SMC气动基础10-气动理论.ppt

1、气动技术基础理论,SMC（中国）有限公司上海分公司 营业技术部 2004/1,SMC气动技术培训教程,压缩空气,我们呼吸的空气是无色无味，自由流动的物质。 想想看，空气无处不在，充满着各种空间。 空气主要是由氧气和氮气组成的。,成分体积比 Nitrogen78.09% N2 Oxygen20.95% O2 Argon0.93% Ar Others0.03%,SMC气动技术培训教程,空气的特性,体积变化控制气缸的动作影响速度位置圧縮強 圧縮弱体积缩小体积增加 压力变化输出力影响气缸的输出力的大小 圧縮強圧縮弱高 低 温度变化产生水分影响空气饱和水蒸气含量圧縮強圧縮弱多少,在空气的可压缩性中，要考

2、虑使用绝对压力。,空气的可压缩性体现为以下的状态变化,SMC气动技术培训教程,标准大气压是由The International Civil Aviation Organisation制定的. 海平面的压力和温度分别是 1013.25 103 bar 绝对压力 and 288 K (15OC),大气压,1013.25 m bar,SMC气动技术培训教程,体积和流量单位,压力作用下,体積,ANR m3ANR,大气圧下,流量,L/min M2/min,ANRL/min ANRM2/min,标准状态和基准状态,标准状态(ANR)：温度20，相对湿度65%，压力0.1MPa 基准状态：温度0，压力101

3、.3KPa的干空气的状态,SMC气动技术培训教程,1MPa = 1000Pa = 10bar 1bar = 1atm = 1kgf/cm2 = 14.5psi = 100kPa 1atm = 76mmHg 1psi = 6.89kPa,压力单位,温度,热力学温度 T 单位为K 摄氏温度 t 单位为 t = T - T0 T0 = 273.15K,可压缩性,气体的分子间距大，故气体的体积容易随压力发生变化,P1,P2,SMC气动技术培训教程,压力和力,SMC气动技术培训教程,各压力单位之间的关系,SMC气动技术培训教程,F,A,压力,压力表示法,表压力,绝对压力,真空度,大气压P=Pa,绝对真空

4、P=0,绝对压力,表压力：以大气压为基准，高于大气压的压力值，即相对压力， 也即由压力表读出的压力 真空度：以大气压为基准，低于大气压力的压力值，正值 真空压力：绝对压力与大气压力之差，与真空度大小相同，符号相反,PPa,PPa,！,压力是由负载建立的！,SMC气动技术培训教程,压力和力,压缩空气在容器的内表面产生了一个力 容器内的流体将被压缩并产生这个压力 表压力1bar表示每平方厘米上受到10牛顿的力,SMC气动技术培训教程,在压力的作用下，气缸活塞向前伸出，此推力等于压力有效作用面积,Thrust,=,D2,40,P,Newtons,p,D mm,P bar,这里 D = 气缸缸径 mm

5、 P = 压力 bar. 用牛顿来表示 1bar = 100000 N/m2,压力和力,SMC气动技术培训教程,作用在气缸缸桶内部的力相当于气缸的投影面积压力,l,D,这里 D = 气缸内径 mm l = 受压腔室长度 mm P = 压力 bar,压力和力,SMC气动技术培训教程,如果气缸活塞两侧同时受到压力作用。气缸活塞杆将在压差作用下向右伸出。 如果是双活塞杆气缸的话，那么气缸活塞杆将保持在原位。,压力和力,SMC气动技术培训教程,平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。 P1 和 P2 供气和排气压力。,P1,P2,压力和力,SMC气动技

6、术培训教程,平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。 P1 和 P2 供气和排气压力。,P1,P2,压力和力,SMC气动技术培训教程,气体的控制规律,SMC气动技术培训教程,气体的控制规律,气体的状态,对于一定质量的气体来说，压力、体积、温度表明了气体所处的状态。,对于一定质量的气体，状态方程可以表示成,如果某一个状态设为常值，那么我们可以得到如下的状态方程,等温变化,等压变化,等容变化,P.V = constant,= constant,V,T,= constant,P,T,SMC气动技术培训教程,等温变化（波义尔定律BOYLES）,对于一定

7、质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比,在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。,0,2,4,6,8,16,0,2,4,6,8,10,12,Volume V,Pressure P bar absolute,P1.V1 = P2.V2 = constant,10,12,14,14,16,等温变化,SMC气动技术培训教程,等温变化（波义尔定律BOYLES）,在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。,0,2,4,6,8,16,0,2,4,6,8,10,12,10,12,14,14,16,Volume V,Pressure P bar

8、absolute,P1.V1 = P2.V2 = constant,等温变化,对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比,SMC气动技术培训教程,0,2,4,6,8,16,0,2,4,6,8,10,12,10,12,14,14,16,Volume V,Pressure P bar absolute,P1.V1 = P2.V2 = constant,等温变化（波义尔定律BOYLES）,在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。,等温变化,对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比,SMC气动技术培训教程,0,2,4,6,8,16,0,2

9、,4,6,8,10,12,10,12,14,14,16,Volume V,Pressure P bar absolute,P1.V1 = P2.V2 = constant,等温变化（波义尔定律BOYLES）,在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。,等温变化,对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比,SMC气动技术培训教程,等压变化（查理定律CHARLES）,对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。 在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。 一定压力下，温度每升高1，对于一定质量的气体，其体积增加1/273 0o

10、Celsius = 273K,0,0.25,0.5,0.75,1,2,-60,-40,-20,0,20,40,60,Volume,Temperature Celsius,1.25,1.5,1.75,80,100,293K,V1 V2,T1(K) T2(K),= c,=,等压变化,SMC气动技术培训教程,等压变化（查理定律CHARLES）,对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。 在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。 一定压力下，温度每升高1，对于一定质量的气体，其体积增加1/273 0o Celsius = 273K,0,0.25,0.5,0.75,1,2

11、,-60,-40,-20,0,20,40,60,Volume,Temperature Celsius,1.25,1.5,1.75,80,100,366.25K,等压变化,SMC气动技术培训教程,等压变化（查理定律CHARLES）,对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。 在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。 一定压力下，温度每升高1，对于一定质量的气体，其体积增加1/273 0o Celsius = 273K,0,0.25,0.5,0.75,1,2,-60,-40,-20,0,20,40,60,Volume,Temperature Celsius,1.25

12、,1.5,1.75,80,100,219.75K,等压变化,SMC气动技术培训教程,等压变化（查理定律CHARLES）,对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。 在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。 一定压力下，温度每升高1，对于一定质量的气体，其体积增加1/273 0o Celsius = 273K,0,0.25,0.5,0.75,1,2,-60,-40,-20,0,20,40,60,Volume,Temperature Celsius,1.25,1.5,1.75,80,100,366.25K,219.75K,293K,等压变化,SMC气动技术培训教程,

13、对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比 20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增加2.05bar。 0o Celsius = 273K,等容变化,0,5,10,20,-60,-40,-20,0,20,40,60,Temperature Celsius,15,80,100,bar absolute,等容变化,SMC气动技术培训教程,对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比 20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增加2.05bar。 0o Celsius = 273K,等容变化,0,5,1

14、0,20,-60,-40,-20,0,20,40,60,Temperature Celsius,15,80,100,0,2,4,6,8,bar,10,12,14,16,bar absolute,等容变化,SMC气动技术培训教程,对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比 20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增加2.05bar。 0o Celsius = 273K,等容变化,0,5,10,20,-60,-40,-20,0,20,40,60,Temperature Celsius,15,80,100,0,2,4,6,8,bar,10,12,14

15、,16,bar absolute,等容变化,SMC气动技术培训教程,对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比 20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增加2.05bar。 0o Celsius = 273K,等容变化,0,5,10,-60,-40,-20,0,20,40,60,bar absolute,Temperature Celsius,15,80,100,0,2,4,6,8,bar,10,12,14,16,等容变化,SMC气动技术培训教程,综合等压、等温、等容变化三个过程，当气体的三个状态都发生变化时，那么体积、压力、温度之间的关系满足

16、下列气体状态方程。,=,constant,P1 .V1,T1,P2 .V2,T2,=,气体状态方程,SMC气动技术培训教程,理论上，气体的体积被瞬间压缩时，这样一个过程叫做绝热变化过程。（即，热量没有时间通过气缸缸桶与外界发生热交换。）,对于绝热压缩和膨胀过程，有 P V n = c 对于空气 n = 1.4 另外，如果气缸的空气压缩和膨胀过程很快，但是还是有一部分热量通过气缸缸桶与外界发生了热交换，那么n值可以取到1.3左右或更小的值。,2,4,6,8,0,2,4,6,8,10,12,bar a,10,12,14,14,16,16,PV 1. 4 = c 绝热过程,PV 1. 2 = c 多

17、变过程,PV = c 等温变化,Volume,0,绝热变化,SMC气动技术培训教程,实际应用中，气缸作为吸收震动使用时，那么在压缩时肯定会有一定的热量损失。 这时气缸的压缩特性是介于绝热变化和等温变化之间的一种变化。 根据压缩率的不同，指数n将小于绝热指数值1.4，常使用PV 1.2 = c 来表示多变过程。,多变过程,SMC气动技术培训教程,压缩空气中的水分,SMC气动技术培训教程,压缩空气中的水分,当大量的空气受到压缩时，必然会从空气中析大量的水分。 大气中的水蒸气在空气被压缩时，会从空气中被挤出来，就像我们把水从海绵中挤出来一样。 析出水分之后的空气将达到完全饱和状态。即相对湿度100%

18、 RH,排水器,fully saturated air,冷凝水,SMC气动技术培训教程,空气中的水分,几个概念,水蒸汽分压力：湿空气中水蒸汽独占空气总容积时所具有的压力。当空气中的 水蒸汽达到饱和时，这时水蒸汽所具有的压力叫做饱和水蒸汽分压力。 绝对湿度（kg/m3）：每一立方米的湿空气中所含有的水蒸汽的质量。,s=水蒸汽的密度，kg/m3 Ps =水蒸汽分压力，Pa Rs =水蒸汽的气体常数，462.05 J/(kgK),相对湿度（kg/m3）：一定温度和压力下，湿空气的绝对湿度与饱和湿空气的湿度之比，也就是实际水分含量和露点（饱和湿空气）时水分含量之比。表明湿空气吸收水分的能力。,露点：空

19、气在这个温度下呈现饱和状态。即空气饱和（相对湿度100%），温度再降低则开始析出水分。,饱和绝对湿度（kg/m3）：每立方米湿空气中所能够含有的水蒸汽的最大质量。,！,空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，1m3的压缩空气中只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量,SMC气动技术培训教程,空气中的含水量可以简单的用相对湿度RH的方法来表示。这个表示在某一个特定温度的条件下，空气中所含有的实际含水量。,0,10,20,30,40,50,0,20,40,Grams of water vapour / cubic metre of air g/m3,60,70,80,Temperature C

20、elsius,25% RH,50% RH,100% RH,At 20o C 100% RH = 17.4 g/m3 50% RH = 8.7 g/m3 25% RH = 4.35 g/m3,压缩空气中的水分,SMC气动技术培训教程,下图是一个例子。4个立方体分别表示温度为20oC 的一立方米的空气。每个立方体空气的相对湿度是50RH。这就意味着它们分别含有8.7克的水，是最大含水量17.4克的一半。,压缩空气中的水分,SMC气动技术培训教程,当压缩机把这4个立方米的空气压缩成一个立方米时，这一个立方米的空气将含有48.7克的水。但是在一立方米的空气中，在20oC时只能含有最大28.7克的水分。因此多余的28.7克的水蒸气将凝结成水滴析出。,压缩空气中的水分,SMC气动技术培训教程,4立方米的大气，相对湿度50RH，被压缩成1立方米的压缩空气后，根据等温变化，压力变成3bar。 这一立方米的压缩空气中含有17.4克的水蒸气，即相对湿度100RH。另外17.4克的水蒸气凝结成水析出了。 这是一个连续的变化过程。一旦相对压力超过1bar后，每次压缩1立方米之后，就会后8.4克的水凝结出来。,压缩空气中的水分,SMC气动技术培训教程,空气的流量,SMC气动技术培训教程,小孔流动,阀的流量特性可以由流量系