Pneumatikus energia

A pneumatikus energia az energia tárolása egy gáz mechanikus formában, hogy tömörített . Pneumatikus rendszerben működik.

A pneumatikus rendszerben a sűrített gázt az energia szállítására és tárolására használják . Könnyen előállítható, a pneumatikus rendszernek számos előnye van.

A hidraulikus rendszerhez hasonlóan a pneumatikus rendszer két zóna közötti nyomáskülönbségen alapul, amely erőt, majd mozgást hoz létre. De a hidraulikus rendszer nem összenyomható folyadékot, folyadékot használ, míg a pneumatikus rendszer összenyomható folyadékra, gázra támaszkodik. A hidraulikus rendszer gyakran tartalmaz pneumatikus rendszert az energiatároláshoz, legalábbis ideiglenesen, a gázt rugóként használják.

Választható gáz

A levegőt gyakran használják, kivéve, ha különféle kényszerek vezetnek más gázok kiválasztásához:

Például az oxidációval szembeni ellenállás aggodalma nitrogén vagy más kémiailag semleges gáz, például nemesgázok használatához vezet .
Különleges hőmérsékletek a kívánt hőmérsékleten gőzfázissal rendelkező anyagok használatához vezethetnek: a gőzgépek levegő és vízgőz keverékét használják.
Végül, a belső égésű motorok olyan pneumatikus rendszerek, amelyekben a sűrített gáz az üzemanyag levegőben történő elégetéséből származik.

A levegő használatának konkrét esetével a " Sűrített levegő " című cikk foglalkozik .

A végrehajtás elvei

A szivattyúknak vagy motoroknak számos formája létezik), két nagy családba sorolva: pozitív térfogatú szivattyúk / motorok, ahol egy szerv (dugattyú vagy hasonló) változtatja a kamra térfogatát, és a turbinák, amelyek dinamikus hatást gyakorolnak, mint például a centrifugális erő .

A pneumatikus rendszer két zóna közötti nyomáskülönbségen alapul, amely nyomáskülönbség mechanikai erőt hoz létre . Általában a legerősebb nyomás a kamrán belül van, és a leggyengébb nyomás kívül - gyakran a légköri nyomás .

A két zóna közötti nyomáskülönbségből adódó erő (F) arányos a nyomáskülönbséggel (P1 - P2) és azzal a felülettel (S), amelyre kifejtette: F = (P1 - P2) * S

A legáltalánosabb esetben pozitív térfogatáramú szivattyút / motort használnak. A kamrát ezután egy deformálható és / vagy mozgatható rész zárja le, amelyet „ dugattyúnak ” nevezünk. A dugattyú elmozdulása módosítja a kamra térfogatát.

A legtöbb esetben a dugattyú mozgás közben mozog egy hengerben , de sokféle pozitív elmozdulású szivattyú létezik.

A fegyverek gyakran úgy tekinthetők, mint légmotorok. A lövedék dugattyúként működik, amelyet nagyon nagy lineáris sebesség hajt, és amely egy olyan forgatással rendelkezik, amely stabilizálja a pályáját.

Végül a dugattyú deformálható (léggömb, membrán), vagy akár folyékony is lehet (higany-barométer, buborék).

A fizikai modellezés alapjai

A pneumatikus rendszerek modellezése nagyrészt a termodinamika keretein belül történik . Mivel a rendszereknek sok leírási paraméterük van, a modellezés gyakran bonyolult.

Az ideális gáztörvényt , amely magában foglalja a nyomást, a térfogatot, a gáz halmazállapotú anyag mennyiségét és a hőmérsékletet, a statikus helyzetek alacsony nyomáson történő leírására használják. Más bonyolultabb törvényeket alkalmaznak, ha a nyomás fontossá válik, vagy ha a gázok túlságosan messze viselkednek az ideális gázmodelltől.

Másrészt figyelembe kell venni az aerodinamika által vizsgált gáz mozgásából adódó dinamikus hatásokat , amelyek rezonanciákhoz, vagyis hangokhoz vezethetnek .

A hőmérséklet-különbségek hőátadáshoz vezetnek , ami szintén módosítja a rendszer mechanikai viselkedését.

A hőmérséklet és a nyomás körülményeitől függően a fizikai-kémiai alkotóelemek megváltoztathatják az állapotot, gáz, folyadék vagy akár szilárd anyag között, ami megváltoztatja különösen a térfogatsűrűséget, az összenyomhatóságot és a rendelkezésre álló energiát. Kémiai reakciók is előfordulhatnak, megváltoztatva a rendszer összetételét.

Az összes paraméter kölcsönhatásának megértése érdekében bizonyos paramétereket állandóan tartva megpróbálunk egyszerű helyzetekre redukálni magunkat. Például :

izoterm : állandó hőmérsékleten;
izobár : állandó nyomáson;
izokhoros : állandó térfogaton;
adiabatikus : hőátadás nélkül;

A valóságban azonban az átalakulások politropikusak . Ez azt jelenti, hogy az energia (munka) egy részét a külső környezettel történő hőcserék vonják le vagy növelik (főleg tágulás esetén).

Ezen felül megkísérelhetjük az átalakításokat is lassan végrehajtani annak érdekében, hogy közel maradhassunk az egyensúlyhoz:

ha a kerékpár-szivattyú dugattyúját gyorsan megnyomják, a levegő nagyon forró lesz;
ha lassabban nyomja, a levegő kevésbé melegszik fel, és nagyobb nyomás lesz elérhető. A tömörítés hatékonysága jobb lesz.

Energia becslés

Első becslési módszer

Az a térfogattartály, amely levegőt tartalmaz a nyomáson, amelyet hagynak pihenni, valóban tartalmaz visszanyerhető mechanikai energiát . $\ displaystyle V$ ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$

Abban az esetben, egy reverzibilis adiabatikus expanzió , veszteség nélkül ( energiahatékonyság egyenlő 100%), a leadott energia (J / kg levegő) lesz:

{\ displaystyle W = - {\ frac {\ gamma} {\ gamma -1}} * Z * R * Ta * \ balra [{\ frac {Pr} {Pa}} ^ {({\ frac {\ gamma - 1} {\ gamma}})} - 1 \ jobb]}

val vel:

\gamma

= = 1,4 levegőre

{\ displaystyle Cp / Cv}

{\ displaystyle \ displaystyle Z}

= összenyomhatósági együttható = 1

{\ displaystyle \ displaystyle R}

= gázállandó = ahol = 8,314 J / mol.K és a moláris tömeg kg / mol (= 0,028 levegő esetén)

{\ displaystyle R / M}

{\ displaystyle \ displaystyle R}

\ displaystyle M

{\ displaystyle \ displaystyle Ta}

= Abszolút hőmérséklet (a K ), hogy a szívó = T (in ° C ) + 273. Ha t = 27 ° C-on , majd Ta = 300 K .

Néhány érték és (a levegő sűrűsége a figyelembe vett nyomáson): ${\ displaystyle \ displaystyle W}$ ${\ displaystyle \ displaystyle Ro}$

a = 1 bar (= atmoszféra), majd a = -311 775 * [(1 / Pa) ^ 0,286 -1); ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$ ${\ displaystyle \ displaystyle W}$
a = 300 bar, = 250,76 kJ / kg , és = 423 kg / m 3 ; ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$ ${\ displaystyle \ displaystyle W}$ ${\ displaystyle \ displaystyle Ro}$
a = 100 bar, = 228,24 kJ / kg , és = 141 kg / m 3 . ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$ ${\ displaystyle \ displaystyle W}$ ${\ displaystyle \ displaystyle Ro}$

Ha van 300 literes tartályunk (vagyis ötször egy normál tartály), azaz 0,3 m 3 :

a = 300 bar van 126 kg levegő (feltételezve, hogy a tökéletes gáz, ami nem igazán pontos ebben a nyomástartomány); ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$
a = 100 bar van 42 kg levegő. ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$

Ezért tárolhatjuk (feltételezve, hogy a nyomás mindig maximális az utolsó kg levegő felhasználásáig, ami jelentősen megnöveli a számított értéket):

A = 300 bar, Energia = 31500 kJ = 8,75 kWh ; ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$
A = 100 bar, Energia = 9576 kJ = 2,7 kWh . ${\ displaystyle \ displaystyle Pa}$

Ezek a számítások az adiabatikus terjeszkedésre vonatkoznak, amely gyors expanziónak felel meg (ami általában egy gépnél szokott lenni) a teljesítmény jobb lassú expanzióval, miközben a gáz állandó hőmérsékleten marad (izotermikus expanzió).

Egyéb becslési módszerek

A nyomáson összenyomott gáz térfogatában lévő energia megegyezik : ahol: ${\ displaystyle \ displaystyle E}$ ${\ displaystyle \ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ displaystyle P}$ ${\ displaystyle E = {\ frac {i} {2}} \ cdot P \ cdot V}$

$i = 3$ Egy egyatomos gázok (például ő )
${\ displaystyle i = 5}$ diatómikus gázra (például O 2vagy N 2 )
${\ displaystyle i = 6}$ egy vagy több triatomikus gáz (pl. CO 2 ) esetében

Ezt az energiát adiabatikus dekompresszióval lehet visszanyerni , vagyis a környezettel való hőátadás nélkül.

Izoterm dekompresszió esetén, vagyis állandó hőmérsékleten több energia nyerhető vissza, mivel egy része hő formájában érkezik a környezetből. Ebben az esetben a visszanyert energia megéri:

{\ displaystyle E = \ ln (P_ {2} / P_ {1}) \ cdot P \ cdot V}

vagy:

{\ displaystyle \ displaystyle P_ {2}}

kijelöli a nyomást a dekompresszió előtt és a dekompresszió után,

{\ displaystyle \ displaystyle P_ {1}}

{\ displaystyle P \ cdot V}

mivel állandó, lehetséges a dekompresszió előtt vagy a dekompresszió után.

{\ displaystyle P_ {2} \ cdot V_ {2}}

{\ displaystyle P_ {1} \ cdot V_ {1}}

Például, az energia, amely 300 liter levegő ( ) a 300 bar van egyenlő :, vagy 6,3 kWh . ${\ displaystyle \ scriptstyle {0.3 \; m ^ {3}}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle (\; 3 \ cdot 10 ^ {7} \; [N / m ^ {2}] \;)}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle E \; = \; {\ frac {5} {2}} \ cdot 3 \ cdot 10 ^ {7} \ cdot 0.3 \; = \; 23 \; [MJ]}$

Ez megfelel a 0,5 kg benzin vagy 0,69 liter benzin energiájának .

Ha dekompressziós izoterm : vagy 14.2 kWh . ${\ displaystyle \ scriptstyle {E \; = \; \ ln (300/1) \ cdot 3 \ cdot 10 ^ {7} \ cdot 0.3 \; = \; 51.3 \; [MJ]}}$

Ez megfelel 1,14 kg benzin vagy 1,6 liter benzin energiájának .

Indokolás

A fenti eredményeket termodinamikai számítások igazolják.

Az izentrikus dekompresszió során, például reverzibilis és a környezeti környezettel történő hőcsere nélkül, a nyomás és a térfogat közötti kapcsolat: = állandó, ahol: ${\ displaystyle P \, V ^ {\ gamma}}$

${\ displaystyle \ gamma = 5/3}$ egy egyatomos gázok keveréke vagy egyatomos gázok;
${\ displaystyle \ gamma = 7/5}$ lényegében diatómikus gáz vagy keverék, például levegő esetében;
${\ displaystyle \ gamma = 8/6 \ (= 4/3)}$ egy triatomikus gázra.

Izotermális dekompresszió esetén . ${\ displaystyle \ gamma = 1}$

Az energia alatt adiabatikus dekompressziós úgy számítják ki, integrációja és az ezért . $V_ {1}$ $V_ {2}$ ${\ displaystyle P \, \ mathrm {d} V}$ ${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} V} {V ^ {\ gamma}}}}$

Adiabatikus esetben úgy tekintjük, hogy a dekompresszió utáni térfogat nagyon nagy, ezért nulla. Ezek az integrációk adják meg a fentiekben említett képleteket. $V_ {1}$ ${\ displaystyle 1 / V_ {1}}$

Sűrített levegős motor energiahatékonysága

A sűrített levegős motor a gáz tágulásának elvét alkalmazza , mint a hűtőgép tágulási részében . Így elméletileg több mint 100% -ban energiatakarékos lehet .

Valójában az energiahatékonyság a motor által visszaadott (mechanikus) energia és a légtartály által szolgáltatott energia aránya. Izotermikus terjeszkedéskor azonban a tároló energiájához környezeti hőenergiát adnak, hogy az egymást követő tágulás során lehűlő gázt felmelegítsék, ami megmagyarázza, hogy a keletkező mechanikai energia miért lehet nagyobb, mint a tározó kezdeti energiája, ideális körülmények között körülmények.

Ezért éppen ellentétes hatása van egy hőmotornak, amelyben a levegő összenyomódását a motor belső égésével érik el: a környezeti hőmérsékletnél magasabb hőmérséklet jelentős hőenergia-átvezetést eredményez a motoron. 'Kívül. Például a Carnot-ciklus esetében a 300 és 900 K közötti Carnot- hatékonyság 1− (300/900) vagy 2/3, ideális esetben a termodinamikai veszteségek 1/3-a.

A pneumatikus energiára vonatkozó korábbi számítások és az ideális izotermikus folyamat esetében azt látjuk , hogy a maximálisan előállított energia 14,2 kWh lehet , míg a rendszer bemenetén szolgáltatott energia, vagyis a tartályban lévő energia adiabatikus folyamat , 6,3 kWh . A maximális elméleti 225% -os energiahatékonyságra következtetünk (mert 14,2 / 6,3 = 2,25). A környezetbe befogott (szabad) hőenergia ideális elméleti esetben a tárolóba helyezett energia 125% -át képviseli és hozzáadódik.

Ennek megvalósításához minden bizonnyal tökéletes motorra lenne szükség, de elegendő egy 48% -nál kisebb belső veszteségű motort gyártani, hogy elérje a 100% -ot meghaladó valódi energiahatékonyságot , ami jobb lenne, mint bármely más ismert motorrendszer.

Ezzel ellentétes probléma merül fel a gáz (az evakuáláshoz szükségszerűen előállított hő) összenyomásakor. Elképzelhető azonban, hogy ezt a kompresszióval nyert hőt épület vagy szaniter víz melegítésére használják fel ( kapcsolt energiatermelés ). Ismeretes, hogy a folyadék kompressziós / tárolási / dekompressziós ciklusán alapuló hűtőgépek 300% nagyságrendű energiahatékonyságot képesek elérni (COP vagy 3 teljesítmény-együttható ). Az energiatakarékosságot tiszteletben tartják, mert a nyert energiát a környező környezet veszi fel, ezért a hőszivattyú kifejezés .

Vannak, akik azt állítják, hogy a tömörítési / tárolási / dekompressziós ciklus kevésbé hatékony, mint egy generációs / akkumulátoros / elektromos motorkerékpár, de gyakran elfelejtik figyelembe venni az akkumulátor töltése és kisütése során bekövetkező veszteségeket (a hatékonyság 65–83% -a) például egy elektrolit keringtető akkumulátorhoz), valamint veszteségek, ha az akkumulátort nem használják.

Funkció szerinti osztályozás

A pneumatikus rendszerek négy fő funkciót használnak:

tömörítés;
szállítás;
tárolás töltéssel és ürítéssel;
motor vagy működtető.

További alkatrészeket fognak használni a rendszerekben:

szelep;
hőcserélő ;
nyomáscsökkentő vagy szabályozó;
terhelési szabályozó;
visszacsapó szelep;
szűrők;
érzékelők a paraméterek méréséhez.

Míg a modularitásra (1 anyag = 1 funkció) mindig törekszünk a tervezés egyszerűsítése és a gyártás szabványosítása érdekében, egyes berendezések optimalizálási okokból több funkciót is kombinálhatnak.

Felhasználás szerinti osztályozás

A pneumatikus rendszereket a nyugati mindennapi élet minden területén használják:

lengéscsillapítók;
akkumulátorok hidraulikus rendszerekhez, akkumulátorok áramtermeléshez;
lőfegyverek, sűrített levegős fegyverek ;
szerszámgépek automatizálása;
repülőgépek;
fúvós hangszerek;
olyan hűtőgépek, amelyek összenyomható gázt használnak a működési ciklus egész részében;
gőzgépek, gőzturbinák, belső égésű motorok, sűrített levegős szerszámok, sűrített levegős motorok, gázturbinák, reaktorok, szélturbinák;
pneumatikus állomások ;
légzőrendszer.

Anélkül, hogy megfeledkeznénk a Földről, amelynek légköre a létező legösszetettebb pneumatikus rendszer.

Osztályozás nyomásszint szerint

Néhány mbar-tól 1 bar-ig : szabályozási terület, fluidumok.
1 és 10 bar között: vezérlési terület, teljesítmény (jelenlegi használat).
20 és 40 sáv között: navigációs mező (dízelindítás).
150 és 250 bar között: tárolás palackokban búvárkodáshoz, levegővel vagy speciális keverékekkel.
200 és 500 bar között: nyomás nagy teljesítményű rendszerekhez (vadászrepülők stb. ).

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

Lásd például a Mechanikus kompresszor cikket .
ahol $n$ jelentése száma szabadsági fok a gáz molekulák : rendre 3, 5 és 6. mono-, di- és háromatomos molekulák. ${\ displaystyle \ gamma = {\ frac {n + 2} {n}}}$

Hivatkozások

Physics Eugene Hecht, 1 st Edition, 4 th kiadás, 2004, ( ISBN 2-7445-0018-6 ) . 16. fejezet, 16.1. Szakasz A 16.6 képlet az ideális gáztörvénnyel kombinálva. A 16. fejezet 60. gyakorlata.
" A keringő elektrolit elemek energiahatékonysága, 37. oldal " (hozzáférés : 2019. június 26. )

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek