3. Контрольные вопросы и эталонные ответы по курсу пневмопривод и пневмоавтоматика

1. Физические свойства воздуха. Основные параметры, характеризующие состояние сжатого воздуха.

Рабочим телом в пневматических системах управления является сжатый воздух. Он представляет собой смесь азота, кислорода (по объему примерно 78 и 21% соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом количестве (аргон, криптон, ксенон, углекислый газ и т. д.), а также водяного пара.

Воздух характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в единице объема воздуха. Отношение абсолютной влажности к максимальному количеству пара, которое могло бы содержаться в единице объема воздуха при тех же температуре и давлении, называют относительной влажностью.

Воздух как и любой газ или жидкость характеризуется вязкостью. Динамический коэффициент вязкости _Д, (Пас), определяется силами внутреннего трения. Он связан с кинематическим коэффициентом вязкости , (м²/с), следующей зависимостью:

 = _д /.

Вязкость воздуха зависит от температуры следующим образом: _{д1 =} _д (Т₁ /273)^0.75,

где _д — динамический коэффициент вязкости при температуре 273 К (0 °С).

Основными параметрами, характеризующими состояние сжатого воздуха, являются давление, температура и удельный объем (или плотность).

2. Основные закономерности течения газов

Уравнение сплошности потока: при установившемся движении газа массовый расход одинаков во всех сечениях канала

G =  w f = const

где w — скорость течения газа; f — площадь поперечного сечения канала.

Уравнение Бернулли: для любых сечений потока при установившемся движении сохраняется сумма напоров — скоростного, пьезометрического p/ , статического gz и потерянного на трение h_тр, т. е.

w²₁ / 2 + p₁ /  +g z₁ = w²₂ / 2 + p₂ /  +g z₂ +h_тр ,

где z₁ и z₂ – высота центра тяжести поперечного сечения потока в сечениях 1 и 2. Ввиду малой плотности воздуха статический напор обычно не учитывается.

Если пренебречь теплообменом газа с окружающей средой, трением между стенками канала и газом и внутри газа, то получим адиабатическое движение, в котором отсутствуют внешний теплообмен и внутреннее тепловыделение. В этом случае энтропия остается неизменной, и движение называют изоэнтропическим.

Различают два вида течения: ламинарное (слои потока движутся равномерно, не смешиваясь) и турбулентное (частицы движутся в поперечном направлении, приводя к перемешиванию потока). Переход от одного вида течения к другому наступает при определенных условиях, характеризуемых числом Рейнольдса Re = 2300. Ввиду малой вязкости газов, чаще всего течение бывает турбулентным.

3. Особенности неустановившегося режима течения

При неустановившемся течении средняя скорость потока и давление в любом выбранном сечении меняются во времени.

1. Процессы, происходящие в воздухопроводе при неустановившемся течении, усложняются за счет влияния объемных и упругих сил. Влиянием объемных сил (сил веса, сил инерции) в целом ряде технических задач можно пренебречь вследствие малой плотности воздуха, но они проявляют себя в моменты включения и реверсирования потоков и сказываются в некотором запаздывании начала работы преобразователей.

2. Действие упругих сил проявляется непосредственно после открытия или закрытия распределительного устройства, вносящего своей работой возмущение в установившееся состояние (движения или покоя). При переключении система соединяется с сетью сжатого воздуха или атмосферой в зависимости от того, наполняется или опорожняется рабочая полость преобразователя, к которой присоединен трубопровод. При переключении распределителя давление в сечении воздухопровода, удаленном от распределителя на расстояние l, не сразу начнет изменяться, а только через определенный промежуток времени, в течение которого волна возмущения — воздушная волна дойдет до рассматриваемого сечения.

3. Скорость а воздушной волны зависит от давления и плотности воздуха, являющихся функциями температуры, которая, в свою очередь, зависит от характера термодинамического процесса течения воздуха. Для определения скорости воздушной волны можно воспользоваться уравнением

,

где n – показатель политропы;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.