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气动技术1.气压传动基础知识(60) 1. 气压传动基础知识 11 空气的物理性质 空气可分为干空气和湿空气两种形态。 不含有水蒸汽的空气称为干空气； 含有水蒸汽的空气称为湿空气。 111 空气的性质 1）空气的密度 1 气动技术1.气压传动基础知识(60) 单位体积内空气的质量，称为空气的密度 ，以 表示。即 式中：m为气体质量（Kg）； V为气体体积（m3 ）。 2 气动技术1.气压传动基础知识(60) 对干空气 式中，p绝对压力(MPa)； 为温度在0 0C,压力在0.1013 MPa时干空气的密度。 3 气动技术1.气压传动基础知识(60) 2）空气的粘性 空气的粘性是空气质点相对运动时产 生 阻力的性质。 空气粘性随温度变化而变，温度升高，粘 性增加；反之亦然。 空气粘性受压力变化的影响极小，通常可 忽略。 4 气动技术1.气压传动基础知识(60) 3）气体的易变特性（压缩性与膨胀性） 当流体压力变化时体积随之改变的性质称 为流体的压缩性，流体因温度变化体积随之改 变的性质称为流体的膨胀性。空气的压缩性和 膨胀性都远远大于液体的压缩性和膨胀性。 112 湿度和含湿量 ) 湿度 5 气动技术1.气压传动基础知识(60) 绝对湿度：单位体积的湿空气中所含水蒸汽的 质量,称为湿空气的绝对湿度,用 表示： 或由气体状态方程导出 式中，ms湿空气中水蒸汽的质量，kg； V湿空气的体积，m3； 6 气动技术1.气压传动基础知识(60) ps水蒸汽的分压力Pa； T绝对温度，K； s水蒸汽的密度， Rs水蒸汽的气体常数， 饱和绝对湿度 湿空气中水蒸汽的分压力达到该温度下水 蒸汽的饱和压力，则此时的绝对湿度称为饱和 绝对湿度，用b表示。即 7 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中,pb饱和湿空气中水蒸汽的分压力,Pa b饱和湿空气中水蒸汽的密度， 相对湿度 在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和 绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用 表示。即 8 气动技术1.气压传动基础知识(60) 或 式中，绝对湿度， ； b饱和绝对湿度， ； ps水蒸汽的分压力(Pa)； pb饱和水蒸汽的分压力(Pa)。 9 气动技术1.气压传动基础知识(60) 2）含湿量 质量含湿量d 1Kg质量的干空气中所混合的水蒸汽质量。 容积含湿量 d 1m3干空气中所混合的水蒸汽质量。 式中， 干空气的密度， 。 10 气动技术1.气压传动基础知识(60) 3) 湿空气的密度 对湿空气 式中，p湿空气的全压力，(MPa)； pb某温度摄氏度时饱和空气中水 蒸汽的分压力(MPa)； 空气的相对湿度()。 11 气动技术1.气压传动基础知识(60) 113 自由空气流量及析水量 1）自由空气流量 经压缩机压缩后的空气称为压缩空气，没 经压缩处于自由状态(个大气压状态下)的空 气称为自由空气。 自由空气流量为 若忽略温度变化的影响 12 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，q,qz压缩空气和自由空气流量； p,pz压缩空气和自由空气的绝对压力 ,MPa; T，Ts压缩空气和自由空气的绝对温度K。 2) 压缩空气的析水量 压缩空气中析出的水量可由下式计算 13 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，q1湿空气体积流量， 空气没经压缩时的相对湿度； T1 、T2压缩前空气的温度，K； pb1、 pb1温度为T1、 T2时饱和空气中水蒸 汽的分压力（绝对），MPa； 、 温度为T1、T2时饱和容积含湿 量， 14 气动技术1.气压传动基础知识(60) p,pz 空气压缩前、后的绝对压力,MPa 12 气体状态方程 121 理想气体状态方程 不计粘性的气体为理想气体。理想气体 的状态应满足下述关系： 15 气动技术1.气压传动基础知识(60) 或 或 式中，p绝对压力，Pa； V气体体积，m3； T绝对温度，K； 气体比容， ； 气体密度， R气体常数， 16 气动技术1.气压传动基础知识(60) 对干空气 对水蒸汽 122 变化过程 1)等容过程 一定质量的气体，在容积保持不变时， 从某一状态变化到另一状态的过程，称为等 容过程。设气体从状态1变化到状态2，在此 过程中1=2=常数，则有： 17 气动技术1.气压传动基础知识(60) 在等容变化过程中，气体对外不作功。 2）等压过程 一定质量的气体，在压力保持不变时，从 某一状态变化到另一状态的过程，称等压过程 。设气体从状态1变化到状态2，在此过程中 p1=p2=p=常数，则有： 18 气动技术1.气压传动基础知识(60) 可见：压力不变时，气体温度上升必然导 致体积膨胀，温度下降必然导致体积缩小 。 3）等温过程 一定质量的气体在温度保持不变时,从某一 状态变化到另一状态的过程,称为等温过程。 19 气动技术1.气压传动基础知识(60) 设气体从状态1变化到状态2，在此 过程中，温度T1=T2=T=常数，则有： )绝热过程 气体在状态变化过程中，系统与外界无 热量交换的状态变化过程，称为绝热过程。 20 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，k 绝热指数，对空气，k=1.4。 5) 多变过程 不加任何限制条件的气体状态变化过程， 称为多变过程。其状态方程为： 21 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，n多变指数。 等容过程： n= ；等压过程： n=0； 等温过程： n=1； 绝热过程： n=k=1.4； 多变过程：一般kn1 13 气体流动规律 131 连续性方程 22 气动技术1.气压传动基础知识(60) 气体在管道中作定常流动时，流过管道每 一过流断面的质量流量为一定值。即 式中,A1、A2过流断面1、2面积,m2； 1、2过流断面1、2上气体的密度, v1、v2过流断面1、2上气体的速度, qm质量流量， 。 23 气动技术1.气压传动基础知识(60) 如果，气体运动速度很低，可视为不可压 缩，即 ，则有: q体积流量， 。 132 伯努利方程 24 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，z位置高度, m ； hw摩擦阻力损失水头高，m 。 按绝热过程计算有： 不计气体的粘性，并忽略位置高度的影响有 ： 25 气动技术1.气压传动基础知识(60) 而在低速流动时，可认为气体是不可压缩的， 不计气体的粘性，忽略位置高度的影响则有： 133 声速(音速)与马赫数 1）声速(音速) 声速(音速)是指声波在空气介质中传播 的速度。 26 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，c 声速， 。 2）马赫数 将气流速度v与当地声速c之比称为马赫 数，用符号Ma表示，即 当 ， 时称亚声速流动， 27 气动技术1.气压传动基础知识(60) 当 ， 时称超声速流动， 当 ， 时称声速流动，临界状 态流动 。 134 气体在管道中的流动特性 1）在亚声速流动时（Ma1) 在超声速流动时，气体的流动特性和不 可压缩流体的流动特性相反。 即随着管道截面缩小，而气流的流动速 度减小；管道截面扩大，则气流速度增加。 30 气动技术1.气压传动基础知识(60) 14 气动元件的流通能力 气动元件的流通能力，是指单位时间内通 过阀、管路等的流体体积或质量。目前流通能 力可以采用有效截面积值s表示，也可以用流 量q等来表示。 141 有效截面积 )有效截面积 31 气动技术1.气压传动基础知识(60) 气体流过节流孔(如阀口)时，由于实际流 体存在粘性，其流束的收缩比节流孔实际面积 S0还小。此最小收缩截面称为有效截面积，以 S表示，它代表了节流孔的通流能力。 2)有效截面积的测试方法 由容器放气特性测定放气时间，算出s(单 位为mm2)值： 32 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，V 容器的体积，L ； p1容器内初始压力(表压)，MPa； 33 气动技术1.气压传动基础知识(60) p2放气后容器内剩余压力(表压)，MPa； t放气时间，s； T以绝对温度表示的室温， K 。 3) 系统中多个元件合成的S值 系统中有若干元件并联时，合成有效截面 积SR为： 34 气动技术1.气压传动基础知识(60) 系统中有若干元件串联时，合成有效截面 积SR为： 式中，SR合成有效截面积，m2； Si各元件的有效截面积，m2。 142 不可压缩气体通过节流小孔的流量 35 气动技术1.气压传动基础知识(60) 当气体以较低的速度通过节流小孔(如阀 口)时，可以不计其压缩性，将其密度视为常 数，则气体流量的公式为： 式中q通过节 流小孔的流量， ； Cd流量系数； A节流小孔的面积，m2； 气体的密度， ； 36 气动技术1.气压传动基础知识(60) 节流孔前后的压差， Pa 。 143 可压缩性气体通过节流小孔的流量 流速在超声速区时， 1) 当 时 2）当 时 流速在亚声速区时， 37 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，qz自由(基准)状态流量， ； S 有效截面积，m2； p1、p2节流孔进口绝对压 力，Pa ； 节流孔前后的压差， T1节流孔进口绝对温度，K。 38 气动技术1.气压传动基础知识(60) 15 充气、放气温度与时间的计算 151 充气温度与时间的计算 1）充气时引起的温度变化 充气后的温度为： 式中，Ts气源绝对 温度，K，设定T1=Ts ； k绝热指数。 39 气动技术1.气压传动基础知识(60) 充气结束后，由于气罐壁散热，使罐内气 体温度下降至室温，压力也随之下降，降低后 的压力值为： 式中，p充气达到室温时，容器内气体稳 定的压力值，Pa 。 2) 充气时间 40 气动技术1.气压传动基础知识(60) 充气时,容器中的压力逐渐上升,充气过 程基本上分为声速和亚声速两个充气阶段。 当气体压力p小于临界压力,即 时，在最小截面处气流的速度都将是声速， 流向容器的气体流量也将保持为常数。 如果 把向容器充气的过程看成是绝热过程，使容 器充气到临界压力所需的时间t1为： 41 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，ps气源绝 对压 力，Pa； p1气罐内初 始绝对压 力，Pa； 42 气动技术1.气压传动基础知识(60) 充气与放气的时间 常数，s； V气罐容积,m3； S有效截面积，m2。 在容器中的压力达到临界压力以后，管中 的气流速度小于声速，流动进入亚声速范围， 随着容器中压力的上升，充气流量将逐渐降低 。使容器内气体的压力由临界压力升高到pS所 需的时间为： 43 气动技术1.气压传动基础知识(60) 因此容器内气体的压力由p1充气到ps所需 的总时间为： 152 放气温度与时间的计算 1）绝热放气时容器中的温度变化 44 气动技术1.气压传动基础知识(60) 容器内空气的初始温度为T1，压力为p1， 经绝热快速放气后温度降低到T2，压力降低到 p2，则放气后温度为： 45 气动技术1.气压传动基础知识(60) 如果放气至p2后立即关闭气阀,停止放气， 则容器内温度上升到室温，此时容器内的压力 也上升至p，p的大小按下式计算： 式中，p关闭气阀后容器内气体达到稳定 状态时 的绝对压 力，Pa； p2刚关闭气阀时容器内绝对压力，Pa 。 46 气动技术1.气压传动基础知识(60) 2) 放气时间 在容器压力 时，放气流动在 超声速范围内，压力由p1放气到临界压力pe( )时所需的时间为： 47 气动技术1.气压传动基础知识(60) 当压力 以后，气体的流动属于亚 声速流动。使容器内气体的压力由临界压力pe 降到大气压力pa所需时间为： 容器由压力p1降到大气压力pa所需的绝热 放气时间为： 48 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，p1容器内的初始绝对压 力，Pa； pE放气临界压力， 49 气动技术1.气压传动基础知识(60) 16 气阻、气容及延时环节 161 气阻 1) 气阻的定义 气体单位质量流量（或重量流量）的变化 量所要求的压差变化量，用R表示，即： 50 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中， 气阻前后的压差， ， MPa ； qM通过气阻的质量流量，kgs。 如果气体运动速度比较低，气体的密度可 看成常数，即 =常数，则有： 51 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，气体密度， ； q通过气阻的体积流量， 。 2）线性气阻 若通过气阻的流量与其两端的压差成线性 关系，则称此气阻为线性气阻。即 。 气体通过细长管的流 量为层流流动时， 52 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中， 细长管两端的压差，MPa； 动力粘性系数，PaS l细长管长度，m； d细长管直径，m； 气体密度， 。 53 气动技术1.气压传动基础知识(60) 3）非线性气阻 若通过气阻的流量与两端的压差成非线性 关系，则称此气阻为非线性气阻。此时气体的 流动状态是处于紊流流动状态。在一般清况下 ，都是通过实验测定气阻两端的压差和流量而 求得非线性气阻的阻值。 162 气容及延时环节 54 气动技术1.气压传动基础知识(60) 气容是贮存或放出气体的空间，气容具有 贮气和放气的能力。 1) 气容的定义 气体单位压力变化量所要求质量(或重量 )的变化量。气容用C表示，即： 55 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，m气体质量，Kg ； p气体绝对压 力，Pa ； V容积，m3 ； 气体密度， 。 2）气容常用的计算式 因为： 56 气动技术1.气压传动基础知识(60) 式中，p绝对压 力，Pa； V气体体积，m3 ； T绝对 温度，K； 气体比容， ；（ ） 气体密度， ； R气体常数， 。