Какво е абсолютното налягане и как влияе върху работата на пневматичната система?

Измерването на налягането обърква дори опитните инженери. Решавал съм проблеми с безброй пневматични системи, при които неправилните измервания на налягането са причинявали проблеми с производителността. Разбирането на абсолютното налягане предотвратява скъпоструващи грешки в изчисленията и откази на системата.

Абсолютното налягане (ABS налягане) измерва налягането спрямо идеален вакуум, като включва атмосферното налягане в измерването. То е равно на манометричното налягане плюс атмосферното налягане (14,7 PSI на морското равнище), което дава истинското общо налягане, действащо върху пневматичните компоненти.

Миналата седмица помогнах на Томас, инженер-дизайнер от холандска производствена компания, да разреши проблеми с производителността, свързани с височината. пневматичен цилиндър без пръти¹ система. Изчисленията му работят перфектно на морското равнище, но се провалят в планинското им съоръжение. Проблемът не е бил в повреда на оборудването, а в погрешни схващания за абсолютното налягане.

Съдържание

• Какво представлява абсолютното налягане и как се различава от манометричното налягане?
• Защо абсолютното налягане е от решаващо значение за пневматичните изчисления?
• Как надморската височина влияе на абсолютното налягане в пневматичните системи?
• Какви са обичайните приложения на абсолютното налягане в промишлеността?
• Как се преобразуват различните измервания на налягането?
• Какви грешки допускат инженерите при изчисляването на абсолютното налягане?

Какво представлява абсолютното налягане и как се различава от манометричното налягане?

Абсолютното налягане представлява общото налягане, действащо върху дадена система, измерено спрямо референтна точка с идеален вакуум. Това измерване включва ефектите на атмосферното налягане, които манометричното налягане не отчита.

Абсолютното налягане е равно на манометричното налягане плюс атмосферното налягане. На морското равнище атмосферното налягане е 14,7 PSI, така че 80 PSIG манометрично налягане е равно на 94,7 PSIA абсолютно налягане. Това разграничение е от решаващо значение за точните изчисления на пневматичните системи.

Разбиране на референтните точки на налягането

При различните измервания на налягането се използват различни референтни точки:

Основи на абсолютното налягане

Абсолютното налягане дава пълна картина на налягането. То включва както приложеното налягане, така и атмосферното налягане, което заобикаля системата.

Основната връзка е:
PSIA = PSIG + Атмосферно налягане

При стандартни условия на морското равнище:
PSIA = PSIG + 14,7

Ограничения на налягането на манометъра

При измерванията на манометричното налягане не се отчитат промените в атмосферното налягане. Това създава проблеми, когато атмосферното налягане се променя поради надморска височина или метеорологични условия.

Манометърът за налягане работи добре за повечето промишлени приложения, тъй като атмосферното налягане остава относително постоянно на фиксирани места. Абсолютното налягане обаче става критично за:

• Изчисления на компенсацията на височината
• Проектиране на вакуумна система
• Приложения на закона за газовете
• Изчисления на дебита
• Температурна компенсация

Практически разлики в измерванията

Наскоро работих с Анна, инженер по технологичните процеси от норвежка офшорна платформа. Нейните пневматични изчисления работеха перфектно на сушата, но се провалиха, когато оборудването се премести към операции в морето.

Проблемът е в промяната на атмосферното налягане. Метеорологичните системи предизвикваха промени в атмосферното налягане с 1-2 PSI, които влияеха на показанията на манометъра. Като преминахме към измерване на абсолютното налягане, елиминирахме свързаните с атмосферните условия колебания на показателите.

Визуално разбиране

Мислете за абсолютното налягане като за измерване от дъното на плувен басейн (идеален вакуум) до повърхността на водата (системно налягане). Манометричното налягане измерва само от нормалното ниво на водата (атмосферно налягане) до повърхността.

Тази аналогия помага да се разбере защо абсолютното налягане предоставя по-пълна информация за инженерните изчисления.

Защо абсолютното налягане е от решаващо значение за пневматичните изчисления?

Абсолютното налягане е в основата на точните изчисления на пневматичните системи. Много инженерни формули изискват стойности на абсолютното налягане, за да се получат правилни резултати.

Абсолютното налягане е от съществено значение за пневматичните изчисления, тъй като газовите закони, уравненията за потока и термодинамичните зависимости използват стойности на абсолютното налягане. Използването на манометрично налягане в тези формули води до неправилни резултати, които могат да доведат до повреди в системата.

Приложения на закона за газа

Сайтът Закон за идеалния газ² изисква абсолютно налягане за точни изчисления:

PV = nRT

Къде:

• P = Абсолютно налягане
• V = обем
• n = брой молове
• R = газова константа
• T = Абсолютна температура³

Използването на манометрично налягане при изчисленията по закона за газовете води до грешки, пропорционални на атмосферното налягане. На морското равнище това води до грешка от 15% в повечето изчисления.

Изчисления на дебита

Формулите за пневматичен дебит изискват съотношения на абсолютното налягане:

Дебит ∝ √(P₁² - P₂²)

Където P₁ и P₂ са абсолютните налягания нагоре и надолу по течението на рестрикцията.

Използването на манометрични налягания в изчисленията на дебита може да доведе до грешки, надвишаващи 20%, което води до недостатъчно оразмерени или преоразмерени компоненти на системата.

Изчисления на силата на цилиндъра

Докато основните изчисления на силата (F = P × A) работят с манометрично налягане, за напреднали приложения е необходимо абсолютно налягане:

Компенсация на височината

Изходната сила се променя с надморската височина поради промените в атмосферното налягане. Изчисленията на абсолютното налягане отчитат тези промени.

Влияние на температурата

Изчисленията на разширяването и свиването на газа изискват абсолютни стойности на налягането и температурата, за да бъдат точни.

Производителност на компресора

При изчисляването на размера и производителността на компресора се използват съотношения на абсолютното налягане:

Коефициент на сгъстяване = P₂(abs) ÷ P₁(abs)

Това съотношение определя изискванията за степента на компресора и консумацията на енергия. Използването на манометрични налягания води до неправилно коефициенти на сгъстяване⁴.

Пример от реалния свят

Помогнах на Маркъс, ръководител на поддръжката от швейцарско предприятие за прецизно производство, да реши проблема с непостоянната работа на цилиндрите без пръти. Предприятието му работеше на 3000 фута надморска височина, където атмосферното налягане е 13,2 PSI вместо 14,7 PSI на морското равнище.

Показанията на манометъра показват 80 PSIG, но абсолютното налягане е само 93,2 PSIA вместо очакваните 94,7 PSIA. Тази разлика от 1,5 PSI намалява изходната сила на цилиндъра с 1,6%, което води до проблеми с точността на позициониране в прецизни приложения.

Като калибрирахме изчисленията му за местното атмосферно налягане, възстановихме правилното функциониране на системата.

Вакуумни приложения

Вакуумните системи изискват измерване на абсолютното налягане, тъй като под атмосферното налягане манометричното налягане става отрицателно:

Как надморската височина влияе на абсолютното налягане в пневматичните системи?

Надморската височина оказва значително влияние върху атмосферното налягане, което се отразява на работата на пневматичната система. Разбирането на тези ефекти предотвратява проблеми с производителността при инсталации на голяма височина.

Атмосферното налягане намалява приблизително с 0,5 PSI на 1000 фута надморска височина. Това намаление се отразява на изчисленията на абсолютното налягане и може да намали изходната сила на пневматичния цилиндър с 3-4% на 1000 фута надморска височина.

Атмосферно налягане в зависимост от надморската височина

Стандартното атмосферно налягане се променя предсказуемо в зависимост от надморската височина:

Сила на изхода Въздействие

Намаленото атмосферно налягане се отразява на изчисленията на силата в цилиндъра, когато се използва абсолютно налягане:

Ефективно налягане = манометрично налягане + местно атмосферно налягане

За цилиндър, работещ при 80 PSIG:

• Морско равнище: 80 + 14,7 = 94,7 PSIA
• 5 000 фута: 80 + 12,2 = 92,2 PSIA
• Намаляване на силите: 2.6%

Стратегии за компенсиране на височината

Няколко метода компенсират ефектите от височината:

Регулиране на налягането

Увеличете манометричното налягане, за да поддържате постоянно абсолютно налягане:
Изисквано манометрично налягане = целево абсолютното налягане - местно атмосферно налягане

Препроектиране на системата

Преоразмеряване на цилиндрите за поддържане на изходната сила при условия на намалено абсолютно налягане.

Компенсация на системата за управление

Програмирайте системите за управление така, че да се адаптират към местните колебания на атмосферното налягане.

Комбинирани ефекти на температурата и надморската височина

Както надморската височина, така и температурата оказват влияние върху плътността на въздуха и работата на системата:

Плътност на въздуха = (Абсолютно налягане × Молекулно тегло) ÷ (Газова константа × Абсолютна температура)

На по-големи височини температурите обикновено са по-ниски, което частично компенсира ефекта от намаляването на налягането върху плътността на въздуха.

Прилагане на реална височина

Работих с Карлос, ръководител на проект за инсталиране на пневматични системи в минна дейност в Перу на 12 000 фута надморска височина. Неговите изчисления на морското равнище показаха достатъчна сила за приложения за обработка на материали.

На височината на инсталацията атмосферното налягане е само 9,3 PSIA в сравнение с 14,7 PSIA на морското равнище. Това намаление на атмосферното налягане се отрази значително на работата на системата.

Компенсираме чрез:

• Увеличаване на работното налягане от 80 на 95 PSIG
• Увеличаване на размера на критичните цилиндри с 15%
• Добавяне на усилватели на налягането за приложения с висока сила

Модифицираната система осигури необходимата производителност въпреки условията на екстремна надморска височина.

Ефекти на времето на голяма височина

На местата с голяма надморска височина се наблюдават по-големи колебания на атмосферното налягане, дължащи се на метеорологичните условия:

Вариации на морското равнище

• Високо налягане: 15,2 PSI (+0,5 PSI)
• Ниско налягане: 14,2 PSIA (-0,5 PSI)
• Общ обхват: 1,0 PSI

Вариации на голяма надморска височина (10 000 фута)

• Високо налягане: 10,6 PSI (+0,5 PSI)
• Ниско налягане: 9,6 PSIA (-0,5 PSI)
• Общ обхват: 1,0 PSI (10% от базовото налягане)

Какви са обичайните приложения на абсолютното налягане в промишлеността?

Измерването на абсолютното налягане е от съществено значение за многобройни промишлени приложения, където точните зависимости от налягането определят производителността и безопасността на системата.

Често срещаните приложения на абсолютното налягане включват вакуумни системи, изчисления на газови потоци, оразмеряване на компресори, компенсация на надморската височина и термодинамични процеси. Тези приложения изискват абсолютно налягане, тъй като измерванията на манометричното налягане предоставят непълна информация.

Проектиране на вакуумна система

Вакуумните приложения изискват измервания на абсолютното налягане, тъй като манометричното налягане става отрицателно под атмосферните условия:

Оразмеряване на вакуумна помпа

Капацитетът на вакуумната помпа зависи от съотношението на абсолютното налягане:
Скорост на изпомпване = Обемният дебит ÷ (P₁ - P₂)

Където P₁ и P₂ са абсолютните налягания на входа и изхода на помпата.

Спецификации на нивото на вакуума

За измерване на нивото на промишления вакуум се използва абсолютно налягане:

Измерване на газовия поток

Точните изчисления на газовия поток изискват стойности на абсолютното налягане:

Условия на запушен поток

Потокът на газ се задушава, когато налягането надолу по веригата спадне под критичното налягане:
Критично съотношение на налягането = 0,528 (за въздух)

Това изчисление изисква абсолютни налягания, за да се определят ограниченията на дебита.

Изчисления на масовия поток

Масовият дебит зависи от абсолютното налягане и температурата:
Масов дебит = (абсолютното налягане × площта × скоростта) ÷ (газовата константа × абсолютната температура)

Приложения на компресори

При оразмеряването и работата на компресора се използват съотношенията на абсолютното налягане:

Изчисляване на коефициента на сгъстяване

Коефициент на сгъстяване = налягане на изпускане (abs) ÷ налягане на всмукване (abs)

Това съотношение определя:

• Брой необходими етапи на компресиране
• Консумация на енергия
• Температура на изхвърляне
• Характеристики на ефективността

Карти на производителността на компресора

Картите на производител използват условия на абсолютно налягане за точен избор и работа.

Приложения за управление на процеси

Много системи за управление на процеси изискват измервания на абсолютното налягане:

Изчисления на плътността

Изчисляване на плътността на газа за измерване и контрол на потока:
Плътност = (Абсолютно налягане × Молекулно тегло) ÷ (Газова константа × Абсолютна температура)

Изчисления на преноса на топлина

Термодинамичните изчисления за топлообменници и технологично оборудване използват абсолютни стойности на налягането и температурата.

Прилагане на процеси в реалния свят

Неотдавна помогнах на Елена, инженер-процесор в германско химическо предприятие, с пневматично транспортиране⁵ дизайн на системата. Нейната система транспортира пластмасови пелети с помощта на сгъстен въздух през повдигнати тръбопроводи.

Изчисленията за транспортиране изискват стойности на абсолютното налягане, за да се определят:

• Плътност на въздуха при различни височини на тръбопровода
• Изчисляване на пада на налягането във вертикални участъци
• Изисквания за скоростта на материала
• Ограничения на капацитета на системата

Използването на манометрично налягане би довело до грешки в изчисленията на капацитета на транспортиране, което би довело до недостатъчно оразмерено оборудване и лоша работа.

Приложения за контрол на качеството

Прецизното производство често изисква измервания на абсолютното налягане:

Тестване на течове

Измерването на абсолютното налягане осигурява по-точно откриване на течове:
Скорост на изтичане = обем × спад на налягането ÷ време

Използването на абсолютното налягане елиминира вариациите на атмосферното налягане, които влияят на показанията на манометъра.

Стандарти за калибриране

Стандартите за калибриране на налягане използват референтни стойности на абсолютното налягане за осигуряване на точност и проследимост.

Как се преобразуват различните измервания на налягането?

Преобразуването на налягането между различни измервателни системи изисква разбиране на референтните точки и коефициентите на преобразуване. Точните преобразувания предотвратяват грешки в изчисленията при международни проекти.

Преобразуването на налягането изисква добавяне или изваждане на атмосферното налягане при преминаване от абсолютни към манометрични измервания, както и прилагане на коефициенти за преобразуване на единици. Често срещаните преобразувания включват превръщане на PSIA в барове, PSIG в kPa и превръщане на вакуумни измервания в абсолютно налягане.

Основни формули за преобразуване

Основната връзка между видовете налягане:

Абсолютно налягане = Манометрично налягане + Атмосферно налягане
Манометрично налягане = Абсолютно налягане - Атмосферно налягане
Вакуум = Атмосферно налягане - Абсолютно налягане

Коефициенти за преобразуване на единици

Общи преобразувания на единици за налягане:

| От | До | Умножете по |
|——|—-|———–| 
| PSI | bar | 0,06895 |
| bar | PSI | 14,504 |
| PSI | kPa | 6,895 |
| kPa | PSI | 0.1450 |
| PSI | "Hg | 2,036 |
| "Hg | PSI | 0,4912 |

Стандарти за атмосферно налягане

Стандартни стойности на атмосферното налягане за преобразуване:

Примери за преобразуване

Превръщане на PSIG в PSIA

80 PSIG до PSIA на морското равнище:
80 PSIG + 14,7 = 94,7 PSIA

Превръщане на Бар в Абсолютен бар

Превръщане на 5 barg в bara на морското равнище:
5 barg + 1,013 = 6,013 bara

Превръщане на вакуум в абсолютно налягане

25 "Hg вакуум към PSIA:
14,7 - (25 × 0,4912) = 2,42 PSIA

Съображения, свързани с международните единици

В различните страни се използват различни единици за налягане:

Съображения за точността на преобразуване

Точността на преобразуване зависи от предположенията за атмосферното налягане:

Стандартни и реални условия

• Стандартен: Използва 14,7 PSI атмосферно налягане
• Действителен: Използва се местното атмосферно налягане
• Грешка: Може да бъде 1-3% в зависимост от местоположението и времето

Влияние на температурата

Атмосферното налягане се променя в зависимост от температурата и метеорологичните условия. За точни преобразувания използвайте действителното местно атмосферно налягане, а не стандартните стойности.

Инструменти за цифрово преобразуване

Съвременните уреди за измерване на налягане често осигуряват автоматично преобразуване на единиците. Въпреки това разбирането на принципите на ръчното преобразуване помага за проверка на цифровите показания и за отстраняване на грешки при преобразуването.

Практическо приложение за преобразуване

Работих с Жан-Пиер, инженер по проекта от френски автомобилен доставчик, по спецификациите на пневматичната система за глобален проект. Европейските му спецификации използваха манометрично налягане в барове, но инсталацията в Северна Америка изискваше стойности PSIG.

Процесът на преобразуване включва:

1. Европейска спецификация: 6 barg работно налягане
2. Превръщане в абсолютна стойност: 6 + 1,013 = 7,013 бара
3. Преобразуване на единици: 7,013 × 14,504 = 101,7 PSIA
4. Превръщане в Габарит: 101,7 - 14,7 = 87,0 PSIG

Този систематичен подход гарантира точни спецификации на налягането в различните измервателни системи и предотвратява грешки при оразмеряването на оборудването.

Какви грешки допускат инженерите при изчисляването на абсолютното налягане?

Грешките при изчисляването на абсолютното налягане са често срещани и могат да доведат до значителни проблеми в работата на системата. Разбирането на тези грешки помага да се предотвратят скъпоструващи проблеми при проектирането и експлоатацията.

Често срещаните грешки при абсолютното налягане включват използване на манометрично налягане при изчисленията по закона за газовете, пренебрегване на промените в атмосферното налягане, неправилно преобразуване на единици и неправилно разбиране на измерванията на вакуума. Тези грешки обикновено водят до неточности в изчисленията на 10-30% и проблеми с работата на системата.

Използване на манометричното налягане в изчисленията по закона за газовете

Най-често срещаната грешка е използването на манометрично налягане във формули, които изискват абсолютно налягане:

Неправилно прилагане на закона за газовете

Неправилно: PV = nRT при използване на манометрично налягане
Правилно: PV = nRT при използване на абсолютно налягане

Тази грешка води до грешки в изчисленията, пропорционални на атмосферното налягане - приблизително 15% при условия на морско равнище.

Пренебрегване на колебанията на атмосферното налягане

Много инженери приемат постоянно атмосферно налягане от 14,7 PSI, независимо от местоположението или условията:

Вариации на местоположението

• Морско равнище: 14,7 PSIA
• Денвър (5 280 фута): 12,2 PSIA
• Грешка: 17% при използване на стойността на морското равнище в Denver

Вариации на времето

• Система за високо налягане: 15,2 PSIA
• Система за ниско налягане: 14,2 PSIA
• Вариация: ±3.4% от стандартния

Неправилни преобразувания на единици

Смесването на абсолютни и манометрични единици за налягане води до значителни грешки:

Често срещани грешки при конвертиране

• Добавяне на 14,7 към показанията на баровия манометър (трябва да добави 1,013)
• Използване на 14,7 PSI за места извън морското равнище
• Забравяне на преобразуването между абсолютни и измервателни единици при смяна на единиците

Объркване при измерването на вакуума

Измерванията на вакуума често объркват инженерите, тъй като те представляват налягане под атмосферното:

Отношения на вакуумното налягане

• 29 "Hg Вакуум = 0,76 PSIA (а не -29 PSIA)
• Перфектна прахосмукачка = 0 PSIA абсолютна
• Атмосферно налягане = Максимален възможен вакуум в "Hg

Неотдавна помогнах на Роберто, инженер-проектант от италианска компания за опаковки, да разреши проблеми с работата на вакуумната система. Изчисленията му показваха достатъчен капацитет на вакуумната помпа, но системата не можеше да постигне необходимите нива на вакуум.

Проблемът беше в объркването на измерването на вакуума. Роберто изчислил нуждите на помпата, като използвал -25 PSIG вместо правилното абсолютно налягане от 1,4 PSIA. Заради тази грешка помпата изглеждала 18 пъти по-мощна от действителния капацитет.

Грешки при температурната компенсация

При изчисленията на абсолютното налягане често се пренебрегва влиянието на температурата:

Изисквания за температура на газовия закон

Изчисленията по закона за газовете изискват абсолютна температура (по Ранкин или Келвин):

• Превръщане на Фаренхайт в Ранкин: °R = °F + 459,67
• Превръщане на Целзий в Келвин: K = °C + 273,15

Използването на температури по Фаренхайт или по Целзий в изчисленията по закона за газовете води до значителни грешки.

Надзор на компенсацията за височина

Инженерите често използват атмосферното налягане на морското равнище за инсталации на голяма надморска височина:

Грешки в налягането на височина

На височина 10 000 фута:

• Действителна атмосфера: 10.1 PSIA
• Предположение за нивото на морето: 14,7 PSIA
• Грешка: 45% надценяване на абсолютното налягане

Грешки при изчисляването на компресорното отношение

Изчисленията на степента на сгъстяване изискват абсолютни налягания, но инженерите често използват манометрични налягания:

Неправилно съотношение на компресия

За изпускане при 80 PSIG, атмосферно засмукване:

• Неправилно: 80 ÷ 0 = неопределено
• Правилно: 94.7 ÷ 14.7 = 6.44:1

Грешки при изчисляване на потока

Изчисленията на дебита с използване на диференциали на налягането изискват стойности на абсолютното налягане:

Грешки при задушен поток

Изчисляване на критичното съотношение на налягането:

• Неправилно: Използване на манометрични съотношения на налягането
• Правилно: Използване на съотношения на абсолютното налягане
• Въздействие: Може да надцени капацитета на потока с 15-20%

Грешки при проектирането на системи за безопасност

Оразмеряването на предпазния клапан изисква изчисления на абсолютното налягане:

Оразмеряване на предпазния клапан

Капацитетът на предпазния клапан зависи от съотношенията на абсолютното налягане. Използването на манометрични налягания може да доведе до недостатъчно оразмерени предпазни клапани и опасности за безопасността.

Стратегии за превенция

Избягвайте грешки при изчисляването на абсолютното налягане чрез:

Систематичен подход

1. Идентифициране на необходимия тип налягане: Определете дали за изчислението е необходимо абсолютно или манометрично налягане
2. Използване на правилно атмосферно налягане: Прилагайте местното атмосферно налягане, а не стандартното морско равнище
3. Проверка на последователността на единицата: Уверете се, че всички налягания използват една и съща система единици
4. Двойна проверка на конверсиите: Проверка на коефициентите на преобразуване и референтните точки

Стандарти за документация

• Ясно обозначаване на типовете налягане: Винаги посочвайте PSIA, PSIG, bara, barg
• Референтни условия на държавата: Документирайте предположенията за атмосферното налягане
• Включете таблици за преобразуване: Предоставяне на референтни коефициенти на преобразуване

Заключение

Абсолютното налягане осигурява пълната картина на налягането, необходима за точните изчисления на пневматичните системи. Разбирането на принципите на абсолютното налягане предотвратява често срещани грешки в изчисленията и осигурява надеждна работа на безпрътовите цилиндри при различни работни условия.

Често задавани въпроси относно абсолютното налягане в пневматичните системи