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气体的基本概念
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质量、体积、比容、流量、体积流量、质量流量

质量即气体的重量,常以毫克(mg)、克(g)、千克(kg)、吨(t)来表示。体积是指气体所处的容器之容积。常以立方毫米(mm3)、立方厘米(cm3)、立方米(m3)表示。比容是单位重量物质所占有的容积,用符号V表示,气体比容单位用m/kg,液态比容l/kg表示。
流量是指气体流动过程中,单位时间内通过任一截面的气体量。流量有两种方式来表示,即体积流量和质量流量。前者指通过管路任一截面的气体体积,后者为通过的气体质量,在气体工业中一般均采用体积流量以m/h(或L/H)为计量单位。因气体体积与温度、压力和湿度有关,为便于比较通常所说的体积流量是指标准状态(温度为20℃,压力为0.101Mpa,相对湿度为65%)而言,此时的流量以Nm/h为单位,"N"即表示标准状态。
压力、压强、大气压、绝对压力、相对压力
气体分子运动时对容器壁的撞击时产生的力称压力。对容器单位面积所产生的压力叫压强。压强的单位习惯上使用毫米汞柱(mmHg)/平方厘米(cm2),国际通用(法定计量)帕(Pa)、千帕(kPa)、兆帕(MPa)。经换算 1mmHg=133.3Pa=0.1333kPa,1MPa=1000kPa=1000000Pao1ATA=0.1MPao。
包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”,符号为B;直接作用于容器或物体表面的压力,称为“绝对压力”,绝对压力值以绝对真空作为起点,符号为PABS。
用压力表、真空表、U型管等仪器测出的压力叫“表压力”(又叫相对压力),“表压力”以大气压力为起点,符号为Pg。三者之间的关系是:PABS==B+Pg。
压力的法定单位是帕(Pa),大一些单位是兆帕(Mpa) 1MPa=106Pa;
1标准大气压=0.1013 MPa
在旧的单位制中,压力用kgf/cm2(公斤/平方厘米)作单位,1kg/cm2=0.098Mpa。
温度、绝对温度、相对温度、临界温度、临界压力
温度是物质分子热运动的统计平均值。气体温度是气体分子热运动产生的。气体温度的单位常用摄氏(℃)表示,水结冰的温度为0℃。物理学上常使用绝对温度,单位为“开(开尔文)”,单位符号用“K”表示。绝对温度以-273℃作为零度。摄氏温度和绝对温度的关系是T=t+273。此外英国科学家还经常用“华氏温度”,符号为F。温度单位之间的换算关系是:T(K)=t(℃)+273.16 t(F)=1.8t(℃)+32。
因为任何气体在一点温度和压力下都可以液化,温度越高,液化所需要的压力也越高,但是当温度超过某一数值时,即使在增加多大的压力也不能液化,这个温度叫临界温度,在这一温度下最低的压力就叫做临界压力。
露点、常压露点、压力露点、汽化、凝结
未饱和空气在保持水蒸气分压不变(即保持绝对含水量不变)情况下降低温度,使之达到饱和状态时的温度叫“露点”。温度降至露点时,湿空气中便有凝结水滴析出。湿空气的露点不仅与温度有关,而且与湿空气中水分含量的多少有关。含水量大的露点高,含水量少的露点低。湿空气被压缩后,水蒸气密度增加,温度也上升。压缩空气冷却时,相对湿度便增加,当温度继续下降到相对湿度达100%时,便有水滴从压缩空气中析出,这时的温度就是压缩空气的“压力露点”。露点和压力有关,因此又有大气压露点(常压露点)和压力下露点之分。大气压露点是指在大气压力下水份的凝结温度,而压力下露点是指该压力下的水份凝结温度,两者有换算关系(可查换算表),如压力0.7Mpa时压力露点为5℃,则相应的大气压(0.101Mpa)露点则为-20℃。在气体行业中,若无特殊说明,所指的露点均为大气压露点!把沽β兜恪庇氤Q孤兜阒涞亩杂叵涤搿把顾醣取庇泄,一般用图表来表示。在“压力露点”相同情况下,“压缩比”越大,所对应的常压露点越低。例如:0.7MPa的压缩空气压力露点为2℃时,相当于常压露点为-23℃。当压力提高到1.0MPa时,同样压力露点为2℃时.对应的常压露点降到-28℃(见附表)汽化是指物质由液态变成气体的过程,其包括蒸发和沸腾。凝结是指气体变成液体的过程。
压缩空气露点的测量仪器、及测量注意点
压力露点单位虽然是℃,但它的内涵是压缩空气的含水量。因此测量露点实际上就是气的含水量。测量压缩空气露点的仪器很多,有用氮气、乙醚等作冷源的“镜面露点仪”,有用五氧化二磷、氯化锂等作电解质的“电解湿度计”等等。目前工业上普遍使用专用的气体露点计来测量压缩空气的露点,如英国的SHAW露点仪,该仪器的测量范围可达-80℃。
用露点仪测量空气露点,特别是在被测空气含水量极低时,操作要十分仔细和耐心。气体采样设备及连接管路必须是干燥的(至少要比被测气体干燥),管路连接应是完全密封的,气体流速应按规定选取,而且要求有足够长的预处理时间,稍一不慎,就会带来很大误差。实际证明用五氧化二磷作电解质的“微水分测定仪”来测量经冷干机处理的压缩空气的“压力露点”时,误差很大。据厂家解释,这是由于在测试过程中压缩空气会产生“二次电解”,使读数值比实际高,并且冷干机处理后的压缩空气含水量约在1000ppm左右,已超出了该仪器的测量范围。所以在测量冷干机处理的压缩空气露点时,不应当使用这类仪器。
压缩空气的“压力露点”在干燥机内的取样点
用露点仪测量压缩空气的“压力露点”,取样点应放在干燥机的排气管道内,且样气中不能含有液态水滴。其他采样点测出的露点都有误差。
蒸发温度与压力露点
在冷干机里,蒸发温度(蒸发压力)的读数是不能用来代替压缩空气的“压力露点”的。这是由于在换热面积有限的蒸发器里。压缩空气与冷媒蒸发温度在热交换过程中存在不可忽略的温差(有时可达4—6"C);压缩空气所能冷却到的温度总比冷媒蒸发温度高。另外处于蒸发器与预冷器之间“气水分离器”的分离效率也不可能是100%,总有一部分分离不尽的细小水滴会随气流进入预冷器,并在那里“二次蒸发”还原成水蒸气,使压缩空气含水量增加,露点上升。因此在这种情况下,所测得的冷媒蒸发温度总比压缩空气的实际“压力露点”来得低。
在什么情况下可以用测量温度的办法来代替“压力露点”
工业现场用SHAW露点计间歇取样测量空气“压力露点”步聚相当麻烦,往往因测试条件不完备而影响测试结果。因此在要求不十分严格的场合,往往用温度计来近似测量压缩空气的“压力露点”。
用温度计测量压缩空气“压力露点”的理论依据是:如果被蒸发器强制冷却后通过“气水分离器”进入预冷器的压缩空气,其中所带的凝结水在“气水分离器”得到完全分离,那么此时所测得的压缩空气温度即是它的“压力露点”。虽然实际上“气水分离器”的分离效率不可能达到100%,但在预冷器与蒸发器凝结水排出良好的情况下。进入“气水分离器”并需通过“气水分离器”排除的凝结水只占全部凝结水量的很少一部分。因此用这种方法测“压力露点”误差并不很大。用这种方法测量压缩空气“压力露点”时,温度测点应选择在冷干机蒸发器末端或“气水分离器”内。因为这点压缩空气温度最低。在国外原装进口的冷干机中也有用这种方法来测量成品气“露点温度”的。
空气、湿空气、干空气、压缩空气
地球周围的大气,我们习惯上称它作空气。自然界中的空气是由多种气体(O2、N2、CO2等)混合而成的,水蒸气是其中的一种。含有一定量水蒸气的空气叫湿空气,不含水蒸气的空气叫干空气。我们周围的空气都是湿空气。在一定海拔高度下,干空气的组成成分及比例基本稳定不变,它对整个湿空气的热工性能无特殊意义。湿空气中的水蒸气含量虽然不大,但含量的变化对湿空气的物理性质影响很大。水蒸气含量的多少决定了空气的干燥和潮湿程度?掌哂锌裳顾跣,经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气里含有很多杂质:1.水,包括水雾、水蒸气、凝结水;2.油:包括油污、油蒸气;3.各种固态物质如:锈泥、金属粉末、橡胶粉末、焦油粒及滤材、密封材料的细末等;此外还有多种有害的化学异味物质等。压缩空气可以通过加压、降温、吸附等方法来除去其中的水蒸气?赏ü尤、过滤、机械分离等方法除去液态水份。冷干机的工作对象就是湿空气。
饱和空气、未饱和空气、结露
在一定的温度和压力下,湿空气中水蒸气的含量(即水蒸气密度)是有一定限度的;在某一温度下所含水蒸气的量达到最大可能含量时,这时的湿空气叫饱和空气。水蒸气未达最大可能含量时的湿气就叫未饱和空气。在含水量不变的情况下,通过降低未饱和空气的温度可使之成为饱和空气。未饱和空气在成为饱和空气的瞬间,湿空气中会有液态水珠凝结出来,这一现象称之为结露。
湿空气中水蒸气的分压力
湿空气是水蒸气与干空气组成的混合物,在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量(以重量计)通常比干空气要少得多,但它占有与干空气相同的体积,也具有相同的温度。湿空气所具有的压力是各组成气体(即干空气与湿空气)分压力的和。湿空气中水蒸气所具有的压力,称为水蒸气分压力,记作Ps。其值反映了湿空气中水蒸气含量的多少,水蒸气含量越高,水蒸气分压力也越高。饱和空气中水蒸气分压力叫水蒸气饱和分压,Psb。
空气的湿度、湿度的种类
表示空气干湿程度的物理量叫“湿度”。常用的湿度表示方法有“绝对湿度”、“相对湿度”和“含湿量”。在标准状态下,l m3容积中湿空气含有水蒸气的重量称为“绝对湿度”,单位是g/m3。绝对湿度只表明单位体积湿空气中含有多少水蒸气,而不能表示湿空气吸收水蒸气的能力,即不能表示湿空气的潮湿程度。绝对湿度也就是湿空气中水蒸气的密度。湿空气中实际所含的水蒸气量与同温度下最大可能含有水蒸气量的比值称为“相对湿度”,相对湿度φ在O~100%之间。φ值越小,空气越干燥,吸水能力越强。φ值越大,空气越潮湿,吸水能力越弱。
含湿量、含湿量的计算方法
在湿空气中,1 kg干空气含有水蒸气的重量叫做“含湿量”,常用d来表示,单位:g/kg干空气。公式中:P—空气压力(Pa),Ps—水蒸气分压力(Pa).Psb—饱和水蒸气分压(Pa),φ—相对湿度(%)。从上式可以看出,含湿量d几乎同水蒸气分压力Ps成正比,而同空气总压力P成反比。d确切反映了空气中含有的水蒸气量的多少。由于在某一地区,大气压力基本上是定值,所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Ps有关。
饱和空气中水蒸气的密度
空气中水蒸气的含量(水蒸气密度)是有极限的。在气动压力(2Mpa)范围内,可认为饱和空气中水蒸气的密度只取决于温度的高低而和空气压力大小无关,温度越高,饱和水蒸气的密度越大。譬如,在40℃时1m3空气,不论其压力是O.1MPa还是1.OMPa,它的饱和水蒸气密度都是51g。
空气在加压状态下(即压缩空气)的相对湿度及含水量
从题l—8中知道。当压力P提高后,空气中饱和含湿量将减少。压缩空气的相对湿度φ’及实际含水量由下式确定:(kg/m3)
式中:P P’—压缩前、后空气的绝对压力(Pa)
Pb Pb'—压缩前、后与各自温度下的饱和水蒸气分压(Pa)
φ—压缩前空气的相对湿度(%) φ’—压缩后空气的相对湿度(%)
—压缩后与其温度相对应的饱和水蒸气密度(g/m3)
若 =100%,则压缩空气处于饱和状态。压缩空气的饱和水蒸气分压:
该式可用来确定压缩空气的“压力露点”与常压露点的对应换算关系。
空气的标准状态
在温度t=20℃,绝对压力P=0.1Mpa,相对湿度=65%时的空气状态叫空气的标准状态。在标准状态下,空气密度是1.185kg/m3。(空压机排气量、干燥机、过滤器等后处理设备的处理能力都是以空气标准状态下的流量来标注的,单位写作Nm3/min也可以m3/min后加ANR)。实际空气状态与标准状态通过状态方程进行转换。状态方程有多种形式。其中一种形式是:P—气体的绝对压力(Pa),V—气体的比容(m3/kg),T—气体的温度(K)
(单位符号带脚标0的是标准状态参量,带l的是实际状态参量)
因为加压前后空气质量是不变的。利用状态方程可以计算出加压后空气的体积(假定T1=T0)
热量、显热、潜热
热量是能量的一种形式。在物理学中用“比热”来计算热量,即Q=Gc(t1-t2),式中:Q—热量,G—物体的质量。c—物体的比热.t1、t2—物体的初温和终温。热量单位是J(焦耳)。热量是依靠温差(即t1-t2)传递的能量,没有温差就无所谓热量传递。根据热力学定律,热量能通过对流、传导、辐射等形式,从高温端向低温端自发传递。在没有外功耗情况下,热量永远不可能作反向传递。
物体在加热或冷却过程中,温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量,称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉,通?捎梦露燃撇饬砍隼。(如将水从20℃升高到80℃所吸收到的热量,就叫显热。在物体吸收或放出热量过程中,其相态发生了变化(如气体变成液体),但温度不发生变化,这种吸收或放出的热量叫“潜”!扒比取辈荒苡梦露燃撇饬砍隼,人体也无法感受到,但可通过实验计算出来。饱和空气在吸收一定冷置(即放出热量)后,一部分水蒸气会相变成液态水,而此时饱和空气温度并不下降,这部分放出的热量就是“潜热”。
空气的焓值及计算方法
空气的焓值是指空气所含有的总热量,通常以干空气的单位质量为基准。焓用符号i表示,单位是kJ/kg干空气。湿空气焓值等于lkg干空气的焓值与d kg水蒸气焓值之和。
湿空气焓计算公式为:i=1.01 t + (2500+1.84 t) d或i=(1.0l+1.84 d)t+2500d(kJ/kg干空气)
式中:t一空气温度 ℃
d一空气的含湿量 g/kg干空气
1.01—干空气的平均定压比热 kJ/(kgk)
1.84一水蒸气的平均定压比热 kJ/(kgk)
2500—0℃时水的汽化潜热 kJ/kg
由上式可以看出:(1.Ol+1.84d)t是随温度变化的热量,即“显热”;而2500d则是O℃时水的汽化潜热,它仅随含湿量而变化,与温度无关,即是“潜热”。上式经常用来计算冷干机的热负荷。
压缩空气、压缩空气的特点
空气具有可压缩性,经空气压缩机做机械功使本身体积缩小,压力提高后的空气叫压缩空气。压缩空气是一种重要的动力源。与其它能源比,它具有下列明显的特点:清晰透明,输送方便,没有特殊的有害性能,没有起火危险,不怕超负荷,能在许多不利环境下工作,空气在地面上到处都有,取之不尽。
纯度
纯度是气体的一个重要技术参数。举氮气为例,按国标氮气的纯度分为工业用氮气、纯氮和高纯氮三级,它们的纯度分别为99.5%(O2小于等于 0.5%),99.99%(O2小于等于0.01%)和99.99%(O2小于等于0.001%)。
压缩空气里含有的杂质
空压机排出的压缩空气里含有很多杂质:①水,包括水雾、水蒸汽、凝结水;②油,包括油污、油蒸汽;③各种固态物质如:锈泥、金属粉末、橡胶细末、焦油粒及滤材、密封材料的细末等;此外还有多种有害的化学异味物质等。
气源系统、气源系统的杂质
由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列部分组成:空气压缩机、后部冷却器、过滤器(包括前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等)、稳压储气罐、干燥机(冷冻式或吸附式)、自动排水排污器,输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要,组合成完整的气源系统。
从空压机输出的压缩空气中含有大量有害杂质,不通过适当的方法清除这些杂质,会对气源系统造成很大的危害:变质的润滑油(油分)会使橡胶、塑料、密封材料变质,堵塞小孔,造成阀类动作失灵,污染产品;水分和粉尘会造成金属器件、管道生锈腐蚀,造成运动部件卡死或磨损,使气动元件动作失灵和漏气,水分和尘土还会堵塞节流小孔或过滤网;在寒冷地区,水分结冰会造成管道冻结或冻裂。由于空气质量不良,使气动系统的可靠性和使用寿命大大降低,由此造成的损失往往大大超过气源处理装置的成本和维修费用,故正确选用气源处理系统是绝对必要的。
气源质量的标准
不同用户对气源质量有不同要求。国家标准GB/T 13277—91《一般用压缩空气质量等级》(等效采用IS0 8573)就是为此而制订的。该标准对压缩空气中固体粒子、水分及含油量作出了量的规定。从更广的意义上讲,一个良好的气源还应当在使用过程中压力是稳定的,对周围环境造成的污染是最小的。
压缩空气的干燥方法
压缩空气可以通过加压、降温、吸附等方法来除去其中的水蒸汽,可通过加热—过滤—机械分离等方法除去液态水分。冷冻式干燥机就是对压缩空气进行降温来排除其中所含水蒸气,获得相对干燥压缩空气的一种设备。
吸附、膜渗透
吸附是气体中一个或多个组分在多孔固体表面的选择性浓缩,被吸附的组分称作吸附介质,多孔固体称为吸附剂。吸附剂与吸附介质的连接力是化学键,而吸附介质的解析靠升温或降低该组分在气压中分压。另一种情况是吸附组分与固体吸附剂去化学反应时,称为化学吸附,化学吸附一般情况下不能再生。
膜渗透指在气体净化过程中聚合物分离气体是基于一个或多个气体组分从膜的一边选择性的渗透到另一边。该组分溶解于聚合物膜的表面,并沿着膜传递形成一浓度差,保持此浓度差是靠膜一边组分的分压高于膜另一边该组分的分压。

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