气压传动与控制的工作介质(压缩空气)(控制元件)

气压传动与控制的工作介质是压缩空气，压缩空气是空气压缩机吸入的大气经压缩而产生的。

空气的性质和压缩空气质量对气动系统工作的可靠性和稳定性影响极大，空气的性质主要包括空气的物理性质、空气的热力学性质及压缩空气的流动特性等，压缩空气质量是指杂质的含量。

下面介绍空气的物理性质和气源的净化处理。

2. 1空气的物理性质
2.1.1空气的组成 在空气的组成中，氮和氧是比例最大的两种气体，其次是氩和二氧化碳，还包括氖、氦、氪、氙等其他气体以及水蒸气和沙土等细小颗粒。

组成成分的比例与空气所处的状态和位置有关，例如位于地表的空气和高空的空气有差别，但在距离地表20km 以内，其组成可以看成均一不变。

表2-1列出了在基准状态（0℃，0.1013MPa ，相对湿度为0）时地表附近的干空气的组成。

表2-1 干空气的组成成分比例 空气的主要组成 氮（N 2） 氧（O 2） 氩（Ar ） 二氧化碳（CO 2）
体积分数%
78.09
20.95
0.93
0.03
在空气有污染的情况下。

其中还含有二氧化硫、亚硝酸、碳氢化合物等物质。

一般因为空气的纵成中比例最大的氮气具有稳定性，不会自燃。

所以.空气作为工作介质在易燃、易爆场所。

但利用空气作为介质时必须了解当地空气的实际组成成分。

根据空气中是否含有水蒸气成分，可以将空气分为干空气和湿空气。

其中，完全不含有水蒸气的空气称为干空气，气压传动中以干空气作为工作介质。

含有水蒸气的空气称为湿空气，湿空气中含有的水蒸气越多，则湿空气越潮湿。

在一定的温度和压力条件下，如果湿空气中含有的水蒸气达到最大值，湿空气称为泡和湿气。

2.1.2 空气的密度和比容
(1)空气的密度
单位体积空气的质量及重量，分别称为空气的密度及重度，气体密度与气体压力和温度有关，压力增加，密度增加；而温度上升，密度减少。

在基准状态下，干空气的密度为
1.293kg/m 3
，在任意温度、压力下的干空气的密度由式（2-1〕给出：
ρ=3.484×10
-3
T p
（2-1）
式中ρ——干空气的密度，kg/m 3
;
p ——空气绝对压力，Pa ； T ——空气的绝对温度，K 。

对于湿空气的密度，可用式（2-2）计算：
式中 ρ′——湿空气的密度，kg/m 3
； ——空气的相对温度，%；
p b ——温度为t 时饱和空气中水蒸气的分压力，Pa 。

其他符号意义同式（2-1）。

（2）空气的比容（质量体积）
空气的比容是单位质量空气的体积，其表达式为：
v=M V =ρ1
式中 v ——空气的比容，m 3
/kg ；
V ——空气的体积，m 3
； M ——空气的质量，kg ；
ρ ——空气的密度，kg/m 3
；
2.1.3 空气的压力
(1)压力的定义和单位
在物理学上，将单位面积上受力的大小称为压力强度，简称压强，但在工程上习惯称压强为压力。

气体的压力是分子的热运动而相互碰撞，在容器的单位面积上产生的力的统计平
均值，通常用p 表示。

在国际单位制中，压力的单位为Pa(帕），1Pa=1N/m 2。

较大的压力用
kPa 和MPa 表示，1MPa=103kPa=106
Pa 。

常用的压力单位还有atm （大气压）。

以绝对真空为基准，测得的大气压力为
760mmHg （毫米汞柱），称为1绝对大气压或1标准大气压。

1绝对大气压=760mmHg=1.01325105
Pa=0.101325MPa
为了计算方便，在工程上取0.980665×105
Pa 为1工程大气压。

1（标准）绝对大气压=1.0332工程大气压
(2)压力的表示方法
压力的表示方法有绝对压力和相对压力。

绝对压力是以绝对真空为基准来进行度量的压力；相对压力是以大气压为基准来进行度量的压力。

如果气体的绝对压力低于大气压力，则习惯上称为真空，并以真空来表示。

绝对压力比大气压力小的那部分数值，叫做真空度。

由常用压力测试仪表所测得的压力为相对压力，因而习惯把相对压力称为表压力。

在运算公式中一般采用绝对压力。

绝对压力、相对压力、大气压力及真空度之间关系如图2-1所示，可表示为：
绝对压力=相对压力+大气压力 真空度=大气压力-绝对压力
2.1.4 空气的黏性
气体在流动过程中产生内摩擦阻力的性质叫做气体的黏性，用黏度表示其大小。

气体常用的黏度单位有两种，即动力黏度μ和运动豁度v。

动力黏度以液体流动时生内摩擦力的大小来表示的黏度，它的单位是Pa·s(帕·秒)；运动黏度的定义是动力黏度与气体密度之比，它的单位是m2/s(米2/秒)或mm2/s<毫米2/秒)。

压力对空气黏度的影响甚微，通常可忽略不计。

因此可以认为空气的黏度只随温度的变化而变化，并且随温度的升高略有增加。

黏度随温度的变化关系见表2-2.
2.1.5 空气的压缩性和膨胀性
空气的体积是易变的，它随压力和温度的变化而变化。

与液体和固体相比，气体具有明显的压缩性和膨胀性，例如在压力不变、温度变化1℃时，空气体积变化1/273，而水体积仅变化1/20000，空气体积易变的能力是水的73倍。

气体与液体体积变化如此悬殊，
主要原因在于气体分子间的距离是分子直径的9倍左右，分子间的距离大，内聚力小，分子运动的平均自由通路大。

2.1.6 空气的湿度和含湿量
通过学习已经知道含有水蒸气的空气称为湿空气。

由于湿空气中的水分对气动控制系统的稳定性和寿命有很大影响，因此对空气中的含水量应进行限定，气动系统也常采取必要的措施防止水分的进入。

空气的干湿程度、含水量的多少，常用湿度和含湿量来表示。

（1）绝对湿度和饱和绝对湿度
单位体积的湿空气所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，用x 表示，即 x=V ms
=ρ
s
(2-4)
式中x ——绝对湿度，kg/m 3
；
m s ——湿空气中水蒸气的质量，kg ；
V —湿空气的体积，m 3
；
ρs —水蒸气的密度，kg/m 3。

当湿空气中水蒸气的分压力达到该湿度下水蒸气的饱和压力时，其绝对湿度称为饱和绝对湿度，用x b 表示，即
式中x b —饱和绝对湿度，kg/ms ；
p b —饱和湿空气中水蒸气的分压力，Pa ；
R s —水蒸气的气体常数，R s =462. 05J/（kg ·K ）；
P b —饱和湿空气中水蒸气密度，kg/m 3。

其他符号意义同式(2-4) 。

(2)相对湿度 在一定温度下，绝对湿度与绝对饱和湿度之比，或湿空气中水蒸气分压力与饱和水蒸气压力的比值，称为在该温度下的相对湿度，用ф表示，即
Ф=xb x
×100%=pb ps
×
100% (2-6)
相对湿度反映了空气继续吸收水分的能力。

Ф值越小，湿空气吸收水蒸气的能力越强;Ф值越大，湿空气吸收水分的能力越弱。

相对湿度一般用百分比表示。

空气绝对干燥时，p s =0，Ф=0;湿空气达到饱和时，p s =p b ,Ф=100%。

可见，Ф值在0~100%之间变化，Ф在60%~70%时，是人体感觉舒适的湿度。

气动系统中，工作介质适用的相对湿度不得超过90%。

当然，空气相对湿度越低越好。

(3)含湿量
湿空气含量可用每千克质量的干空气中所混合的水蒸气质量表示，称为质量含湿量，即
D=
mg ms
(2-7)
式中d —含湿量；
m s 一水蒸气的质量，kg ； m g 一干空气的质量，kg 。

含湿量也可用单位体积干空气中混合的水蒸气的质量来表示，称为容积含湿 量，以d'表示，即 (2-8)
d'=Vg ms =V g dmg
=d ρg
式中d'—容积含湿量，kg/m 3
;
ρg —干空气的密度，kg/m 3;
Vg —干空气体积，m 3
其他符号意义同式((2-7)。

(4)露点
空气中的饱和含湿量随温度变化而变化。

当气温下降时，饱和含湿量下降;气温上升时，饱和含湿量增加。

未饱和空气，保持水蒸气压力不变而降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫做露点。

温度降至露点温度以下，湿空气便有水滴析出。

如果减少进人气动设备中空气的水分，必须降低空气的湿度。

气动系统中采用的清除湿空气中水分的降温法就是利用此原理。

在标准大气压力下，饱和空气中水蒸气分压力p b 、饱和绝对湿度二x b 、饱和容积含湿量d' b 与温度的关系见表2-3。

从表2-3看出，空气中的水蒸气分压力和含湿量都随温度的降低而明显降低，所以降低进人气动系统装置的空气温度，对于减少空气中的含湿量非常有利。

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