Как составить график давления воздуха

На
работу компрессорной станции в
значительной мере влияет выбор
необходимого давления воздуха у
потребителей во всей сети и на отдельных
участках. Давление сжатого воздуха на
выходе из компрессорной станции должно
соответствовать давлению, которое
необходимо пневмоприемникам.

Эксплуатация
компрессорных установок, подающих
сжатый воздух пневмоприемникам с
давлением ниже необходимого, приводит
к потере производительности
пневмоприемников, а подающих сжатый
воздух пневмоприемникам с давлением
значительно выше необходимого, приводит
к бесполезной затрате энергии. Так,
например, повышение давления на 1%
увеличивает перерасход электроэнергии
на 0,5%. Давление воздуха при выходе его
из компрессора должно быть выше
необходимого только на величину потерь
давления в арматуре, воздухопроводах
и вспомогательном оборудовании.

Потери
давления воздуха, движущегося по
воздухопроводу, пропорциональны длинам
отдельных участков трубопроводов, при
этом принято считать удельные расчетные
потери давления на единицу длины
трубопровода одинаковыми для различных
участков трубопроводов. Учитывая, что
расход воздуха потребителями и потери
в сетях можно принять приблизительно
прямо пропорциональным давлению воздуха,
следует везде, где это не отражается на
производстве, снижать давление
расходуемого воздуха.

Каждая
компрессорная станция должна иметь
характеристику требуемого давления
сжатого воздуха в зависимости от
производительности компрессоров с
учетом воздушной сети трубопроводов и
типов пневмоприемников.

Пример
графической характеристики необходимого
давления сжатого воздуха для разных
случаев воздухоснабжения можно
представить следующим образом (.

Линия
«аа» изображает противодавление при
расположении приемников, требующих
постоянного давления сжатого воздуха,
в непосредственной близости от
воздухоснабжающей установки. Линия
«аb»
относится к наиболее распространенному
случаю переменного противодавления,
обусловленного одновременно воздушной
сетью и воздухоприемниками, требующими
постоянного давления сжатого воздуха.
Линия «ос»
соответствует случаю очень протяженной
воздушной сети, на преодоление
сопротивления самой сети.

3. Расчет и выбор оборудования систем производства сжатого воздуха

3.1. Выбор компрессоров

Выбор
типа марки, количества и производительности
компрессоров, устанавливаемых в машинном
зале компрессорной станции, производят
на основе:

1)
средней расчетной и максимально
длительной нагрузок на компрессорную
станцию;

2) требуемого
давления сжатого воздуха у потребителей;

3)
принятого способа подачи сжатого воздуха
пневмоприемникам;

4)
сведений о типах и марках компрессоров,
выпускаемых компрессорными заводами
(таблица 5, 6).

Выбирая
компрессор по давлению, необходимо,
чтобы конечное давление воздуха,
выходящего из компрессора, превышало
требуемое давление воздуха у мест
потребления на более чем на 0,3 – 0,4 МПа,
так как редуцирование воздуха с высокого
давления на низкое является неэкономичным.

Не
следует принимать поршневой компрессор,
сжимающий воздух до давления, значительно
превосходящего требуемое, так как у
поршневого компрессора давление
регулируется автоматически соответственно
давлению в сети, в результате чего будет
непроизводительно расходоваться
электроэнергия.

При
конечном давлении до 0,6 МПа применяются
одноступенчатые компрессоры, а при
большом давлении – многоступенчатые.

Таблица
5

Технические
данные поршневых воздушных компрессоров

систем воздухоснабжения [25]

Типоразмер	Подача, м3/мин	Давление, МПа	Электродвигатель	Габаритные размеры, мм
		Тип	N, кВт	n, об/мин
ВУ-0,6/8	0,6	0,1	0,9	ВАО-51-6	5,5	970
2ВУ1-2,5/13М8	2,5	0,1	0,9	4А160М4У3	18,5	1460
4ВУ1-5/9М2	5	0,1	0,9	А2-91-8У3	40	735
КС3-5М	5	0,1	0,9	АО2-91-8У3	40	735
ВП2-10/9	11	0,1	0,9	АВ2-101-8У3	75	750
2ВМ4-24/9	24	0,1	0,9	А2К85/24-8/36У4	160	740
305ВП-30/8	30	0,1	0,9	БСДК-15-21-12	200	500
ВП3-209	22	0,1	0,9	ДСК-12-24-12У4	125	500
3С5В11-30/8	30	0,1	0,9	БСДК-15-21-12	200	500
2ВМ10-50/8	50	0,1	0,9	СДК2-16-24-12КУХЛ4	315	500
2ВМ10-63/9	62	0,1	0,9	СДК2-16-24-10КУХЛ4	400	600
4ВМ10-120/9	124	0,1	0,9	СДК2-16-44-10КУХЛ4	800	600
2ВУ1-2,5/13М4	2,5	0,1	1,3	4А18084У3	22	1460
505ВП-20/18	20	0,1	1,9	БСДКП-15-21-12	200	500
2ВТ-1,25/26М1	1,25	0,1	2,6	А2-72-8У3	17	725
ЭКП-210/25М	3,5	0,1	2,6	АО2-92-6М	55	980
ЭКП280/25М	4,66	0,1	2,6	АИ-102-6Р	65	980
302ВП-6/35	6	0,1	3,6	АВ2-101-8У3	75	750
305ВП-20/35	20	0,1	3,6	БСДК-15-21-12	200	500
22К-70.32	1,66	0,1	3,2	АО2-62-4М	17	1450
3К-140/32	2,3	0,1	3,2	АО2-82-6-ОМ2	40	1450
33К-420/32	7,2	0,1	3,2	АИ102-4-ОМ4	90	1450
ВШ-3/40М	3	0,1	4,1	А2-82-6	40	980
302ВП-5/70	5	0,1	7,1	АВ2-101-8У3	75	750
305ВП-16/70	16	0,1	7,1	БСДК-15-21-12	200	500
4М10-40/70	43,3	0,1	7,1	СДК2-17-26-12х	630	500

Примечание:
–
давление всасывания;–
давление нагнетания.

Таблица
6

Технические
характеристики центробежных воздушных

компрессорных машин [4]

Тип компрессора	Производительность	Рабочее давление, МПа	Потребляемая мощность, кВт	Число оборотов вала, об/с	Расход охлаждающей воды, кг/с
м3/с	м3/мин
К-500-61-1	8,34	500	0,88	3400	50,2	50,0
К-350-61-1	5,83	350	0,72	2500	143	37,0
К-250-61-1	4,17	250	0,88	1500	183	25,0

Для
экономии электроэнергии и удобств
эксплуатации компрессорных установок
в компрессорной станции, работающей на
один трубопровод пневмосети, рекомендуется
устанавливать компрессоры, имеющие
одинаковые конечные давления нагнетаемого
воздуха.

При
необходимости эксплуатации пневмоприемников,
требующих различные давления сжатого
воздуха, вопрос выбора компрессоров по
конечному давлению сжатия решается в
каждом отдельном случае в зависимости
от количества расходуемого воздуха
того или иного давления, стоимости
раздельной прокладки воздухопроводов,
а также других обстоятельств.

Способ
подачи сжатого воздуха пневмоприемникам
влияет на выбор компрессоров следующим
образом: если пневмоприемники подключены
к пневмосети, питающейся от компрессорной
станции, то компрессоры должны иметь
такую производительность, которая

покрывала
бы максимальную длительную нагрузку
на компрессорную станцию; если
пневмоприемники питаются сжатым воздухом
от баллонов или воздухосборников,
имеющих достаточную емкость, то
производительность компрессоров должна
соответствовать средней расчетной
нагрузке на компрессорную станцию.

При
выборе компрессора следует руководствоваться
следующими соображениями [1].

1.
Общее количество компрессоров,
устанавливаемых в машинном зале
компрессорной станции, должно быть
небольшое, лучше всего 4. Более 8
компрессоров не рекомендуется
устанавливать в одном машинном зале,
так как сильно удлиняется здание
компрессорной станции и очень неудобно
обслуживать агрегаты.

2. Производительность
каждого в отдельности компрессора не
должна быть больше производительности
резервного компрессора и должна лежать
в пределах допускаемых границ
регулирования.

3.
Производительность выбранного компрессора
должна быть такой, чтобы он работал во
всех сменах с высоким КПД.

4.
Давление воздуха на входе в компрессор,
в его всасывающем патрубке, а также
создаваемое компрессором перед входом
воздуха из нагнетательного патрубка
должно соответствовать паспортным
данным выбранного компрессора и
обеспечивать требуемое давление воздуха
у потребителей.

5.
Установленная мощность привода
компрессора должна быть небольшой с
целью экономии электроэнергии.

6.
Габариты компрессора с учетом вида
передачи движения двигателя к компрессору
и его массы должны быть минимальными.

7.
Принятый к установке компрессор должен
быть недорогим, но надежным в эксплуатации.

8.
Для выработки сжатого воздуха должен
применяться только воздушный компрессор.

При
выборе типа компрессора также необходимо
учитывать достоинства и недостатки
того или иного типа, отдавая предпочтение
тому типу компрессора, стоимость
эксплуатационных затрат которого на 1
м³
вырабатываемого воздуха будет минимальной.
Например, вертикальные поршневые
компрессоры имеют следующие преимущества
перед горизонтальными:

-большую быстроходность
и многооборотность;

-больший механический
к.п.д.;

– меньшие потери
от неплотностей поршня;

– более легкий
фундамент при хорошей устойчивости;

– меньший вес и
габаритные размеры в плане;

– более компактный
и более дешевый привод компрессора;

– удобство монтажных
работ;

– меньший износ
цилиндров.

Однако
вертикальные компрессоры относительно
недолговечны вследствие многооборотности
и требуют значительную высоту помещения
для их установки.

По
сравнению с вертикальными поршневыми
компрессорами горизонтальные компрессоры
имеют следующие преимущества:

–
более удобно вести наблюдение за их
работой в процессе эксплуатации;

– требуют меньшую
высоту помещения;

–
арматура и трубопроводы могут размещаться
под полом помещения, в каналах и траншеях.

К
недостаткам горизонтальных компрессоров
следует отнести малооборотность,
большие габаритные размеры в плане и
значительный вес фундаментов.

Горизонтальные
компрессоры зарекомендовали себя в
условиях длительной эксплуатации как
весьма надежные и удобные в обслуживании
машины. Учитывая значительные преимущества
вертикальных компрессоров, целесообразно
применять вертикальные одноступенчатые
и двухступенчатые компрессоры.

Мощные
горизонтальные компрессоры с большим
числом ступеней желательно применять
в условиях, где требуется максимальная
надежность при наиболее тяжелых условиях
работы (например, при кессонных работах,
в горной, металлургической, машиностроительной
и химической промышленности) или там,
где необходима непрерывная подача
сжатого воздуха, так как вынужденная
остановка компрессора может привести
к аварии или к снижению выпуска продукции.

Приведенные
выше преимущества и недостатки разных
типов поршневых компрессоров, а также
удобство эксплуатации и ремонта
однотипных машин показывают, что не
следует в одном машинном зале устанавливать
компрессоры, разные по конструктивному
исполнению (вертикальные и горизонтальные).
Во всех случаях наиболее удобным в
эксплуатации является применение в
компрессорной станции однотипных
компрессоров. Желательно, чтобы они
были одинаковыми по производительности
и давлению всасывания и нагнетания
воздуха, так как при применении одинаковых
компрессоров упрощается схема
коммуникаций, улучшаются условия
эксплуатации, монтажа и ремонта
оборудования, а также создаются условия
для применения средств автоматики.

На
выбор типа компрессора влияют также
тяжелые для компрессора условия
эксплуатации: запыленность территории,
окружающей компрессорную станцию,
высокая температура и низкое барометрическое
давление всасываемого воздуха.

Выбирая
тип и количество компрессоров для
размещения их в новом или реконструированном
здании, следует произвести
технико-экономические обоснования и
сравнить величины капитальных затрат
и сроки окупаемости, после чего
остановиться на том или ином типе
компрессора.

Наиболее
распространенным приводом компрессоров
является электрический. Основные его
преимущества: простота устройства и
обслуживания, надежность в работе, и
постоянная готовность к действию.
Последнее особенно важно для автоматизации
компрессорных установок.

Для
привода компрессоров иногда применяют
паровую машину или газовый двигатель;
в машинах малой и средней мощности –
двигатель внутреннего сгорания,
работающий на жидком топливе. Выбор
привода для крупных компрессоров зависит
от электробаланса предприятия. Двигатели
внутреннего сгорания, работающие на
жидком топливе, обладают автономностью
действия, и поэтому широко используются
для передвижных компрессорных станций.

Применяют
также привод от паровой или газовой
турбины с передачей через редуктор.

Паровая
машина, турбина и двигатель внутреннего
сгорания допускают изменение частоты
вращения, благодаря чему возможно плавно
и экономично регулировать производительность
компрессора. Нормальные электродвигатели
рассчитаны на постоянную частоту
вращения. При постоянной частоте вращения
производительность компрессора
регулируют с помощью специальных
устройств. Электродвигатели с плавным
изменением частоты вращения сложны и
недостаточно экономичны и применяются
главным образом для привода компрессов
сверхвысокого давления, для которых
нельзя или нецелесообразно использовать
другие способы регулирования
производительности. Взамен распространенных
для этой цели электродвигателей
постоянного тока с ртутными выпрямителями
в последнее время стали применять более
простые, экономичные и надежные
асинхронные электродвигатели переменного
тока с полупроводниковыми тиристорными
преобразователями частоты электрического
тока.

Для
правильного выбора электродвигателя
в качестве привода компрессора необходимо
учесть следующие параметры и условия:

– напряжение (род
тока принимаем трехфазный);

– мощность на валу
компрессора;

–
мощность трансформатора, от которого
питается рассматриваемый электродвигатель;

– быстроходность
компрессора;

– род передачи и
передаточное число;

– тип компрессора
(поршневой или турбокомпрессор).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. «Нормальным» атмосферным давлением условно считается давление, равное 760 мм.рт.ст., т. е. одной (физической) атмосфере (§154).

Давление воздуха на уровне моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Поднимаясь вверх от уровня моря, мы заметим, что давление воздуха уменьшается; соответственно убывает его плотность: воздух становится все более и более разреженным. Если открыть на вершине горы сосуд, который был плотно закупорен в долине, то часть воздуха из него выйдет. Наоборот, в сосуд, закупоренный на вершине, войдет некоторое количество воздуха, если его открыть у подножья горы. На высоте около 6 км давление и плотность воздуха уменьшаются примерно вдвое.

Каждой высоте соответствует определенное давление воздуха; поэтому, измеряя (например, при помощи анероида) давление в данной точке на вершине горы или в корзине аэростата и зная, как изменяется атмосферное давление с высотой, можно определить высоту горы или высоту подъема воздушного шара. Чувствительность обычного анероида настолько велика, что стрелка указателя заметно передвигается, если поднять анероид на 2-3 м. Поднимаясь или опускаясь по лестнице с анероидом в руках, легко заметить постепенное изменение давления. Такой опыт удобно производить на эскалаторе станции метро. Часто градуируют анероид непосредственно на высоту. Тогда положение стрелки указывает высоту, на которой находится прибор. Такие анероиды называют альтиметрами (рис. 295). Ими снабжают самолеты; они позволяют летчику определять высоту своего полета.

Рис. 295. Самолетный альтиметр. Длинная стрелка отсчитывает сотни метров, короткая — километры. Головка
 позволяет подводить нуль циферблата под стрелку на поверхности Земли перед началом полета

Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровне моря сжат весом всей атмосферы Земли, а более высокие слои атмосферы сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере или в любом другом газе, находящемся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление в жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу вверх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.

Рис. 296. Построение графика убывания давления с высотой. В правой части изображены столбики воздуха одинаковой толщины, взятые на разной высоте. Гуще заштрихованы столбики более сжатого воздуха, имеющие большую плотность

Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другой, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат будем откладывать высоты

 и т. д. над каким-нибудь уровнем (например, над уровнем моря), а по оси абсцисс — давление

 (рис. 296). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты

. Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты

, равный

. Но с увеличением высоты плотность воздуха убывает. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме вверх давление будет убывать неравномерно: на малой высоте, где плотность воздуха больше, давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем медленнее уменьшается давление.

В нашем рассуждении мы считали, что давление во всем слое толщины

 одно и то же; поэтому мы получили на графике ступенчатую (штриховую) линию. Но, конечно, убывание плотности при подъеме на какую-нибудь определенную высоту происходит не скачками, а непрерывно; поэтому в действительности график имеет вид плавной линии (сплошная линия на графике). Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией.

Для небольших по высоте объемов воздуха (комната, воздушный шар) достаточно пользоваться маленьким участком графика; в этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости. В самом деле, при малом изменении высоты плотность воздуха меняется незначительно.

Рис. 297. Графики изменения давления
 с высотой

 для разных газов

Если имеется некоторый объем какого-либо газа, отличного от воздуха, то в нем давление также убывает снизу вверх. Для каждого газа можно построить соответствующий график. Ясно, что при одном и том же давлении внизу давление тяжелых газов будет убывать с высотой быстрее, чем давление легких газов, так как столбик тяжелого газа весит больше, чем столбик легкого газа той же высоты.

На рис. 297 построены такие графики для нескольких газов. Графики построены для небольшого интервала высот, поэтому имеют вид прямых линий.

175.
1.
Г-образная трубка, длинное колено которой открыто, наполнена водородом (рис. 298). Куда будет выгнута резиновая пленка, закрывающая короткое колено трубки?

Рис. 298. К упражнению 175.1

Не все знают, что на разной высоте давление атмосферы отличается. Существует даже специальный прибор для измерения и давления, и высоты. Называется он барометр-альтиметр. В статье мы подробно изучим, как с высотой изменяется атмосферное давление и при чем тут плотность воздуха. Рассмотрим эту зависимость на примере графика.

Давление атмосферы на разных высотах

Атмосферное давление зависит от высоты. При ее увеличении на 12 м давление уменьшается на 1 мм ртутного столба. Этот факт можно записать с помощью такого математического выражения: ∆h/∆P=12 м/мм рт. ст. ∆h — это изменение высоты, ∆P — изменение атмосферного давления при изменении высоты на ∆h. Что из этого следует?

Вам будет интересно:Москва 19 века: фото и исторические факты

Из формулы видно, как с высотой изменяется атмосферное давление. Значит, если мы поднимемся на 12 м, то АД уменьшится на 12 мм ртутного столба, если на 24 м — то на 2 мм ртутного столба. Таким образом, измеряя атмосферное давление, можно судить о высоте.

Миллиметры ртутного столба и гектопаскали

В некоторых задачах давление выражается не в миллиметрах ртутного столба, а в паскалях или гектопаскалях. Запишем вышеприведенное соотношение для случая, когда давление выражено в гектопаскалях. 1 мм рт. ст. =133,3 Па =1,333 гПа.

Теперь выразим соотношение высоты и атмосферного давления не через миллиметры ртутного столба, а через гектопаскали. ∆h/∆P=12 м/1,333 гПа. После вычисления получим: ∆h/∆P=9 м/гПа. Выходит, что когда мы поднимаемся на 9 метров, то давление уменьшается на один гектопаскаль. Нормальное давление — это 1013 гПа. Округлим 1013 до 1000 и примем, что на поверхности Земли именно такое АД.

Если мы поднимаемся на 90 м, как с высотой изменяется атмосферное давление? Оно уменьшается на 10 гПа, на 90 м — на 100 гПа, на 900 м — на 1000 гПа. Если на земле давление в 1000 гПа, а мы поднялись на 900 м вверх, то атмосферное давление стало нулевым. Так что, получается что атмосфера заканчивается на девятикилометровой высоте? Нет. На такой высоте есть воздух, там летают самолеты. Так в чем же дело?

Связь плотности воздуха и высоты. Особенности

Как с высотой изменяется атмосферное давление вблизи поверхности Земли? На этот вопрос уже ответила картинка выше. Чем больше высота, тем меньше плотность воздуха. Покуда мы находимся недалеко от поверхности земли, изменение плотности воздуха незаметно. Поэтому на каждую единицу высоты давление уменьшается примерно на одно и тоже значение. Два записанные нами ранее выражения нужно воспринимать как правильные, только если мы находимся недалеко от поверхности Земли, не выше 1-1,5 км.

График, показывающий как атмосферное давление изменяется с высотой

Теперь перейдем к наглядности. Построим график зависимости давления атмосферы от высоты. При нулевой высоте P0=760мм рт. ст. Из-за того, что с ростом высоты давление уменьшается, атмосферный воздух будет менее сжат, его плотность станет меньше. Поэтому на графике зависимость давления от высоты не будет описываться прямой линией. Что это значит?

Как с высотой изменяется атмосферное давление? Над поверхностью земли? На высоте 5,5 км оно уменьшается в 2 раза (Р0/2). Оказывается, что если мы поднимемся еще на такую же высоту, то есть на 11 км, давление уменьшится еще вдвое и будет равно Р0/4 и т. д.

Соединим точки, и мы увидим, что график — это не прямая, а кривая. Почему, когда мы записывали соотношение зависимости, складывалось впечатление, что на высоте 9 км атмосфера заканчивается? Мы считали, что график является прямой на любых высотах. Это было бы так, если бы атмосфера была жидкой, то есть если бы ее плотность была постоянной.

Важно понимать, что этот график является лишь фрагментом зависимости на малых высотах. Ни на какой точке этой линии давление не снижается до нуля. Даже в глубоком космосе существуют молекулы газов, которые, правда, не имеют отношение к земной атмосфере. Ни в одной точке Вселенной не существует абсолютного вакуума, пустоты.

Жду ваши вопросы и мнения в комментариях

План урока:

Давление атмосферы

Ветры

Погода

Климат

Человек и атмосфера

Давление атмосферы

Вы уже знаете, что воздух представляет собой смесь газов, соответственно он очень легкий. Однако он способен давить на поверхность земли и на все предметы, окружающие нас. Поэтому он воздействует и на нас с вами. На 1 см² поверхности земли оказывается давление атмосферы в 1 кг.

Тогда, подсчитав площадь поверхности человеческого тела, приблизительно получим 1,5 м² на которые оказывает давление воздух с силой 15т.

Представьте, что КамАЗ весит как раз 15 тонн и вот если он окажется сверху человека, что произойдет? Конечно, он его раздавит.

Почему же мы его не ощущаем? Оказывается, давление внутри нашего организма такое же, как и воздуха. Отсюда получаем, что внутреннее и внешнее давление как-бы уравновешивают друг друга.

Из всего сказанного вытекает, что давление в атмосфере – это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли и все предметы, расположенные на ней.

Возникает вопрос: какое давление в атмосфере и как оно было измерено?

Познакомимся с опытом итальянского ученого Эванджелиста Торричелли, который был проведен 300 лет назад

В результате проведенного опыта была определена величина давления атмосферы равная 760 мм ртутного столба, которую принято считать нормальным. Единицей измерения считается миллиметр ртутного столба – мм рт.ст.

Соответственно, если давление атмосферы будет превышать эту величину, то оно будет считаться высоким, если же наоборот, то низким.

Для измерения данного показателя используют различные виды барометров:

1. Ртутный барометр атмосферного давления считается самым точным и был изобретен Торричелли.

1. Для измерения атмосферного давления могут использоваться барометром-анероидом. В отличие от предыдущего он является безжидкостным, то есть не содержат ртути. Им удобно пользоваться в полевых условиях. Он состоит из металлической коробочки, из которой выкачан воздух. При увеличении атмосферного давления дно коробочки сдавливается, а при уменьшении – изгибается. Эти изменения передаются на стрелку, которая перемещается по круговой шкале, разделенной на миллиметры. Именно по стрелке определяются показания барометра.

1. Для записи атмосферного давления в течение определенного периода времени применяются самопишущие барометры-барографы.

Барометр-барограф Источник

Изменение атмосферного давления осуществляется в зависимости от различных факторов. Познакомимся с самыми основными.

1. Рельеф земного шара влияет на давление воздуха, с высотой происходит его изменение в сторону уменьшения.

Изменение давления воздуха с высотой можно изобразить на графике.

1. С изменением температуры воздуха меняется и давление. В областях с теплым климатом воздух становится легче, поднимается вверх, поэтому у поверхности Земли давление понижается. На территориях с холодным климатом воздух становится тяжелее, опускается вниз, давление там увеличивается.

Распределение атмосферного давления на поверхности Земли изображается на картах с помощью изобар.

Изобары – линии, соединяющие места с одинаковым атмосферным давлением.

В распределении давления, также как и температуры, прослеживается зональность. Принято выделять несколько поясов преобладания низкого и высокого давления.

Ветры

Атмосфера не находится в спокойном состоянии, она постоянно пребывает в движении. Перемещение воздуха происходит из-за неравномерного распределения давления по поверхности планеты. В предыдущем пункте мы узнали, что существуют места с низким и высоким давлением. А воздух имеет свойство перемещаться из области с высоким давлением в область с низким давлением. Такое движение воздуха получило название ветер.

Для определения погоды какого-либо места необходимо уметь определять направление и скорость ветра.

Направление ветра определяют по сторонам горизонта – откуда дует, такое и название. Например, северный ветер дует с севера. Наглядное представление о преобладании ветров различных направлений в данном пункте за определенный промежуток времени дает диаграмма «роза ветров».

По диаграмме розы ветров можно определять преобладающее направление ветра в каком-либо месяце. Например, на рисунке изображена диаграмма направлений ветров января. Какое направление ветра было преобладающим в этом месяце? Больше всего дней приходится на юго-восточное направление – 7 дней.

Направление ветра можно отражать не только с помощью диаграммы розы ветров, но и на карте. Причем, на карте можно отразить направление ветра за год и отдельно по месяцам. Например, на климатической карте России изображен стрелками курс ветра в январе и июле, чего нельзя показать на диаграмме роза ветров.

Климатическая карта России

Немаловажное значение для определения погодных условий имеет и скорость ветра. Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с). Зависит от разницы давления, которая образуется между областью высокого и низкого давления. Тогда скорость ветра определяется относительно этой разницы – если она мала, то ветер слабый, и наоборот.

Например, на первом рисунке разница давления составляет 40 мм рт.ст., на втором рисунке – 60 мм рт. ст. Скорость ветра на втором рисунке будет больше, чем на первом.

Помимо этого от средней скорости ветра зависит и его сила. Соответственно, чем выше скорость, тем больше будет и сила ветра. Оценку дают по специальной шкале, в которой каждому баллу соответствует определенная скорость ветра. Например, сила ветра равна 3 балла, то скорость будет составлять 4-5м/с.

Направление и скорость ветра определяют при помощи прибора, получившего название флюгер, познакомимся с ним на картинке.

Измерение скорости ветра производят прибором – анемометром. На вершине анемометра есть вертушка, к которой прикреплены чашки, поэтому его часто называют чашечным. Познакомимся с устройством и принципом действия прибора.

В атмосфере существует несколько типов ветров, различающихся по направлению, месту образования и продолжительности.

Постоянные ветры в течение года не меняют свое направление. Они дуют из пояса высокого давления в пояс низкого давления. Это хорошо прослеживается на рисунке.

В экваториальном поясе характерно низкое давление, около 30⁰ широт – высокое. Поэтому здесь образуются ветры, получившие название пассаты. Направляются они от 30⁰ к 0⁰ в течение всего года. В умеренных широтах формируются западные ветры. У полюсов формируются северо-восточные и юго-восточные ветры.

К сезонным ветрам относятся муссоны, которые меняют свое направление по сезонам года. Так же как и пассаты, муссоны можно наблюдать в тропиках.

Причина образования данных ветров – разница давления воздуха вследствие неравномерного нагревания суши и воды. Суша нагревается быстрее и охлаждается быстро, а вода нагревается медленно и остывает медленно. Поэтому летом суша прогревается сильнее и над ней образуется область низкого давления, а над океаном – высокого. Ветер дует с океана на сушу. Зимой наоборот.

Помимо постоянных и сезонных ветров, существуют еще и местные. Такое название они приобрели, потому что характерны только для небольших территорий. Одним из видов местных ветров считается бриз.

Бриз очень похож на муссон, однако данный ветер изменяет направление 2 раза в сутки. Формируется на побережьях морей и больших озер. Морской бриз дует днем с моря на сушу, а ночью наоборот.

Для территории России характерно очень много различных видов местных ветров. Так, на озере Байкал формируется баргузин, а у берегов Черного моря и у острова Новая Земля формируется ветер, получивший название бора.

Значение ветра в жизни человека огромное. С океанов он приносит на сушу осадки, которые необходимы растениям. Силу ветра люди используют для получения электроэнергии. Для этого изобретены специальные ветродвигатели, которые устанавливают на ветровых электростанциях.

Ветровая электростанция 

Однако ветер может наносить и значительный урон. Сильные ветра могут вызывать пыльные бури, ураганы, которые вызывают значительные разрушения. Самые известные по своей разрушительной силе – торнадо или смерч. Такие ветры могут достигать скорости до 1000 км/ч. Чаще всего образуются в Северной Америке.

Смерч 

Погода

Каждый из нас слышал такое слово как «погода». Перед тем, как выйти из дома мы интересуемся, какая погода нас сегодня ожидает. От этого зависит, какую одежду мы сегодня наденем, как спланируем наш день, и даже на наше самочувствие влияет погода.

Погода – это совокупность процессов, происходящих в атмосфере в данное время в данной местности. Можно выделить несколько элементов погоды.

Слежение за погодой и основными элементами ведется на метеорологических станциях. Поэтому элементы погоды часто называют метеорологическими.

Погода очень изменчива, она меняется несколько раз в течение суток. Какие элементы погоды меняются чаще всего? Прежде всего, это температура, от изменения которой зависит все состояние нижних слоев воздуха. Если она повышается, то увеличивается влажность и уменьшается давление. Соответственно все элементы погоды взаимосвязаны между собой.

На изменение погоды оказывает влияние передвижение воздуха с одной местности в другую. Поэтому весь объем воздуха разделен на отдельные воздушные массы. Свойства воздушных масс зависят от той области, где они сформировались. По месту образования различают 4 типа воздушных масс.

Воздушные массы непрерывно пребывают в движении, а их смена приводит к изменению погоды.

В любом государстве имеется служба погоды. В России таким центром считается Гидрометцентр, расположенный в городе Москва. Метеорологические станции разбросаны по всей планете, работают они по определенной программе и методике. Результаты наблюдений систематически передаются в мировые и региональные метеорологические центры. Здесь все данные за сутки наносятся на синоптические карты, которые иначе называются карты погоды.

Синоптическая карта России 

Синоптики по данным ежедневных синоптических карт предсказывают или дают прогноз погоды на день или месяц.

Общий прогноз погоды можно узнать из средств массовой информации или из интернета.

Прогноз погоды в Москве 

Для некоторых типов деятельности требуется точный прогноз погоды. К примеру, полет самолетов и других средств авиации осуществляется при более полных данных – толщина облаков, видимость, наличие тумана и другие.

Полет самолета в условиях плохой видимости

Климат

Совокупность метеорологических условий, типичных определенному месту, получило название климата. Характерными чертами климата являются постоянство и устойчивость. Климат определяется многими факторами: рельефом, воздушными массами, течениями, положением по отношению к морю. Самым основным фактором считается объем солнечной энергии, прибывающей на определенную местность.

На Земле выделяют несколько климатических поясов, совпадающих с тепловыми поясами. Познакомимся с климатическими поясами на карте.

Климатические пояса и области Земли 

По данным картам можно определить климатические пояса для любой области Земли. Например, для России характерны арктический, субарктический и умеренный климатические пояса. Материк Австралия считается самым маленьким, поэтому здесь протянулись всего три климатических пояса: субэкваториальный, тропический и субтропический.

Территория одного климатического пояса не всегда имеет одинаковые природные условия. Здесь выделяют области с определенным типом климата, часто это континентальный и морской.

Познакомимся с характеристикой климатических поясов, используя таблицу.

Для отображения климата применяют сведения многолетних наблюдений, используемых для оформления климатических карт. Рассмотрим климатическую карту России.

Используя эту климатическую карту можно узнать средние данные, также наибольшую и наименьшую температуру. Климатическая карта отражает господствующие воздушные массы, количество осадков и тип климата.

Человек и атмосфера

Воздушная оболочка имеет очень большое значение для человека. Она защищает все живое на планете от воздействия ультрафиолетовых лучей. Предохраняет от чрезмерного перегревания и охлаждения. Все явления, происходящие в атмосфере, влияют на жизнь и деятельность человека. Однако это влияние не всегда положительное. Некоторые явления наносят значительный ущерб хозяйственной деятельности человека.

При недостатке осадков и высокой температуре воздуха часто возникает сильнейшая засуха.

Гибель урожая при засухе 

Суть этого явления проявляется в уменьшении запасов влаги в почве, и поэтому засуха приводит к гибели урожая. На Земле почти ¼ суши подвержены засухе, из-за чего в засушливых районах гибнут растения, животные и люди.

Следствием засухи часто бывают пыльные бури, которые поднимают верхние слои почвы и тем самым уничтожают плодородный слой.

Пыльная буря

Самым разрушительным природным явлением считаются ураганы. Они сметают все на своем пути, достигая до 120 м/с. Такое явление как ураган представляет собой мощный атмосферный вихрь, который часто формируется над океанами.

Погодное явление – ураган 

Многие из нас наблюдали очень интересное и довольно опасное атмосферное явление – грозу. Сопровождается оно молнией и громом.

Гроза – явление природы 

Не менее опасно природное явление именуемое гололедом. Зимой, когда наступает оттепель, а затем опять мороз, образуется тонкий слой льда на дороге. Из-за этого явления часто бывают автомобильные катастрофы, во время гололеда люди могут получить травмы, поскользнувшись на дороге.

Гололед 

Человек также проявляет существенное влияние на атмосферу. В результате хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение атмосферы.

Существует несколько основных источников загрязнения атмосферы.

Из схемы видно, что существуют естественные источники загрязнения атмосферы, не связанные с деятельностью человека. Они влияют на состав воздуха, однако самыми опасными считаются антропогенные источники загрязнения атмосферы.

Например, от выбросов промышленных предприятий увеличивается содержание химических веществ в воздухе. Здесь они соединяются с каплями воды и образуются кислотные дожди, которые выпадая на землю, приводят к гибели растений и животных.

Источниками химического загрязнения атмосферы считаются также автотранспорт и промышленные предприятия, из-за которых в воздух попадают тяжелые металлы и различные газы. При горении топлива выбрасывается большое количество углекислого газа, которое не успевают поглощать растения.

Для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу необходимо устранить источники загрязнения или построить очистные сооружения. В настоящее время применяются меры к строительству очистных сооружений и внедрению безотходных производств, уменьшающих выбросы вредных веществ.

Влажный воздух – это смесь сухого воздуха c водяным паром. Свойства влажного воздуха характеризуются следующими основными параметрами: температура по сухому термометру t, барометрическое давление P_б, парциальное давление водяного пара P_п, относительная влажность φ, влагосодержание d, удельная энтальпия i, температура точки росы t_р, температура мокрого термометра t_м, плотность ρ.

i-d диаграмма представляет собой графическую зависимость между основными параметрами воздуха t, φ, d, i при определённом барометрическом давлении воздуха P_б и используется для визуализации результатов расчёта процессов обработки влажного воздуха.

i-d диаграмма впервые была составлена в 1918 году советским инженером-теплотехником Л. К. Рамзиным.

Диаграмма построена в косоугольной системе координат, что позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха и делает диаграмму удобной для графических построений. По оси ординат диаграммы отложены значения удельной энтальпии i, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси i, отложены значения влагосодержания d. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений удельной энтальпии i=const и влагосодержания d=const. На диаграмму нанесены также линии постоянных значений температуры t=const, которые не параллельны между собой, а чем выше температура влажного воздуха, тем больше изотермы отклоняются вверх. На поле диаграммы нанесены также линии постоянных значений относительной влажности φ=const.

Относительной влажностью называется отношение парциального давления водяного пара, содержащегося во влажном воздухе заданного состояния, к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре.

Влагосодержание – это масса водяного пара во влажном воздухе, приходящаяся на 1 кг массы сухой его части.

Удельная энтальпия – это количество теплоты, содержащееся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесённое к 1 кг сухого воздуха.

i-d диаграмма кривой φ=100% разбита на две области. Вся область диаграммы, лежащая выше этой кривой, характеризует параметры ненасыщенного влажного воздуха, а ниже – область тумана.

Туман является двухфахной системой, состоящей из насыщенного влажного воздуха и взвешенной влаги в виде мельчайших капель воды или частичек льда.

Для расчёта параметров влажного воздуха и построения i-d диаграммы используются четыре основных уравнения:

1) Давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью воды (t > 0) или льда (t ≤ 0), кПа:

Pн = 0,6112·exp[ α·t ] β + t

[1] (3.12)

где α_в, β_в – постоянные для воды, α_в = 17,504, β_в = 241,2 °С

α_л, β_л – постоянные для льда, α_л = 22,489, β_л = 272,88 °С

2) Относительная влажность φ, %:

3) Влагосодержание d, г/кг с.в.:

где P_б – барометрическое давление, кПа

4) Удельная энтальпия влажного воздуха i, кДж/кг с.в.:

i = 1,006·t + d ·(2501 + 1,805·t) 1000

[3] 6 (32)

Температура точки росы – это температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания.

Для отыскания температуры точки росы на i-d диаграмме через точку, характеризующую состояние воздуха, нужно провести линию d=const до пересечения с кривой φ=100%. Температура точки росы является предельной температурой, до которой можно охладить влажный воздух при постоянном влагосодержании без выпадения конденсата.

Температура мокрого термометра – это температура, которую принимает ненасыщенный влажный воздух с начальными параметрами i₁ и d₁ в результате адиабатного тепло- и массообмена с водой в жидком или твёрдом состоянии, имеющей постоянную температуру t_в=t_м после достижения им насыщенного состояния, удовлетворяющего равенству:

iн = i1 + (dн – d1) ·cв·tм

[2] (4.21)

где c_в – удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг·°C)

Разность i_н – i₁ обычно невелика, поэтому процесс адиабатного насыщения часто называют изоэнтальпийным, хотя в действительности i_н = i₁ только при t_м = 0.

Для отыскания температуры мокрого термометра на i-d диаграмме через точку, характеризующую состояние воздуха, нужно провести линию постоянной энтальпии i=const до пересечения с кривой φ=100%.

Плотность влажного воздуха определяется по формуле, кг/м³:

ρ = 3,483· Pб  – 1,317· Pп T T

[2] (4.25)

где T – температура в градусах Кельвина

Количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха, можно рассчитать по формуле, кВт:

Количество теплоты, отводимое от воздуха при охлаждении, кВт:

где i₁, i₂ – удельная энтальпия в начальной и конечной точках соответственно, кДж/кг с.в.

G_с – расход сухого воздуха, кг/с

где G_в – расход влажного воздуха, кг/с

d – влагосодержание, г/кг с.в.

Массу сконденсированной влаги вычисляют по формуле, кг/с:

где d₁, d₂ – влагосодержание в начальной и конечной точках соответственно, г/кг с.в.

При смешении двух потоков воздуха влагосодержание и удельную энтальпию смеси определяют по формулам:

На диаграмме точка смеси лежит на прямой 1-2 и делит её на отрезки, обратно пропорциональные смешиваемым количествам воздуха:

Возможен случай, когда точка смеси 3* окажется ниже линии φ=100%. В этом случае процесс смешения сопровождается конденсацией части содержащегося в смеси водяного пара и точка смеси 3 будет лежать на пересечении линий i_3*=const и φ=100%.

На представленном сайте на странице “Расчёты” можно рассчитать до 8 состояний влажного воздуха с построением лучей процессов на i-d диаграмме.

Чтобы определить начальное состояние, нужно указать два параметра из четырёх (t, φ, d, i) и расход сухого воздуха L_с*. Расход задаётся в предположении плотности воздуха 1,2 кг/м³. Отсюда определяется массовый расход сухого воздуха, используемый в дальнейших вычислениях. В выходную таблицу выводятся фактические значения объёмного расхода воздуха, соответствующие реальной плотности воздуха.

Новое состояние можно вычислить, определив процесс и задав конечные параметры.

На диаграмме отображаются следующие процессы: нагрев, охлаждение, адиабатическое охлаждение, пароувлажнение, смешение и общий процесс, определяемый двумя любыми параметрами.

Процесс	Обозначение	Описание
Нагрев	O	Вводится заданная конечная температура, либо заданная тепловая мощность.
Охлаждение	C	Вводится заданная конечная температура, либо заданная холодильная мощность. Этот расчет основан на допущении, что температура поверхности охладителя остается неизменной, и начальные параметры воздуха стремятся в точку с температурой поверхности охладителя при φ=100%. Как будто происходит смешение воздуха начального состояния с полностью насыщенным воздухом у поверхности охладителя.
Адиабатическое охлаждение	A	Вводится заданная конечная относительная влажность, либо влагосодержание, либо температура.
Пароувлажнение	P	Вводится заданная конечная относительная влажность, либо влагосодержание.
Общий процесс	X	Вводятся значения двух параметров из четырёх (t, φ, d, i), являющиеся конечными для заданного процесса.
Смешение	S	Этот процесс определяется без задания параметров. Используются два предыдущих значения расхода воздуха. Если при смешении достигается максимально допустимое влагосодержание, то происходит адиабатическая кондесация водяных паров. В результате вычисляется количество сконденсированной влаги.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГАХПТ, 1998. – 146 c.

2. Справочное пособие АВОК 1-2004. Влажный воздух. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2004. – 46 с.

3. ASHRAE Handbook. Fundamentals. – Atlanta, 2001.