Áp suất tuyệt đối là áp suất được đo từ chân không hoàn hảo, trong khi áp suất đo được đo từ khí quyển cục bộ. Trong công việc về khí nén, sự khác biệt quan trọng nhất khi bạn tính toán khối lượng khí, tỷ số máy nén, mức chân không, mật độ không khí, dòng chảy qua các hạn chế hoặc hiệu ứng độ cao. Đối với lực xi lanh đơn giản tác dụng lên phía ống xả có lỗ thông hơi, áp suất đo thường vẫn là áp suất làm việc phù hợp.
Ở mực nước biển, áp suất khí quyển tiêu chuẩn là khoảng 14,696 psi, 101,325 kPa hoặc 1,01325 bar (NOAA NDBC). Điều đó có nghĩa là ống dẫn khí nhà máy 80 PSIG không phải là 80 PSIA. Đó là khoảng 94,7 PSIA. 14,7 psi tăng thêm đó là vô hình trên thước đo thông thường của cửa hàng, nhưng nó vẫn là một phần của phép tính khí.
Bài học chính
- Áp suất tuyệt đối bằng áp suất đo cộng với áp suất khí quyển cục bộ, do đó 80 PSIG ở mực nước biển là 94,7 PSIA (NOAA NDBC).
- Sử dụng áp suất đo cho lực xi lanh cơ bản, nhưng sử dụng áp suất tuyệt đối cho các định luật khí, tỷ số máy nén, chân không, độ cao và công việc dòng khối.
- Luôn viết PSIA, PSIG, bara hoặc barg. "psi" mơ hồ gây ra lỗi định cỡ có thể phòng ngừa được.
Mục lục
- Áp suất tuyệt đối là gì và nó khác với áp suất đo như thế nào?
- Tài liệu tham khảo áp suất được sử dụng trong hệ thống khí nén
- Tại sao định luật khí nén và tỷ số máy nén cần áp suất tuyệt đối?
- Độ cao thay đổi áp suất tuyệt đối trong hệ thống khí nén như thế nào?
- Kiểm tra chuyển đổi áp suất tuyệt đối
- Những sai lầm nào gây ra lỗi tính toán áp suất tuyệt đối?
- Câu hỏi thường gặp
Áp suất tuyệt đối là gì và nó khác với áp suất đo như thế nào?
Áp suất tuyệt đối được đo từ áp suất bằng 0, trong khi áp suất đo được đo từ áp suất khí quyển cục bộ. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ định nghĩa áp suất tuyệt đối là áp suất tổng được đo từ 0 trong bảng thuật ngữ sách nguồn về khí nén (Sách tham khảo DOE, 2022). Theo thuật ngữ cửa hàng, PSIA = PSIG + áp suất khí quyển cục bộ.
Cách dễ nhất để tránh sai lầm là đặt một câu hỏi trước khi làm phép tính: "Công thức này so sánh áp suất với khí quyển hay so sánh trạng thái khí này với trạng thái khí khác?" Nếu so sánh trạng thái khí, hãy sử dụng áp suất tuyệt đối. Nếu đó là lực truyền động đơn giản từ không khí của nhà máy tác động lên phía ống xả thông hơi thì áp suất đo thường chính xác.
| Thẩm quyền giải quyết | Điểm 0 | Nhãn đơn vị chung | Sử dụng khí nén điển hình |
|---|---|---|---|
| Áp suất tuyệt đối | Chân không hoàn hảo | PSIA, bara, kPa tuyệt đối | Định luật khí, tỷ lệ máy nén, chân không, mật độ không khí |
| Đo áp suất | Bầu không khí địa phương | PSIG, xà ngang, thước đo kPa | Cài đặt bộ điều chỉnh, lực đẩy xi lanh, áp suất đường ống |
| Áp suất chênh lệch | Một điểm quá trình khác | PSID, thanh dP, kPa dP | Thả bộ lọc, thả van, đo lưu lượng |
| Đọc máy đo chân không | Bầu không khí địa phương đi xuống | inHg chân không, PSIG âm | Cốc hút chân không, sơ tán, kiểm tra rò rỉ |
Vậy nó trông như thế nào ở một chiếc máy? Một bộ điều chỉnh được đặt ở thước đo 6 bar trong một nhà máy gần mực nước biển là khoảng 7,013 bar tuyệt đối, vì bầu không khí địa phương tăng thêm khoảng 1,013 bar. Bộ chuyển đổi áp suất được cấu hình cho áp suất tuyệt đối sẽ hiển thị giá trị đầy đủ đó. Một máy đo khí nén thông thường sẽ hiển thị áp suất hữu ích phía trên căn phòng xung quanh nó.
Tài liệu tham khảo áp suất được sử dụng trong hệ thống khí nén
Hầu hết các đồng hồ đo khí nén đều báo cáo áp suất cao hơn khí quyển cục bộ, không phải áp suất khí tổng. NOAA giải thích rằng áp suất không khí đến từ trọng lượng của không khí phía trên một địa điểm, với áp suất tiêu chuẩn ở mực nước biển gần 14,7 psi (NOAA NDBC). Tham chiếu cục bộ đó là lý do tại sao PSIG và PSIA không bao giờ được trộn lẫn mà không chuyển đổi.
Một thước đo gắn trên bộ điều chỉnh được cố tình tham chiếu đến phòng, bởi vì đó là điều mà bộ truyền động "cảm nhận" khi phía bên kia xả khí vào cùng một phòng. Đó là lý do tại sao phương trình lực cơ bản của xi lanh tác dụng kép thường là:
Lực = dư áp suất x hiệu dụng diện tích piston
Đối với hành trình mở rộng phía lỗ khoan, hãy sử dụng diện tích lỗ khoan. Đối với hành trình rút lại phía thanh trên hình trụ thanh tiêu chuẩn, trước tiên hãy trừ đi diện tích thanh. Đối với một xi lanh không cần trục, diện tích hữu ích phụ thuộc vào dải đệm kín và thiết kế pít-tông, vì vậy hãy sử dụng diện tích hiệu quả trong danh mục thay vì chỉ đoán từ kích thước thân máy.
Áp suất tuyệt đối đi vào đâu? Nó đi vào khi chính không khí là đối tượng tính toán. Cần biết khối lượng không khí nằm trong máy thu là bao nhiêu? Sử dụng áp suất tuyệt đối. Cần ước tính nhiệt độ xả của máy nén từ tỷ lệ áp suất? Sử dụng áp suất tuyệt đối. Cần so sánh hiệu suất cốc chân không giữa nhà máy ở mực nước biển và cơ sở trên núi? Sử dụng áp suất tuyệt đối một lần nữa.
Theo kinh nghiệm của chúng tôi, hầu hết các lỗi trường đều bắt đầu bằng một số không được gắn nhãn. Một bản vẽ cho biết "áp suất: 6 bar", nhà cung cấp đọc là barg, mô hình mô phỏng đọc là bara và kết quả là lỗi tham chiếu 1 bar yên tĩnh. Thành phần này vẫn có thể di chuyển trong quá trình thử nghiệm. Mô hình năng lượng, ước tính thời gian lấp đầy hoặc tính toán chân không sẽ không đáng tin cậy.
Tại sao định luật khí nén và tỷ số máy nén cần áp suất tuyệt đối?
Các phương trình khí sử dụng áp suất tuyệt đối vì chúng mô tả trạng thái vật lý của khí chứ không phải độ lệch của dụng cụ. NASA Glenn trình bày mối quan hệ khí lý tưởng khi áp suất nhân với thể tích bằng hằng số khí nhân với nhiệt độ, với áp suất gắn liền với mật độ khí và nhiệt độ tuyệt đối (NASA Glenn). Đối với khí nén, điều đó có nghĩa là PSIG phải được chuyển đổi trước khi sử dụng PV = nRT.
Quy tắc tương tự áp dụng cho tỷ lệ áp suất máy nén:
Tỷ số nén = đầu đẩy tuyệt đối áp suất / đầu hút tuyệt đối áp suất
Ở mực nước biển, một máy nén xả tới 80 PSIG với lực hút khí quyển có:
Discharge tuyệt đối áp suất = 80 + 14.7 = 94.7 PSIA
Suction tuyệt đối áp suất = 14.7 PSIA
Tỷ số nén = 94.7 / 14.7 = 6.44:1
Nếu ai đó chia 80 cho 0 hoặc 80 cho 14,7 thì tỷ lệ đó sẽ sai trước khi cuộc thảo luận bắt đầu. Đây không phải là một chi tiết bảng tính nhỏ. Tỷ lệ máy nén ảnh hưởng đến nhiệt, dàn, hiệu suất thể tích, khả năng phục hồi của máy thu và liệu đường cong máy nén đã công bố có áp dụng cho quá trình cài đặt hay không.
Bộ Năng lượng lưu ý rằng nhiều nhà máy công nghiệp coi khí nén là một tiện ích quan trọng, với các hệ thống máy nén từ loại nhỏ 5 mã lực đến hệ thống trên 50.000 mã lực (Sách tham khảo DOE, 2022). Ở quy mô đó, lỗi tham chiếu áp suất có thể lãng phí năng lượng rất lâu trước khi gây ra lỗi chuyển động rõ ràng.
Điều này cũng ảnh hưởng đến dòng chảy qua các hạn chế, van và lỗ. Khi bạn định cỡ một van cho một hệ thống điều khiển khí nén, tỷ số áp suất nên sử dụng áp suất tuyệt đối. Nếu phía thượng nguồn là 6 barg thì áp suất tuyệt đối phía thượng nguồn là khoảng 7,013 bara chứ không phải 6 bar.
Độ cao thay đổi áp suất tuyệt đối trong hệ thống khí nén như thế nào?
Áp suất khí quyển giảm khi độ cao tăng. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn của NASA cho thấy áp suất giảm từ 14,7 psi ở mực nước biển xuống còn khoảng 12,2 psi ở gần 5.000 ft và khoảng 10,1 psi ở gần 10.000 ft (NASA Glenn). Ở cùng cài đặt máy đo 80 PSIG, tổng áp suất tuyệt đối sẽ thấp hơn ở độ cao.
Đây là sự phân chia thực tế. Nếu một xi lanh kéo dài ra khỏi cùng một bầu không khí cục bộ ở phía ống xả của nó, lực đẩy cơ bản của nó vẫn dựa trên áp suất đo. Bộ điều chỉnh 80 PSIG vẫn cung cấp chênh lệch áp suất 80 psi trên khu vực piston hoạt động, giả sử đường dẫn khí thải tự do và áp suất ngược nhỏ.
Hiệu ứng áp suất tuyệt đối xuất hiện ở nơi khác:
- Máy thu ở độ cao lưu trữ ít khối lượng không khí hơn ở cùng PSIG và thể tích.
- Máy nén ở độ cao có áp suất và mật độ hút thấp hơn.
- Cốc chân không có ít áp suất khí quyển hơn để đẩy phôi vào cốc.
- Mô hình dòng chảy và kiểm tra tỷ số áp suất thay đổi vì cả hai bên phải tuyệt đối.
- Các thử nghiệm về tốc độ rò rỉ và suy giảm áp suất trở nên nhạy cảm hơn với những thay đổi khí áp cục bộ.
Sắc thái đó quan trọng. Nói "độ cao làm giảm lực xi lanh 3 phần trăm trên 1.000 ft" là quá rộng. Tuyên bố có thể bào chữa hơn là: độ cao làm giảm áp suất khí quyển cục bộ, làm thay đổi các tính toán áp suất tuyệt đối đối với khối lượng không khí, lượng khí nạp của máy nén, lực chân không và tỷ lệ áp suất. Lực đẩy xi lanh từ bộ truyền động có lỗ thông hơi, được điều chỉnh bằng đồng hồ đo thường vẫn được tính từ chênh lệch áp suất của đồng hồ đo.
Đối với cơ sở trên núi, hãy ghi lại áp suất khí quyển cục bộ vào hồ sơ thiết kế. Một máy được chế tạo ở mực nước biển và được lắp đặt ở độ cao khoảng 5.000 ft vẫn có thể vượt qua các cuộc kiểm tra lực truyền động, nhưng cần phải xem xét lượng nạp máy nén, cốc chân không, ước tính thời gian lấp đầy và ngưỡng giảm áp suất.
Kiểm tra chuyển đổi áp suất tuyệt đối
Chuyển đổi áp suất là một quá trình gồm hai bước: chuyển đổi tham chiếu, sau đó chuyển đổi đơn vị. Khí quyển tiêu chuẩn là 101,325 kPa, 1,01325 bar hoặc 14,696 psi (NOAA NDBC). Đối với các dự án khí nén quốc tế, điều này có nghĩa là 5 barg là 6,013 bara trước khi bạn chuyển đổi nó thành psi hoặc kPa.
Trước tiên hãy sử dụng các công thức sau:
PSIA = PSIG + cục bộ atmospheric áp suất
PSIG = PSIA - áp suất khí quyển tại chỗ
áp suất tuyệt đối = áp suất dư + áp suất khí quyển tại chỗ tính bằng bar
áp suất dư = áp suất tuyệt đối - áp suất khí quyển tại chỗ tính bằng bar
tuyệt đối vacuum áp suất = khí quyển tại chỗ - vacuum dư áp suất
Sau đó đổi đơn vị:
| chuyển đổi | Nhân tố |
|---|---|
| psi sang kPa | 6.89476 |
| kPa sang psi | 0.145038 |
| psi sang thanh | 0.0689476 |
| thanh để psi | 14.5038 |
| inHg sang psi | 0.491154 |
| psi sang inHg | 2.03602 |
Ví dụ đã làm việc:
| Được cho | Bầu không khí địa phương | Kết quả đúng | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| 80 PSIG | 14.7 PSIA | 94,7 PSIA | Không khí thực vật ở mực nước biển |
| 80 PSIG | 12.2 PSIA | 92,2 PSIA | Khí quyển tiêu chuẩn ở độ cao khoảng 5.000 ft |
| 5 xà lan | 1,013 thanh | 6,013 bar | Đặc điểm kỹ thuật chung của Châu Âu |
| chân không 25 inHg | 14.696 PSIA | 2.42 PSIA | 14.696 - (25 x 0.491154) |
| Đồng hồ đo 600 kPa | 101,325 kPa | 701,325 kPa tuyệt đối | Giả định bầu không khí tiêu chuẩn |
Tôi sử dụng quy tắc đánh giá đơn giản trong kiểm tra thiết kế: nếu phép tính bao gồm thể tích, nhiệt độ, mật độ, khối lượng, tỷ lệ máy nén hoặc chân không thì mọi giá trị áp suất trên dòng đó phải mang hậu tố "a" hoặc "g". Không có hậu tố, không có sự chấp thuận. Nghe có vẻ phức tạp cho đến khi một giá trị không được gắn nhãn thay đổi lựa chọn máy nén.
Những sai lầm nào gây ra lỗi tính toán áp suất tuyệt đối?
Lỗi thường gặp nhất là sử dụng máy đo áp suất bên trong các công thức cần áp suất tuyệt đối. NIST liệt kê các phạm vi hiệu chuẩn áp suất tuyệt đối và chênh lệch từ 0,1 Pa đến 360 kPa đối với phép đo áp suất thấp (NIST). Sự khác biệt đó tồn tại vì tham chiếu áp suất là một phần của phép đo chứ không phải là chi tiết định dạng.
Sai lầm thứ nhất: sử dụng PSIG trong định luật khí. Nếu bạn đặt 80 vào PV = nRT khi điều kiện thực tế là 80 PSIG ở mực nước biển, bạn đang bỏ qua 14,7 psi áp suất khí quyển. Đầu vào đã sửa là 94,7 PSIA. Sai số tương đối không nhỏ khi áp suất ở gần mức bình thường của không khí thực vật.
Sai lầm thứ hai: sử dụng đồng hồ đo áp suất cho tỷ số máy nén. Lực hút của máy nén không bằng 0 chỉ vì cửa vào mở với khí quyển. Ở mực nước biển, sức hút của khí quyển là khoảng 14,7 PSIA. Mức xả 80 PSIG là khoảng 94,7 PSIA, do đó tỷ lệ là 6,44:1.
Sai lầm thứ ba: coi inch chân không là áp suất tuyệt đối. Chỉ số chân không 25 inHg có nghĩa là thủy ngân thấp hơn bầu khí quyển địa phương 25 inch. Nó không có nghĩa là 25 PSIA, và nó không có nghĩa là áp suất tuyệt đối âm. Ở mực nước biển, chân không 25 inHg là khoảng 2,42 PSIA.
Sai lầm thứ tư: trộn lẫn giá cả và giá trị trong tài liệu của nhà cung cấp. Điều này thường xảy ra khi bảng dữ liệu Châu Âu, gói máy nén Bắc Mỹ và bản vẽ máy Châu Á gặp nhau trong cùng một thư mục dự án. Đánh vần tham chiếu trong RFQ và trong bài kiểm tra chấp nhận.
Sai lầm thứ năm: sử dụng trực tiếp độ C hoặc độ F trong tính toán định luật khí. Áp suất tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối: Kelvin cho công mét, Rankine cho công inch-pao. Phương trình khí lý tưởng của NASA liên kết áp suất, mật độ, hằng số khí và nhiệt độ, do đó cả hai tham chiếu áp suất và nhiệt độ đều cần phải tuyệt đối (NASA Glenn).
Đối với kích thước bộ truyền động, hãy giữ sự phân biệt rõ ràng. MỘT tính toán lực xi lanh khí nén thường sử dụng áp suất đo vì phía đối diện thoát ra khí quyển cục bộ. Máy nén, cốc chân không, bộ lưu trữ máy thu, mô hình dòng khối hoặc kiểm tra rò rỉ có thể cần áp suất tuyệt đối. Cùng một hệ thống, câu hỏi khác nhau.
Nếu dự án liên quan đến xi lanh khí nén không cần trục, cầu trượt không cần thanh, van, đơn vị FRL hoặc đường ống dài, ghi lại loại áp suất trong mỗi bảng tính. Nó giữ cho tính toán chuyển động, ước tính mức tiêu thụ không khí và mô hình kích thước máy nén không bị lệch lạc một cách lặng lẽ.
Câu hỏi thường gặp
Áp suất tuyệt đối trong khí nén là gì?
Áp suất tuyệt đối là áp suất tổng được đo từ chân không hoàn hảo. Ở mực nước biển, đường ở mức 80 PSIG là khoảng 94,7 PSIA vì khí quyển tiêu chuẩn tăng thêm khoảng 14,7 psi (NOAA NDBC). Sử dụng PSIA hoặc bara khi tính toán liên quan đến khối lượng khí, mật độ, tỷ lệ máy nén, chân không hoặc nhiệt độ.
Lực xi lanh khí nén được tính bằng áp suất tuyệt đối hay áp suất đo?
Lực xi lanh khí nén cơ bản thường được tính bằng áp suất đo: lực bằng PSIG nhân với diện tích piston hiệu quả. Điều đó có hiệu quả vì phía ống xả thường thoát ra cùng một bầu không khí cục bộ. Sử dụng áp suất tuyệt đối khi câu hỏi thay đổi về khối lượng không khí, mức lưu trữ của máy thu, lực chân không, tỷ lệ máy nén, tỷ lệ dòng chảy hoặc hiệu chỉnh nhiệt độ.
Làm cách nào để chuyển đổi PSIG sang PSIA?
Thêm áp suất khí quyển cục bộ vào áp suất đo. Ở mực nước biển, 80 PSIG cộng 14,7 psi bằng 94,7 PSIA. Ở độ cao tiêu chuẩn khoảng 5.000 ft, bầu không khí địa phương gần với 12,2 PSIA (NASA Glenn), vậy 80 PSIG là khoảng 92,2 PSIA.
Tại sao tỷ lệ áp suất máy nén sử dụng áp suất tuyệt đối?
Tỷ lệ áp suất của máy nén so sánh trạng thái khí khi xả với trạng thái khí khi hút, vì vậy cả hai giá trị phải tuyệt đối. Đối với dòng xả 80 PSIG ở lực hút khí quyển ở mực nước biển, tỷ lệ này là 94,7 chia cho 14,7 hoặc 6,44:1. Việc sử dụng máy đo áp suất sẽ che giấu áp suất thực tế đầu vào và làm sai lệch hoạt động của máy nén.
Độ cao ảnh hưởng đến cốc chân không như thế nào?
Cốc chân không phụ thuộc vào áp suất khí quyển đẩy bộ phận vào cốc. Gần mực nước biển, khí quyển tiêu chuẩn khoảng 14,7 PSIA; gần 5.000 ft là khoảng 12,2 PSIA (NASA Glenn). Do đó, cùng một máy đo chân không có thể tạo ra ít chênh lệch áp suất tuyệt đối hơn ở độ cao.
Nguồn
- NOAA NDBC: Áp suất không khí là gì?
- NASA Glenn: Mô hình khí quyển Trái đất
- NASA Glenn: Phương trình trạng thái, khí lý tưởng
- Bộ Năng lượng Hoa Kỳ: Cải thiện Hiệu suất của Hệ thống Khí nén, Sách tham khảo dành cho Công nghiệp, Ấn bản thứ ba
- NIST: Hiệu chuẩn áp suất/chân không
- YouTube: Áp suất tuyệt đối và áp suất đo - Cơ học chất lỏng - Các bài toán vật lý