Рис. 303. Устройство манометра для больших давлений
Укажем еще несколько применений сжатого воздуха.
Воздушные (пневматические) тормоза широко применяют на железных дорогах, в трамвае, троллейбусах, метро, автомашинах. В пневматических тормозах на поездах тормозные колодки 1 прижимаются к бандажам колес сжатым воздухом, находящимся в резервуаре 2, расположенном под вагоном (рис. 304). Управление тормозами производится при помощи изменения давления воздуха в магистральной трубе, которая соединяет вагоны с главным резервуаром сжатого воздуха, находящимся на тепловозе и наполняемом компрессором. Управление устроено так, что при уменьшении давления в магистрали распределительный кран 3 соединяет резервуар 2 с тормозным цилиндром 4 и тем самым осуществляет торможение. Уменьшение давления в магистрали может осуществляться машинистом, который отъединяет магистраль от компрессора и соединяет ее с атмосферой. Тот же результат может быть достигнут, если открыть кран экстренного торможения в любом вагоне или случится обрыв магистрали.
Рис. 304. Схема устройства воздушного тормоза на поездах железной дороги
Сжатым воздухом пользуются в нефтяной промышленности при добыче нефти. В районе залежей нефти под землю накачивают сжатый воздух, вытесняющий на поверхность нефть. Иногда, вследствие каких-либо процессов, происходящих в нефтеносном слое, в подземных слоях накапливается сжатый газ. Если пробурить в земле скважину, доходящую до уровня нефти, газ будет вытеснять нефть на поверхность земли. Разность давлений подземного газа и атмосферы бывает настолько велика, что заставляет нефть, поднявшуюся по скважине, бить высоким фонтаном.
Рис. 305. Устройство для переливания дистиллированной воды
На том же принципе основан прибор, которым часто пользуются в лабораториях для переливания дистиллированной воды из сосуда. Если подуть в трубочку 1 прибора (рис. 305), то из трубки 2 будет выливаться вода. Так как сосуд все время закрыт пробкой, то жидкость может долгое время сохраняться, не загрязняясь.
Для освобождения от воды («продувки») балластных отсеков подводной лодки воду вытесняют сжатым воздухом, хранящимся на борту лодки в специальных баллонах.
>>Применение сжатого воздуха
Сжатый воздух может занимать значительно меньше места, чем при обычных условиях. Поэтому при хранении и перевозке воздух сжимают. При этом давление воздуха повышается, и поэтому приходится использовать специальные, достаточно прочные стальные баллоны (рис. 91). В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, а также кислород, используемый при сварке металлов.
Рисунок 91. Стальные баллоны.
На применении сжатого воздуха основано действие различных пневматических устройств
(от латинского слова "пневматикос" - воздушный). К ним относятся, например, отбойный молоток и пневматический тормоз.
Устройство отбойного молотка
показано на рисунке 92. По шлангу 1 подается сжатый воздух. Устройство 2, называемое золотником, направляет его поочередно то в верхнюю, то в нижнюю часть цилиндра. Под действием этого воздуха боек 3 начинает быстро перемешаться то в одну, то в другую сторону, периодически (с частотой 1000-1500 ударов в минуту) воздействуя на пику 4. Удары последней используют для разрыхления мерзлых грунтов, откалывания от массива кусков горных пород, угля и т. д.
Рисунок 92. Отбойный молоток.
На рисунке 93 показано устройство пневматического тормоза
железнодорожного вагона. Магистраль 1, тормозной цилиндр 4 и резервуар 3 заполняют сжатым воздухом. При открывании стоп-крана сжатый воздух выходит из магистральной трубы, и давление в правой части тормозного цилиндра становится меньше, чем в левой (из которой сжатый воздух благодаря клапану 2 выйти не может). В результате этого поршень тормозного цилиндра перемещается вправо и прижимает тормозную колодку 5 к ободу колеса 6, которое при этом затормаживается.
Рисунок 93. Пневматический тормоз.
Давление сжатого воздуха используется и при добыче нефти
. На рисунке 94 показаны два способа ее добычи: а - нефть фонтанирует под давлением подземных газов и вод; б - нефть идет из скважины под давлением сжатого воздуха, накачиваемого в нефтеносный пласт.
Рисунок 94. Применение сжатого воздуха при добыче нефти.
Вопросы.
1. Почему сжатые газы содержат в специальных стальных баллонах?
2. Как действует отбойный молоток?
3. Опишите принцип действия пневматического тормоза.
4. Расскажите о способах добычи нефти из скважины
Отослано читателями из интернет-сайтов
Вся физика онлайн , курсы физики для учителей и школьников, онлайн рефераты , все материалы школьнику для подготовки к урокам физики, готовые домашние задания, календарно тематический план по физике
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиВ современном высокотехнологическом мире сжатый воздух незаменим, он используется повсеместно и на сегодняшний день является вторым по важности источником энергии после электричества для очень многих промышленных предприятий.
Что же представляет из себя сжатый воздух? Какие существуют принципы и особенности сжатия воздуха, и что следует помнить при работе с ним?
Начнем с определения: сжатый воздух - это воздух, который находится под давлением, превышающим атмосферное. По сути, сжатый воздух - это сжатый атмосферный воздух, то есть тот воздух, которым мы дышим, который состоит из различных газов:
21% кислород
1% другие газы.
Состояние воздуха (газа) можно описать тремя параметрами:
Давление (Р);
Температура (С);
Удельный объем (Vуд.);
В технологии сжатия воздуха все три параметра измеряются в конкретных величинах:
Рабочее давление (давление сжатия) измеряется в барах;
Температура сжатого воздуха измеряется в градусах Цельсия;
Объем используют как для определения размеров ресивера, так и для расхода компрессорами сжатого воздуха, выраженный в лит./мин или куб.м./час
Одним из средств сжатия воздуха является его “выработка” компрессорным оборудованием. Таким образом, сжатый воздух начинает свой путь в компрессоре.
Прежде чем попасть к потребителю сжатый воздух проходит следующие этапы:
На каждом из этих этапов происходит своего рода трансформация воздуха из одного состояния в другое. Рассмотрим основные принципы и особенности сжатого воздуха.
Температура.
В процессе поступления воздуха из атмосферы в компрессор воздух начинает сжиматься. В момент сжатия воздуха в компрессоре его температура может достигать до 180 С , однако через какое-то время, когда воздух попадает дальше, в ресивер, его температура начинает падать, к примеру, на “выходе” из поршневого компрессора она равняется примерно 40-45 С .
Таким образом, падение температуры сжатого воздуха “на лицо”, и воздух, действительно, остывает. В тот момент, когда его температура начинает понижаться, идет процесс возникновения конденсата или другими словами влаги. Таким образом, о сжатии воздуха важно знать следующее:
При сжатии всегда происходит повышение температуры. Чем сильнее сжимается воздух, тем выше поднимается температура, и даже при сжатии воздуха до невысокого давления происходит значительное возрастание температуры.
Повышение температуры происходит не из-за механического трения частей компрессора и тому подобного, а из-за самого сжатия.
Водяные пары также сжимаются, и при последующем понижении температуры - конденсируются.
При сжатии воздуха пары воды становятся основным загрязнением.
В сжатом воздухе сконденсировавшаяся вода является загрязнением, которое улавливает и переносит другие загрязнения.
Концентрация вредных веществ возрастает, и может стать опасной, если их не удалить.
Самое главное - то, что в итоге сжатия воздуха после падения температуры воздуха возникает конденсат, и это может стать настоящей проблемой для потребителя.
Значительное содержание воды в сжатом воздухе становится причиной коррозии пневмосети. Взвешенные частицы и ржавчина действуют как абразив на элементы пневмоавтоматики. Всё это приводит к серьезным повреждениям пневматического оборудования, тем самым вызывая простои оборудования, повышение эксплуатационных расходов и повреждение производимых изделий.
Состав сжатого воздуха.
При подаче в компрессор обычный воздух содержит около 1,8 миллиардов частиц пыли. Таким образом, воздух, попадающий в компрессор, уже содержит загрязнения в виде твердых частиц. К этому надо добавить и то, что мы уже выяснили - некоторое количество влаги или водяного пара, который при сжатии конденсируется, тоже образует загрязнение воздуха. Но и это еще не все: в процессе работы маслянных компресоров в воздушный поток (в результате нагревания масла) могут попадать масляные пары и образовавшийся углерод.
Масляный туман или пар, исходящий из потока сжатого воздуха, может стать причиной сбоя в работе компрессора, сколов краски от корпуса либо появления отверстий (пробоин) на нем. При эксплуатации компрессора в пищевой отрасли либо в медицинской сфере существует риск попадания вредных веществ в организм человека. Масляный туман является наиболее трудновыводимым элементом при его отделении от воздушного потока.
Все это в целом приводит к тому, что загрязнения в атмосферном воздухе с наличием водяных паров и масляного тумана, в процессе работы компрессора превращаются в 2 миллиарда частиц пыли и 0,03 мг/м.куб. масляных паров в выходном воздушном потоке.
Попадая в пневматическую систему, такая агрессивная смесь приводит к ускоренному износу оборудования и выходу его из строя.
Поэтому встает вопрос о качестве воздуха, которое определяется содержанием частиц пыли, масляного тумана и водяных паров. Требование к качеству сжатого воздуха определяет производитель оборудования и нормируется по DIN ISO 8573-1:2001 или ГОСТ 17433-80. Существуют следующие стандарты ISO для типов сжатого воздуха:
Очистка сжатого воздуха.
В последнее время производство качественного сжатого воздуха приобрело особое значение, так как современная промышленность предъявляет высокие требования к оборудованию, а потребитель - к качеству выпускаемой продукции. В связи с этим существуют комплексные системы подготовки и очистки сжатого воздуха. Если коротко остановится на основных этапах, то они выглядят так.
Для принудительного удаления влаги из сжатого воздуха на первом этапе применяют охладители воздуха, которые охлаждают горячий, содержащий влагу воздух до температуры +10 С по отношению к температуре окружающей среды. В результате резкого охлаждения происходит процесс конденсации. На выходе из охладителя сжатый воздух содержит влагу в виде взвеси капелек воды - водяного конденсата и пара. На следующем этапе получения сжатого воздуха с необходимой точкой росы (содержанием влаги) используются осушители 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.
Таким образом, какими бы ни были требования по чистоте воздуха, современные системы подготовки и очистки воздуха позволяют эффективно подготовить и очистить воздух до необходимого уровня.
DIN ISO 8573-1:2001 Качество сжатого воздуха
Стандарт качества сжатого воздуха для каждой категории применения
Пневмомагазин.ру
Казалось бы, в газовой индустрии нет ничего проще сжатого воздуха. Даже чтобы дать ему определение, не нужно напрягаться, вспоминая студенческие годы. Очевидно: это просто воздух, находящийся в условиях повышенного давления.
Однако каждый ли сможет в двух словах ответить, для чего нужен сжатый воздух?
Разумеется, областей применения можно назвать множество. И это неудивительно, ведь работа сжатого воздуха встречается практически повсюду, достаточно увидеть на улице отбойный молоток. Да и статистика утверждает, что в странах Европы около 10 % электроэнергии расходуется промышленностью на производство сжатого воздуха. Это соответствует 80 тераватт-часов в год. Таковы, во всяком случае, данные «Википедии».
Все это верно. Но это все же не ответ на вопрос «для чего?».
Между тем он, такой простой ответ, существует. Сжатый воздух в огромном количестве случаев служит человечеству для того, чтобы передавать механическую энергию. А еще, чтобы служить ее хранилищем. Ведь запасти, допустим, электричество не так-то просто. А механическую энергию сохранить относительно нетрудно. Достаточно лишь хорошенько заполнить газовый баллон.
Таким образом, выражаясь словами все той же «Википедии»: «По своей роли в экономике сжатый воздух находится в одном ряду с электроэнергией, природным газом и водой. Но единица энергии, запасенная в сжатом воздухе, стоит дороже, чем энергия, запасенная в любом из трех указанных ресурсов».
Примеров такого «энерго-механического» применения очень и очень много. Так, сжатый воздух используется для работы любого пневмопривода (т.е. все в том же отбойном молотке). Также он необходим для различных транспортных систем: и тех, что движутся сами, и для механизмов, перемещающих при помощи воздуха, скажем, сыпучие грузы.
Можно назвать и гораздо более экзотические примеры использования сжатого воздуха. Так, он применяется для морских и речных сейсмических исследований: в качестве средства разведки полезных ископаемых. Для этого необходим пневмоизлучатель, то есть генератор колебаний, создаваемых за счет его энергии. Спектр излучаемого сигнала зависит, в частности, от режима истечения сжатого воздуха. А по характеру волн, отраженных или преломленных земной корой, судят о ее геологических свойствах.
Казалось бы, совершенно новая область! Но если вдуматься, то же самое – передача энергии, просто в другой среде.
Существуют, тем не менее, и другие области применения сжатого воздуха. Самый очевидный из них – использование для дыхания. Например, он абсолютно необходим при дайвинге, то есть подводном плавании с аквалангом.
Важный вопрос, о котором обязательно стоит поговорить в связи со сжатым воздухом, – это его качество.
Если вдуматься, вопрос абсолютно логичный. Люди заботятся о качестве того воздуха, которым им приходится дышать. Вполне естественно предположить, что машинам и механизмам чистый воздух тоже «нравится» больше.
Между тем загрязнители в сжатый воздух, естественно, попадают. Во-первых, далеко не всегда у компрессоров, которые его «делают», есть система подготовки на входе. Соответственно, «в сырье» содержатся влага и механические примеси: пыль, различные частицы и т.д.
Мало того, компрессор, как правило, тоже не стерилен. Во многих таких агрегатах в больших количествах присутствует, например, масло. Соответственно, его частицы тоже попадают в сжатый воздух.
Это далеко не всегда безобидный процесс. Влага, содержащаяся в сжатом воздухе, способна серьезно вредить тем механизмам, в которых он затем используется. Самый простой пример такого процесса – это обычная коррозия.
То же относится и к механическим частицам. Попадая в трущиеся части механизмов, они сильно увеличивают их износ и ухудшают эксплуатационные характеристики.
Да и масло, проникшее в сжатый воздух, не несет в себе ничего хорошего. Бытующее мнение, что благодаря этому механизмы нужно меньше смазывать, по словам многих специалистов, ошибочно. Так как данное масло зачастую подвергается воздействию высоких температур и других неблагоприятных факторов, в нем появляются продукты разложения. Так что рассматривать его как смазочное вещество уже нельзя.
К тому же масло взаимодействует с влагой, попадающей из того же сжатого воздуха. В итоге оно само начинает способствовать коррозии. Мало того, образуются твердые осадки, вредные для любого механизма.
Словом, низкое качество (недостаточная чистота) сжатого воздуха способно повысить износ агрегатов, где он используется, и потребовать более частых его остановок для прочистки. В итоге все это серьезно увеличивает эксплуатационные издержки использующего его предприятия.
Именно требованиями к чистоте получаемого сжатого воздуха во многих случаях определяется выбор компрессора, который используется для его изготовления. Однако есть и другие факторы, влияющие на этот процесс. Важно, в каких условиях и в какой отрасли будет работать компрессор.
Существует великое множество видов различных компрессоров.
Разобрать все их в рамках одной статьи почти невозможно. Поэтому мы остановимся лишь на основных.
Наиболее интуитивно понятную схему представляет собой поршневой компрессор. Вращающийся двигатель (например, электрический), благодаря стандартной системе механизмов (скажем, через шатуны), генерирует возвратно-поступательное движение поршней. По существу, это «двигатель внутреннего сгорания наоборот». В цилиндрах воздух сжимается, а затем «изымается» через специальные клапаны.
Поршневые компрессоры бывают как стационарными, так и передвижными. Сфера их применения огромна. Так, они часто используются на пневмонагнетателях в процессе приготовления и подачи цементно-песчаных растворов и бетона. А в целом подобные агрегаты, как правило, предназначены для получения сжатого воздуха для технических нужд в различных отраслях хозяйственной деятельности.
Однако такие компрессоры малопригодны для работ при производстве газа (в частности, для получения азота и кислорода). Во-первых, они не очень подходят для длительной, а тем более непрерывной работы. Во-вторых, их износостойкость также, что называется, оставляет желать лучшего. И в-третьих, они вынуждены использовать очень много масла. Следствием становится низкое качество получаемого сжатого воздуха.
Поэтому для работы в составе кислородных и азотных линий часто выбирают так называемые винтовые компрессоры. В подобных устройствах воздух попадает в камеру сжатия, объем которой при вращении роторов постепенно уменьшается.
Такие агрегаты также различаются в зависимости от использования в них масла.
Маслозаполненный винтовой компрессор имеет довольно высокий КПД и эксплуатационные характеристики. Но поскольку проблема загрязнения продукции маслом в них остается, нередко они оснащаются дополнительными устройствами, обеспечивающими на выходе нужную чистоту. Для этого используются фильтры сжатого воздуха, рефрижераторы (обычно они используются для осушения, но некоторые устройства вместе с влагой удаляют и часть масла) и даже угольные адсорберы. По мнению некоторых специалистов, этого достаточно для решения довольно широкого круга задач.
В воздухе, вырабатываемом безмасляным винтовым компрессором, масло отсутствует. Поэтому в некоторых областях такое решение находит достойное применение. Однако за это приходится платить. Безмасляные компрессоры значительно сложнее и приблизительно вдвое дороже. К тому же они гораздо менее неприхотливы.
Существует и множество других видов компрессоров. Например, мембранные – это компрессоры, предназначенные для сжатия различных сухих газов без загрязнения их маслом и продуктами износа трущихся частей. Такие агрегаты применяются там, где имеются особые требования к чистоте продукции: например, в научных исследованиях, но также и на некоторых предприятиях.
Отдельно необходимо сказать несколько слов о передвижных компрессорах.
Они применяются в невероятно широком спектре отраслей. Помимо уже упомянутых пневмонагнетателей и пневмоинструментов, они необходимы, например, для установок бестраншейной прокладки кабелей и трубопроводов, а также иных строительных устройств и механизмов.
Другим интересным примером являются передвижные компрессорные станции, используемые на аэродромах. Там они нужны для заправки сжатым воздухом систем самолетов. Аналогичные компрессоры, кстати, применяются для других специальных целей: очистки трубопроводов, заправки баллонов дыхательных аппаратов в пожарных частях, наполнения сжатым воздухом кабелей связи и т.д.
Словом, сжатый воздух совсем не так прост, как кажется. И выбор технологий часто определяется именно тем, каким он должен получиться.
Хороший вопрос.
У Гулиа хорошая книга "В поисках энергетической капсулы" - в основном про маховики, но и про другие способы накопления тоже.
Цитата оттуда:Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет - 500 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!
Совсем неплохой показатель - 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока - воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 килограммов. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.
...
Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров. Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта. Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют "сухой лед", потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть "сухой лед", когда я покупал мороженое. Но главное - охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.
Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев - затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и "сухой лед".