قانون اول ترمودینامیک
قانون اول ترمودینامیک
این قانون همان قانون پایستگی(بقای) انرژی است که در مورد فرآیند های ترمودینامیکی به کار می رود مطابق این قانون تغییرات انرژی درونی یک دستگاه برابر جمع جبری کار و گرمای داده شده به دستگاه است یعنی:
گرمای مبادله شده بین دستگاه و محیط از رابطه به دست می آید.
توجه داشته باشید در رابطه بالا دما بایستی حتما بر حسب کلوین باشد اما یکاهای فشار و حجم هر چه باشد ایرادی ندارد. البته به شرطی که یکاها در دو طرف رابطه یکسان باشند و فشار هم فشار مطلق در نظر گرفته شود.
قانون بویل – ماریوت
در بسیاری از فرآیند ها حجم گاز تغییر می کند دمای آن ثابت است.
P1V1=P2V2
یعنی اگر دما ثابت باشد حاصلضرت فشار در حجم ثابت خواهد ماند. یعنی اگر حجم کاهش (افزایش) یابد فشار افزایش(کاهش) خواهد شد.
قانون شارل – گیلوساک
در بعضی از فرآیند های خاص در گازها مقدار فشار تغییر نمی کند. یعنی
V1/T1 = V2/T2 P1=P2
این رابطه نشان می دهد که وقتی فشار ثابت است، حجم گاز با دمای مطلق آن نسبت مستقیم دارد.
(AMONTON) قانون آمونتون
اگر حجم گازی را ثابت نگه داریم و به آن گرما بدهیم فشار آن همراه با دما افزایش می یابد.
تناسب بالا نشان می دهد که در حجم ثابت فشار گاز با دمای مطلق آن نسبت مستقیم دارد.
قانون گازها
گازها نیز مانند مایع ها و جامد ها با زیاد شدن دم افزایش حجم پیدا می کنند اگر بخواهیم این افزایش حجم صورت نگیرد باید فشار بیش تری بر گاز وارد کنیم. بنابراین علاوه بر دما فشار نیز بر حجم گاز ها موثر است. یعنی کسر
شرایط بحرانی
در درجه حرارتی که بالای آن دیگر گاز در اثر ازدیاد فشار تبدیل به مایع نمی گردد به آن درجه حرارت بحرانی می گویند.
فشار لازم برای تقطیر شدن یک گاز در درجه حرارت بحرانی را فشار بحرانی گویند.
برای هوا این دمای بحرانی ۱۴۰- سلسیوس و فشار بحرانی ۳۷.۶
ضریب تراکم پذیری
در فشار و دماهای بالا همچنین در نواحی نزدیک نقطه بحرانی که گاز به مایع تبدیل می گردد تغییراتی در رابطه P-V-T واقع می شود و رابطه با یک ضریب تراکم بیان می شود.
ضریب تراکم بطور تجربی تعیین شده و نمودار آن برحسب تغییرات فشار در خط دمای ثابت رسم می گردد.
فرآیند های خاص ترمودینامیک
در ترمودینامیک بین دو حالت مشخص فرآیندهای متفاوتی می تواند رخ بدهد. در بین این فرایند ها فرایندهای خاصی وجود دارند که کاربرد آن ها وسیع تر است از جمله : فرایند هم حجم – فرایند هم دما و فرایند بی دررو… در ادامه به توصیف این فرایند ها می پردازیم.پیش از شروع توجه داشته باشید که در تمام فرایند فرض ما بر این است که تعداد مولکولهای گاز ثابت است یعنی گازی از مخزن خارج نشده و گازی نیز به مخزن وارد نمی شود.
فرایند بی دررو را فرایند آنتروپی ثابت هم می گویند که در آن فرایند بدون انتقال حرارت انجام می گیرد. در واقعیت فرایند تراکم در کمپرسور ها بین فرایند دما ثابت و آنتروپی ثابت انجام می کیرد که به آن فرایند پلی تروپیک می گویند.
فرآیند هم فشار: ISOBAR
فشار در حین این فرایند ثابت می ماند.به عنوان مثالی از این فرایند، در نظر بگیرید که مقداری گاز درون استوانه ای که دهانه ی آن با پیستونی بسته شده قراردارد. پیستون بی حرکت است و اصطکاک آن با بدنه ی داخلی استوانه ناچیز است. چون پیستون ساکن است فشار گاز (P) با فشار هوای محیط برابر است. اکنون اگر به آرامی مقدار کمی گرما از گاز داخل استوانه بگیریم یا به آن کمی گرما بدهیم . گاز به آرامی متراکم یا منبسط می شود و پیستون بسیار آهسته حرکت می کند.در این حالت می توان گفت که شتاب حرکت پیستون برابر صفر است. در نتیجه برایند نیروهای وارد بر پیستون برابر صفر خواهد بود.یعنی فشار گاز همواره با فشار محیط برابر است . یعنی حین فرایند فشار گاز ثابت می ماند.
گرمای مبادله شده در این فرایند از رابطه بدست می آید.
فرایند هم حجم ISOCHOR
حجم گاز در حین فرایند ثابت نگه داشته می شود در فرآیند هم حجم چون حجم ثابت است( پیستون جابجب نمی شود) کار انجام شده صفر است و گاز فقط می تواند با محیط تبادل گرما کند اگر گاز از محیط گرما دریافت کند( ) دمای دستگاهافزایش یافته و فشار آن نیز افزایش می یابد و اگر گاز به محیط گرما دهد ( ) دمای دستگاه کاهش یافته و فشار آن نیز کاهش می یابد.زیرا بنا به رابطه با توجه به ثابت بودن عبارت داخل پرانتز فشار گاز در این فرایند با دمای مطلق آن رابطه مستقیم دارد.
گرمای مبادله شده در این فرایند از رابطه بدست می آید.
فرآیند هم دما:isotherm
دمای دستگاه در حین این فرآیند ثابت می ماند . برای انجام یک فرآیند هم دما دستگاهی مانند شکل روبرو را که با یک منبع گرما در تماس است در نظر بگیرید.در ابتدا گاز در حالت تعادل است و دمای آن با دمای منبع گرما برابر است. گاز را اندکی متراکم می کنیم در نتیجه دمای گاز بر اثر تراکم افزایش می یابد و از دمای منبع گرما بیشتر می شود.به علت این اختلاف دما گاز اندکی گرما از دست می دهد تا دمای منبع و گاز یکسان شود. اگر فرآیند متراکم کردن گاز به آهستگی ادامه دهیم . دمای گاز در طول تحویل تغییر نخواهد کرد و فرآیند به صورت هم دما انجام خواهد شد.
تئوری کمپرسورهای هوا
تئوری سیکل عمل کرد یک کمپرسور از مطالعه کمپرسور رفت و برگشتی بدون هیچگونه افتی مشخص می گردد. حرکت پیستون در سیلندر بدون اصطکاک انجام می گردد. تخلیه هوابه و ازسیلندر بدون مقاومت در شیرها و کانال ها فرض می شود و مفهوم آن این است که تغییر در فشار وجود ندارد. زمانی که پیستون در انتهای پایین سیلندر قرار دارد تمام فضای سیلندر را هوا اشغال می کند.
تراکم چند مرحله ای
در این نوع از فرآیند برای حداقل نمودن مصرف انرژی بایستی تا حد امکان فرایند تراکم نزدیک به فرآیند دما ثابت باشد. بنابراین کمپرسورها ی بزرگ از لحاظ توجیه اقتصادی با خنک کن آبی در اطراف سیلندر ساخته می شوند.اما امروزه در کمپرسور با سرعت بالا مجال به خنک شدن گاز در طی تراکم داده نمی شود.آب خنک کن تنها مقدار کمی بیشتر از مقدار حرارت تولید شده توسط اصطکاک رینگهای پیستون با سیلندر را جذب می نماید. تغییر شرایط تقریبا نزدیک فرآیند آدیاباتیک می باشد. به منظور نزدیک شدن تراکم به فرآیند دما ثابت بهتر است تراکم در دو مرحله انجام شده و هوای فشرده مابین دو مرحله در یک خنک کن میانی خنک گردد. از نظر تئوری حداکثر قدرت بهینه زمانی است که انرژی تراکم در هر مرحله تراکم مساوی باشد.
شبکه توزیع هوای فشرده:
یک سیستم کامل هوای فشرده شامل سه جز اصلی است:
۱- دستگاه کمپرسور و تاسیسات جانبی آن شامل خشک کن، مخزن و فیلتر
۲- شبکه لوله کشی توزیع هوای فشرده
۳- خطوط سرویس منتهی به نقاط مصرف
با فرض اینکه دستگاه کمپرسور صحیح انتخاب و نصب شده باشد. با وجود این ممکن است سایز اجزای سیستم در وضعیت مناسب نباشند، در یک بررسی کلی در مورد بعضی صنعت بزرگ این واقعیت آشکار گردید که ۷۰% تاسیسات آنها دارای نواقص اساسی می باشند.بطوریکه از کل ابزارهای بادی که در این صنایع بکار می رفتند ۷۰% کمتر از ظرفیت خود بکار گرفته می شوند.
سیستم توزیع هوای فشرده ممکن است بدلیل طراحی اشتباه، ابعاد نادرست لوله کشی یا نقص ملحقات خطوط لوله کشی، نامناسب باشد. هر یک از این نواقص می تواند بر روی جریان هوای فشرده و رسیدن آن به نقطه مصرف تاثیر گذارد.
یکی دیگر از نا مناسبی سیستم های پنوماتیک فعلی بهره برداری خیلی بیشتر از آنها بیش از ظرفیت طراحی شان است. وجود نشتی در سیستم و استفاده نادرست از اجزای خطوط توزیع و نیز اندازه های نادرست باعث افت فشار و سبب کاهش فشار در میادی مصرف و در نهایت منجر به نامناسبی سیستم هوا شود.
در ضمن کاهش و اتلاف فشار باعث افزایش هزینه انرژی مصرفی و فرسایش و فرسودگی دستگاههای بادی خواهد شد.
وجود یک سیستم مناسب و درست توزیع هوای فشرده می تواند اهداف زیر را تامین نماید:
– کاهش هزینه های مربوط به اتلاف انرژی
– افزایش راندمان وسایل و ابزار پنوماتیکی
– افزایش قابلیت اطمینان از عملکرد دستگاه ها بدلیل تامین فشار بهینه و مورد نیاز آنها.
یک سیستم توزیع هوای فشرده شبیه یک زنجیر بوده که شامل کمپرسور، خشک کن، فیلتر، شیرها، اتصالات، لوله کشی ها و شیلنگها، واحد مراقبت و … می باشند. هر کدام از این حلقه کارآیی و دوام کل سیستم را تعیین می کنند.
مشخصات یک سیستم صحیح توزیع هوای فشرده
– کلیه نیازهای نقاط مصرف هوا را با حداقل اتلاف برآورده سازد
– دارای ظرفیت کافی برای طرح مورد نظر و توسعه و افزایش نقاط مصرف در آینده باشد
به منظور دستیابی به اهداف فوق بایستی شرایط زیر برقرار باشند:
– فشار هوای کافی در نقاط مصرف
– حداقل نشتی هوا
– ظرفیت کافی هوا
– کیفیت مناسب هوا
– طراحی مناسب خطوط لوله کشی
بازدهی کافی تجهیزات خطوط هوا
– سیستم مناسب بر مبنای اصول علمی و صحیح
– تامین فشار لازم باعث افزایش راندمان دستگاه و جلوگیری از فرسودگی آن خواهد داشت.
– در سیستم مناسب توزیع هوای فشرده نشتی نباید از ۵% ظرفیت اسمی آن باشد.
هر وسیله ای از هوای فشرده استفاده می کند یک کیفیت بخصوص از هوا را نیاز دارد که برای عملکرد بهتر آنها بایستی تامین شود.
در سال های اخیر برای بهتر شدن کیفیت هوا با نصب خشک کن ها به همراه کمپرسورها تلاش مضاعفی صورت گرفته است.
نکات زیر برای طراحی شبکه توزیع هوا در نظر گرفته می شود:
– تمام عوامل مربوطه برای تعیین اندازه صحیح ابعاد محاسبه می شود.
– طراحی صحیح مسیر خط لوله کشی با در نظر گرفتن طرح و توسعه دستگاهها در آینده مد نظر قرار می گیرد.
– مسیر خط لوله تا حد امکان یک حلقه بسته در نظر می گیرند.
– در انتخاب صحیح جنس لوله و مصالح به منظور جلوگیری از خوردگی و ضایعات دقت می شود.
– جهت جلوگیری از افت فشار در مسیر در انتخاب اتصالات و خروجیها دقت کافی شکل می گیرد.
برای افزایش بازدهی به منظور کاهش اتلاف در ارتباط با افت های فشار و نشتی ها استفاده از تجهیزات خط هوا با کیفیت عالی ضروری می باشد. انتخاب شیرها، واحدهای مراقبت هوا، لوله های لاستیکی و اتصالات، با کیفیت خوب روشهایی هستند که در این راه موثرند.
برای کاهش هزینه، اتلاف وقت در زمان تعمیر و نگهداری و توفقات اطلاعات و نقشه ها تهیه و در بایگانی در دسترس باشند.
برای تاسیسات جدید نصب شده و در حال توسعه اطلاعات کافی تهیه و بررسی و بایگانی شود.
برآورد لوله ها
نحوه تعیین و محاسبه ابعاد لوله ها: ابعاد لوله بوسیله مراحل زیر تعیین می شود:
– الف) تخمین و برآورد جریان هوای لازم برای هر قسمت از شاه لوله هوا
-ب) تخمین و برآورد جریان چگونگی توزیع جریان هوا در خطوط توزیع
-با استفاده از مفروضات بندهای بالا در محاسبه ابعاد در هنگام استفاده از نمودار افت فشار لوله
اگر طراحی سیستم توزیع هوای فشرده یک کارخانه تولیدی در نظر گرفته شود، اولین قدم برآورد جریان هوا در شاه لوله هوای سیستم می باشد.
برای این کار تهیه جدولی مشابه ۱-DE لازم است. جدولی که شامل مشخصات زیر است:
قسمت هوا: که مشخص کننده آن قسمت از هوا است که در محاسبات وارد می شود.
مصرف کننده هوا: کلیه نقاط مصرف هوا که از این قسمت مشخص شده تغذیه می شوند، با در نظر گرفتن حتی مصرف کنندگان جزیی در لیست نوشته می شوند.
مصرف هوا : این اطلاعات از روی کاتالوگ هر مصرف کننده، که توسط سازنده ارائه می شود جمع آوری می شود.
تعداد: مشخص کننده تعداد نقاط مصرف هوا با مصرف هوا و سطح بهره برداری یکسان می باشد.
ضریب مصرف: اینکه هر ابزار یا دستگاه در یک ساعت چند بار بکار گرفته می شود و سطح بهره برداری آن در طی یک ساعت در حالت کاری با ظرفیت تولید، با این عدد مشخص می گردد.
جریان هوای مورد نیاز: سطح بهره برداری * تعداد * مصرف هوا = جریان مورد نیاز
کل جریان هوای مورد نیاز: مقدار متوسط هوای لازم بر حسب لیتر در ثانیه برای یک ساعت کار مفید می باشد.
مصرف لحظه ای هوا: در بعضی از تاسیسات ممکن است یک یا دو نقطه مصرف هوا با مصرف هوای بسیار زیاد ولی با سطح بهره برداری کم موجود باشد. در این حالت ها کل جریان هوای مورد نیاز باید به نحوی تصحیح شود تا از افت های ناگهانی فشار در شبکه جلوگیری شود.
یک راه حل قراردادن یک مخزن ذخیره هوای جانبی است.
فرسودگی: در عمل پیش بینی ۵% در رابطه با فرسودگی دستگاه ها مناسب می باشد.
توسعه: در آینده معمولا تعداد مصرف کننده های هوا با نصب ابزارهای بادی بزرگتر و با سطح بهره برداری بیشتر مورد نیاز واقع می شود، اگر هیچ اطلاعاتی در رابطه با توسعه کارخانه در آینده در دسترس نباشد. ابعاد لوله ها بر اساس یک افزایش مصرف هوا به میزان ۳۰% بدست می اید.
بعد از تهیه این جدول گام بعدی تخمین و برآوردگی چگونگی توزیع هوای فشرده در خطوط توزیع می باشد.
اگر شبکه لوله کشی هوای فشرده بطور مثال مطابق شکل ۲-DE باشد هوای فشرده هوای فشرده در خط توزیع B-C-D-E-F-G مطابق شکل توزیع می شود.در این حالت هوا به طور مساوی بین قسمت های راست و چپ خط توزیع تقسیم خواهد شد. معمولا اندازه و ابعاد یکسان برای تمامی خط توزیع در نظر گرفته می شود.خط یک خط تغذیه کننده میانی بوده و در محاسبات وارد نمی شود و اندازه قطر آن برابر سایز قسمت های خطوط توزیع می باشد.
با داشتن مقدار فشار، جریان هوا و طول لوله و با در نظر گرفتن افت فشار برای مجموعه لوله اصلی و خطوط توزیع معادل ۰/۰۷ بار با استفاده از نمودار می توان قطر مناسب لوله بدست آورد. تقسیم کردن این افت بین شاه لوله و خطوط توزیع شکلهای مختلفی در نظر می گیرند برای مثال برای شاه لوله ۰/۰۲ بار و برای خط توزیع ۰/۰۵ بار در نظر گرفته می شود.
