Osnovne veličine stanja zraka

Zrak kao radni medij

Zrak je smjesa plinova koja obavija Zemlju. Suhi zrak sastoji se od približno 78 % dušika, 21 % kisika, 0,9 % argona i manjih udjela ugljikova dioksida i ostalih plinova. Tome se uvijek pridružuje promjenjiva količina vodene pare, koja za pneumatiku ima veliko praktično značenje: iz nje nastaje kondenzat koji uzrokuje koroziju i kvarove.

Za tehničke proračune zrak se promatra kao idealni plin. Pri tlakovima i temperaturama uobičajenim u pneumatici (do 16 bar, od −20 °C do 80 °C) pogreška takvog pojednostavljenja iznosi manje od jednog postotka, što je daleko manje od nesigurnosti samih ulaznih podataka. Idealni plin opisan je trima veličinama stanja: tlakom, temperaturom i obujmom (odnosno gustoćom). One nisu neovisne: ako su poznate dvije, treća slijedi iz jednadžbe stanja, koja je tema sljedeće jedinice.

Za razliku od tekućina, zrak je stlačiv: pri porastu tlaka njegov se obujam znatno smanjuje. Upravo ta osobina omogućuje da se energija pohrani u spremniku, ali je istodobno i uzrok mekoće pneumatskog pogona. Zrak nema vlastiti oblik ni obujam, ispunjava svaki prostor u koji dospije i pritom na sve stijenke djeluje jednakim tlakom.

Tlak: apsolutni tlak, pretlak i podtlak

Tlak je omjer sile i površine na koju ta sila okomito djeluje:

p = F / A

Osnovna jedinica je paskal (1 Pa = 1 N/m²). Paskal je vrlo mala jedinica, pa se u pneumatici i hidraulici koristi bar: 1 bar = 100 000 Pa = 0,1 MPa. Zgodno je upamtiti da je 1 bar = 10 N/cm²: tlak od 6 bar na svaki kvadratni centimetar klipa djeluje silom od 60 N. Klip promjera 50 mm ima površinu 19,63 cm², pa pri 6 bar teorijska sila iznosi 1178 N, što je upravo sila izvlačenja cilindra B naprave SL-3.

Tlak se može mjeriti od dviju referentnih razina, i to je izvor čestih zabuna:

• Apsolutni tlak (p_aps) mjeri se od apsolutne nule, odnosno od potpunog vakuuma. Nikad nije negativan.
• Atmosferski tlak (p_a) je apsolutni tlak okolnog zraka. Na razini mora iznosi prosječno 1,013 bar, a mijenja se s vremenom i nadmorskom visinom (na 1000 m oko 0,90 bar).
• Pretlak (p_e) je razlika apsolutnog i atmosferskog tlaka kad je apsolutni tlak veći. Manometri u pneumatici pokazuju pretlak.
• Podtlak je ista razlika kad je apsolutni tlak manji od atmosferskog. Koristi se kod vakuumskih prihvatnica i često se iskazuje kao negativni pretlak (−0,7 bar) ili u postocima vakuuma.

p_aps = p_e + p_a

Kad se kaže da mreža radi na 6 bar, apsolutni tlak u njoj iznosi 6 + 1,013 = 7,013 bar. Vakuumska prihvatnica s podtlakom od 0,7 bar radi s apsolutnim tlakom 1,013 − 0,7 = 0,313 bar. U svim termodinamičkim proračunima (jednadžba stanja, potrošnja zraka, kompresija) koristi se apsolutni tlak. Pretlak je dovoljan samo za izračun sile, jer s druge strane klipa također djeluje atmosferski tlak.

Temperatura

Temperatura je mjera srednje kinetičke energije molekula. U svakodnevnom radu mjeri se u stupnjevima Celzija (°C), s nulom pri ledištu vode. Za proračune plinova koristi se termodinamička (apsolutna) temperatura u kelvinima (K), s nulom pri apsolutnoj nuli, najnižoj mogućoj temperaturi kod koje prestaje toplinsko gibanje molekula:

T = t + 273,15    (T u K, t u °C)

Razlika temperatura jednaka je u obje ljestvice (porast od 10 °C je porast od 10 K), ali omjeri nisu. Zrak na 40 °C nije „dvostruko topliji" od zraka na 20 °C: omjer termodinamičkih temperatura je 313,15 / 293,15 = 1,068, pa pri istom tlaku zauzima samo 6,8 % veći obujam. Zato se u svakoj formuli u kojoj se temperature dijele ili množe mora koristiti T u kelvinima.

Temperatura u pneumatici varira više nego što se očekuje. Zrak na izlazu iz kompresora može imati 80 do 90 °C, u razvodnoj mreži hladi se na temperaturu okoline, a pri naglom širenju u ispuhu pneumatskog motora temperatura može pasti ispod ledišta, pa se vlaga iz zraka smrzava u prigušivaču.

Zbog ovisnosti o tlaku i temperaturi, obujam zraka uvijek se mora navesti uz stanje na koje se odnosi. U katalozima se susreću normni kubni metri (Nm³) i normni litri (Nl), ali pojedine norme za to stanje propisuju različite vrijednosti (npr. 0 °C i 1,01325 bar, ili 20 °C i 1 bar), pa treba provjeriti na koje se stanje podatak odnosi. U ovom području, radi jednostavnosti, Nl označava obujam slobodnog zraka pri atmosferskom tlaku od 1,013 bar i temperaturi okoline. Kod kompresora se isporuka iskazuje kao FAD (engl. free air delivery), obujam zraka preračunat na stanje na usisu.

Gustoća i specifični volumen

Gustoća je omjer mase i obujma, ρ = m / V, u kg/m³. Specifični volumen je njezina recipročna vrijednost, v = 1 / ρ, u m³/kg: obujam koji zauzima jedan kilogram plina. Za idealni plin gustoća slijedi iz jednadžbe stanja:

ρ = p_aps / (R · T)    R_zrak = 287 J/(kg·K)

Gustoća zraka raste razmjerno apsolutnom tlaku. U mreži na 6 bar zrak je 6,923 puta gušći nego u okolini, što znači da jedan litar stlačenog zraka pri izlasku u okolinu zauzme oko 6,9 litara. Taj omjer koristi se za preračunavanje obujma cilindra u potrošnju slobodnog zraka. Gustoća je važna i za strujanje: što je zrak gušći, to je pri istom masenom protoku brzina u cijevi manja, a time i pad tlaka.

Vlažnost zraka i točka rosišta

Zrak uvijek sadrži vodenu paru, ali je može primiti samo do određene granice koja ovisi o temperaturi. Zrak koji sadrži najveću moguću količinu pare je zasićen. Topli zrak može primiti znatno više pare od hladnog: pri 0 °C najviše oko 4,9 g/m³, pri 20 °C oko 17,2 g/m³, a pri 40 °C već oko 51 g/m³.

• Apsolutna vlažnost (x ili f) je stvarna masa vodene pare u kubnom metru zraka, u g/m³.
• Najveća (zasićena) vlažnost f_max je masa pare koju kubni metar zraka može sadržavati pri danoj temperaturi.
• Relativna vlažnost φ je omjer stvarne i najveće vlažnosti pri istoj temperaturi, u postocima: φ = f / f_max · 100 %.
• Točka rosišta τ je temperatura na koju treba ohladiti zrak (pri istom tlaku) da bi postao zasićen. Svako daljnje hlađenje izdvaja vodu u obliku kapljica.
• Tlačna točka rosišta je točka rosišta stlačenog zraka pri radnom tlaku. Ona je mjerilo kakvoće sušenja: sušilo s tlačnom točkom rosišta +3 °C jamči da se voda neće izdvojiti dok god se zrak u mreži ne ohladi ispod 3 °C.

Slika 1.4 prikazuje kako se određuje točka rosišta. Zrak pri 20 °C i φ = 70 % sadrži 0,7 · 17,2 ≈ 12,1 g/m³ vode. Ako se hladi pri istom tlaku, apsolutna vlažnost ostaje ista, a najveća moguća pada; na 14,4 °C one se izjednače i zrak je zasićen. Hladna cijev kroz koju prolazi takav zrak „zamagli se" upravo zato što je njezina površina hladnija od točke rosišta.

Izdvajanje kondenzata pri kompresiji

Kompresor ne tlači samo zrak nego i vodenu paru koju zrak nosi. Nakon kompresije ista masa pare nalazi se u višestruko manjem obujmu, a najveća vlažnost po kubnom metru ovisi samo o temperaturi. Dok je zrak vruć, para ostaje u plinovitom stanju; čim se u naknadnom hladnjaku, spremniku ili cijevima ohladi, višak se izdvaja kao kondenzat.

Pogledajmo kompresor naprave SL-3. Uzmimo da usisava 0,8 m³/min zraka pri 20 °C i relativnoj vlažnosti 70 %, tlači ga na 8 bar pretlaka, a naknadni hladnjak ga hladi na 30 °C:

1. Voda na usisu: 0,8 m³/min · 12,07 g/m³ ≈ 9,66 g/min.
2. Obujam stlačenog zraka nakon hladnjaka: V₂ = 0,8 · (1,013 / 9,013) · (303,15 / 293,15) ≈ 0,093 m³/min.
3. Najveća vlažnost pri 30 °C iznosi 30,3 g/m³, pa taj obujam može zadržati samo 0,093 · 30,3 ≈ 2,81 g/min pare.
4. Izdvaja se razlika: 9,66 − 2,81 ≈ 6,84 g/min, odnosno oko 0,41 l/h ili 3,3 l u smjeni od 8 sati pri punom opterećenju.

Iz toga slijede tri praktična zaključka. Prvo, većina vode izdvaja se već u hladnjaku i spremniku, pa ondje moraju biti odvajači kondenzata, po mogućnosti automatski. Drugo, zrak koji iz hladnjaka izlazi zasićen pri 30 °C izdvajat će vodu i dalje, čim se u mreži ohladi na 20 °C. Zato se nakon spremnika ugrađuje sušilo: rashladno sušilo hladi zrak na tlačnu točku rosišta od oko 3 °C, pri čemu se izdvaja još oko 2,3 g/min, a ostaje samo oko 0,5 g/min vlage. Treće, ljeti je kondenzata znatno više nego zimi, jer topao zrak na usisu nosi više vode.

Računski prikaz: kondenzat iz kompresora

Računski prikaz ponavlja postupak iz prethodnog odjeljka. Najveća vlažnost računa se iz tlaka zasićenja vodene pare po Magnusovoj formuli p_s = 611,2 · e^{17,62·t / (243,12 + t)} Pa i jednadžbe stanja pare (R_w = 461,5 J/(kg·K)). Promijenite stanje okolnog zraka, isporuku, tlak i temperaturu nakon hladnjaka.

Za zadane vrijednosti (20 °C, 70 %, 0,8 m³/min, 8 bar, 30 °C) kompresor naprave SL-3 dobiva oko 9,7 g vode u minuti, a izdvaja oko 0,41 l/h kondenzata, dakle oko 3,3 l u smjeni. Točka rosišta usisanog zraka iznosi oko 14,4 °C. Povisite temperaturu okoline na 35 °C i relativnu vlažnost na 80 %, kako bi bilo u ljetnoj radionici: količina kondenzata poraste više nego trostruko, na oko 1,35 l/h. Snizite temperaturu nakon hladnjaka i vidjet ćete koliko više vode ostaje u odvajaču umjesto u mreži.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.