3、壓縮空氣的理論

單位

對氣壓傳動實際應用而言，有必要掌握關於空氣的自然規律和通用的物理量綱。
雖然，自1960年以來國際單位已被全世界所接受，但在美國、英國和日本仍很大範圍內使用英制單位。

8用於氣動的SI單位制8

量

符號

SI制

名稱

附注

1、基本單位

品質

m

Kg

千克

 

長度

s

m

米

 

時間

t

s

秒

 

絕對濕度

T

K

絕對溫度

0℃＝273.16K

濕度（攝氏）

t，θ

℃

攝氏濕度

 

2、導出單位

半徑

r

m

米

 

角度

α,β,γ,δ,ε,φ

l

弧度（m/n）

 

面積、載面積

A,S

m2

平方米

 

體積

V

m3

立方米

 

速度

v

ms-1

米每秒

 

角速度（轉速）

ω

s-1

弧度每秒

 

加速度

a

ms-2

米每秒平方

 

轉動慣量

J

m2Kg

 

 

力

F

N

牛頓

=kg·ms-2

重量

G

N

重力加速度

9.80665ms-2

功

W

J

焦耳＝牛頓米

=kg·ms2s-2

勢能（位能）

E,W

J

焦耳

 

動能

E,W

J

焦耳

0.5mv2

扭矩

M

J

焦耳

 

功率

P

W

瓦特

J.S-1

3、與壓縮空氣相關的單位

壓力

P

Pa

帕斯卡

=N.m-2

標準體積

Vn

mn3

標準立方米

在q=0℃ P=760mmHg

體積流量

Q

mn3s-1

標準立方米每秒

 

能量、功

E,W

N·m

焦耳

Pa.m3=N.m

功率

P

W

瓦特

p.Q=N.m.S-1=W

為了命名比上述基本單位大或小十次方的單位，出現了許多加在前面的序數，列表如下。

加在十次方倍數前面的序數

次方

序數名稱

符號

次方

序數名稱

符號

10-1

分

d

101

十

da

10-2

厘

c

102

百

h

10-3

毫

m

103

千

k

10-6

微

μ

106

兆

M

非公制單位

下表列出了公制單位和英制單位的換算關係。

量

公制

英制（e）

係數m-->e

係數e-->m

品質

Kg

磅

2.205

0.4535

g

盎司（英兩）

0.03527

28.3527

長度

m

英尺

3.281

0.3048

m

碼

1.094

0.914

mm

英寸

0.03937

25.4

溫度

℃

oF

1.8℃+32

(oF-32)/1.8

面積

m2

平方英尺

10.76

0.0929

cm2

平方英寸

0.155

6.4516

體積

m3

立方碼

1.308

0.7645

cm3

立方英寸

0.06102

16.388

dm3

立方英尺

0.03531

28.32

體積流量

mn3/min

scfm

35.31

0.02832

dmn3/min(l/min)

scfm

0.03531

28.32

力

N

磅力（bf）

0.2248

4.4484

壓力

bar

磅力/平方英寸（psi）

14.5

0.06895

壓力

必須注意是ISO規定的壓力，單位是帕斯卡（Pa）.

1Pa=1N/m2(牛頓/米2)

這個單位非常小，為了避免很大的數字，用相當於100,000Pa的單位為1bar（巴）作為壓力單化，這個單位在工業中應用更合適些：

100,000Pa＝100KPa＝1bar（巴）

相應地也使用老的公制單位kgf/cm2，kP／cm2以滿足實際需要。

 


在氣動方面壓力指的是表壓，即高於大氣壓的那部分壓力，通常叫做表壓力（GA）。

壓力也能用絕對壓力（ABS）表示，即相對於絕對真空的壓力。在真空技術中，也使用低於大氣壓的壓力即其真空度。

圖3.4中，把標準大氣壓（1013mbar）作為基推，列出了壓力的各種表示方法。注意標準大氣壓不是1bar，當然在常規的氣動計算時，這個差別也可以忽略。

 

氣體的特性

波義爾（BOYLBS）定律：

“對於一定品質的氣體，在溫度不變的條件下，壓力和它的體積成反比”。如果絕對壓力為100kPa（1bar ABS），體積V1=1m3的氣體在溫度不變下，被壓縮體積為V2=0.5m3，那麼

P1V1=P2V2P2=P1V1／V2

即P2=l00KPa.1m3／0.5m3=200KPa(2barABS).

又如果體積V1在100KPa下壓縮到V3=0.2m3那麼

P3=P1V1／V3=100KPa.1m3／0.2m3=500Pa（5barABS）.



查理（CHARLES）定律：

“在一定壓力下，溫度每升高1，對於一定品質的氣體，其體積增加1／273”。


基路沙（GAY LUSSAC）定律：

“壓力不變，氣體體積的增加與溫度成正比。”

即V1／V2=T1／T2和V2=V1T2／T1

或表達為：在體積不變時，壓力和溫度成正比：

即　　　

〔在上面公式中，必須使用絕對溫度，即℃十273℃=K〕

前面的關係式可結合為理想氣體狀態方程式：

這個定律是設計和選擇氣動裝置的主要理論基礎之一，當溫度有變化時也就必須考慮。

有時需要所有空氣的體積的資料用以標準立方米（m3）的標準體積來表示。1標準立方米，溫度為0℃時，空氣品質為1.293kg.


流量

流量（Q）的基本單位是標準立方米每秒（m3/s）。在氣壓傳動中流量實際表示為升每分鐘（l／min），或標準立方分米每分鐘（dm3／min），表示流量的非公制單位為標準立方英尺每分鐘(scfm)．


伯努利（Bernoulli's）方程：

伯努利方程是這樣描述的。

“水準流動的流體流過管徑不同的管道時，在點1和點2的總能量相同。


若流速不超過330m／s左右時，則此方程對氣體也適用。這個公式應用于文丘裏管和壓力控制閥中的流量補償。


空氣的濕度

大氣中通常含有一定百分比的水蒸汽。水份的含量取決於大氣的濕度和溫度。

當大氣冷卻時，大氣將達到某一點，即水份達到飽和，這一點稱為露點。如果空氣繼續冷卻，那麼它不能保留所有的水份，過量的水份以小液滴的形式凝結出來形成冷凝水。

水份的實際數量完全取決於溫度，1m3壓縮空氣只能包含1m3大氣所能含有的相同量的水蒸汽。

下表列出了從-30℃到+80℃的溫度範圍內每立方米大氣所含有水份的克數，黑體字行為大氣的溫度，細體字給出了每標準立方米含有水份的量，所有大氣的含量都用標準體積表示，可以不必要計算。

在氣動適用的範圍內，下表給出了確切的資料。上半部表示了O℃以上的溫度情況，下半部表示了0℃以下的溫度情況。在給定的溫度下，上行為標準立方米的含濕量，下行為容積含濕量。

表3.6 飽和空氣的水分（露點）

溫度℃

0

5

10

15

20

25

30

35

40

g/mn3(標準)

4.98

6.99

9.86

13.76

18.99

25.94

35.12

47.19

63.03

g/m3(大氣壓)

4.98

6.86

9.51

13.04

17.69

23.76

31.64

41.83

54.108

溫度℃

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

g/mn3(標準)

4.98

3.36

2.28

1.52

1

0.64

0.4

0.25

0.15

g/m3(大氣壓)

4.98

3.42

2.37

1.61

1.08

0.7

0.45

0.29

0.18

相對濕度

除了急劇的惡劣天氣情況外，例如溫度突然下降，否則大氣絕對不會飽和，實際水份含量和露點時水份含量的比值叫做相對濕度，以百分數表示：

例1：溫度為25℃，r.h.65%,1m3大氣中含有多少水份？

露點25℃＝24g/ m3·0.65=15.6g/m3

當空氣被壓縮時，它能含有水份的容量只是體積減少後的容量，因此，除了溫度升高之外，水份將大量的凝結出來。

例2：10 m3的大氣，溫度為15℃，相對溫度（r.h.）為65%，被壓縮為6巴表壓力。溫度允許升高到25℃，問將有多少水凝結出來？

查表3.6可知，15℃，10 m3空氣能最多含有13.04g/m3.10m3=130.4g水，在65%r.h.空氣的含水量為：130.4g×0.65＝84.9g（a）

壓縮到6巴時減少後的體積為：

由表3.6可知，1.44 m3空氣在25℃時最大含水量為：

23.76g·144＝34.2g（b）

從空氣中水分的總量減去壓縮空氣所吸收的，即（a）-(b)84.9-34.2＝50.6g，所示將有50.6g水被凝結出來。

凝結出的水在壓縮空氣輸送前應該除去，以避免對氣動系統中元件產生有害影響。