Zjawisko termodynamiczne Charlesa – zasada, teoria, wzór, zastosowanie

Czym jest prawo Charlesa?

Prawo Charlesa, znane również jako prawo Gay-Lussaca (chociaż to drobne uproszczenie historyczne), głosi:

Przy stałym ciśnieniu objętość danego gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej (Kelvina).

Matematycznie zapisujemy to równaniem:

gdzie:

• V1, V2 – objętości gazu w dwóch różnych stanach,

• T1, T2 – temperatury w tych stanach (wyrażone w Kelwinach).

W prostszej formie:

V ∝ T

Oznacza to, że podgrzanie gazu powoduje jego rozszerzenie, natomiast ochłodzenie prowadzi do zmniejszenia objętości, o ile ciśnienie pozostaje stałe.

Znaczenie prawa Charlesa w pneumatyce

W teorii prawo Charlesa wydaje się oczywiste, jednak w praktyce przemysłowej jego wpływ jest niezwykle istotny. Pneumatyka to technologia, w której powietrze (lub inne gazy) jest sprężane, przechowywane, transportowane i rozprężane. Każda zmiana temperatury ma więc wpływ na:

• objętość powietrza w zbiornikach i przewodach

• ciśnienie w układach zamkniętych

• wydajność sprężarek i osuszaczy

• dokładność i powtarzalność pracy siłowników pneumatycznych

• bezpieczeństwo instalacji

Przykład praktyczny

Wyobraźmy sobie zbiornik ciśnieniowy o objętości 100 litrów wypełniony powietrzem o ciśnieniu atmosferycznym (1 bar abs.) w temperaturze 20°C (293 K). Jeśli temperatura wzrośnie do 60°C (333 K), a ciśnienie pozostanie stałe, objętość powietrza wzrosłaby proporcjonalnie:

W praktyce, jeśli zbiornik jest zamknięty (sztywna objętość), wzrost temperatury podniesie ciśnienie wewnątrz zbiornika, co może prowadzić do zagrożeń – dlatego układy pneumatyczne muszą być projektowane z uwzględnieniem zmian temperatur.

Skutki przemysłowe zmian objętości gazu przy ogrzewaniu

1. Precyzja działania elementów wykonawczych

Siłowniki pneumatyczne działają w oparciu o ciśnienie i objętość powietrza. Wzrost temperatury może spowodować wzrost objętości sprężonego powietrza w siłowniku, a tym samym zwiększenie siły generowanej na tłoczysku. Może to skutkować nadmiernym wysuwem siłownika lub uszkodzeniem elementów mechanicznych.

2. Zmiany ciśnienia w instalacjach

W instalacjach zamkniętych zmiana temperatury bezpośrednio wpływa na ciśnienie (wg prawa Gay-Lussaca, które jest powiązane z prawem Charlesa). To zjawisko wymaga stosowania:

• zaworów bezpieczeństwa,

• kompensacji temperaturowej,

• elementów elastycznych, np. kompensatorów.

3. Wydajność urządzeń

Sprężarki zasysają określoną ilość powietrza. Gdy temperatura wzrasta, powietrze staje się mniej gęste, co zmniejsza masowy przepływ powietrza w sprężarce. Oznacza to niższą wydajność sprężarki w gorące dni.

4. Kondensacja pary wodnej

Podgrzanie gazu zwiększa jego zdolność do zatrzymywania pary wodnej w postaci gazowej. Jednak po ochłodzeniu może nastąpić kondensacja, prowadząc do problemów w instalacjach pneumatycznych (korozja, uszkodzenia siłowników). Dlatego tak istotne są osuszacze oraz separatory kondensatu.

Prawo Charlesa w projektowaniu układów pneumatycznych

Profesjonalni producenci, tacy jak Festo, uwzględniają prawo Charlesa i zjawiska termodynamiczne w projektowaniu swoich komponentów.

Festo – jak wykorzystuje prawo Charlesa?

1. Siłowniki pneumatyczne

Festo oferuje siłowniki, np. z serii DSBC, które są projektowane z uwzględnieniem zmian temperatury. Podawany w katalogach zakres temperatur pracy (np. -20°C do +80°C) uwzględnia wpływ rozszerzalności gazu na siłę działania tłoczyska.

2. Zawory proporcjonalne

Zawory proporcjonalne, jak Festo VPPE czy VPPM, kontrolują przepływ powietrza w sposób ciągły. Aby zachować precyzję, sterownik elektroniczny musi kompensować zmiany objętości gazu wynikające z wahań temperatury.

3. Osuszacze sprężonego powietrza

Festo oferuje osuszacze chłodnicze i adsorpcyjne, które eliminują skropliny powstające przy ochłodzeniu gazu po jego podgrzaniu (np. w sprężarkach). To rozwiązanie ogranicza ryzyko korozji.

4. Systemy przygotowania powietrza

Festo ma w ofercie systemy przygotowania powietrza, takie jak MS Series, które wyposażone są w filtry, regulatory ciśnienia oraz moduły monitorujące warunki pracy, w tym temperaturę. Dzięki temu można kompensować skutki rozszerzalności gazów.

5. Symulacje i oprogramowanie

Festo oferuje narzędzia symulacyjne, np. Festo FluidSIM, które uwzględniają wpływ temperatury na objętość gazu. Inżynierowie mogą dzięki temu przeanalizować zachowanie układu przed jego fizycznym zbudowaniem.

Przykład zastosowania – praktyczne case study

Firma produkująca urządzenia pakujące w przemyśle spożywczym stosuje siłowniki pneumatyczne Festo. Maszyny działają w hali, w której temperatura waha się od +10°C zimą do +45°C latem. Inżynierowie zidentyfikowali problem: w lecie maszyny działają szybciej, co skutkuje nadmiernym wysuwem tłoczysk. Analiza wykazała, że przy wzroście temperatury o 35°C, objętość sprężonego powietrza w cylindrze wzrosła o ponad 10%. Rozwiązaniem było:

• zastosowanie zaworów proporcjonalnych Festo VPPM, które automatycznie regulują ciśnienie,

• wprowadzenie sensorów temperatury w układach sterujących,

• stosowanie sprężarek z regulacją wydajności, które dostosowują sprężone powietrze do warunków temperaturowych.

Efekt? Stabilna praca maszyn przez cały rok, bez konieczności ręcznych korekt.

Autor:
Ekspert Pneumat.
Pneumat.

Autor:
Ekspert Pneumat.
Pneumat.