Teoria, wzory, zastosowanie i praktyka w kontekście komponentów pneumatycznych

Czym jest prawo Gay-Lussaca?

Prawo Gay-Lussaca (nazywane też II prawem Gay-Lussaca lub prawem izochorycznym) opisuje związek między ciśnieniem a temperaturą gazu przy stałej objętości.

Wzór matematyczny:

lub inaczej:

p∼T (przy V = const)

Gdzie:

• p – ciśnienie gazu,

• T – temperatura bezwzględna (w kelwinach),

• V – objętość stała (niezmienna, np. zamknięty siłownik),

• indeksy 1 i 2 oznaczają stany początkowy i końcowy.

Znaczenie fizyczne:

Jeśli gaz (np. sprężone powietrze) jest ogrzewany w zamkniętej objętości, jego ciśnienie rośnie proporcjonalnie do temperatury. W pneumatyce oznacza to, że np. niewłaściwe chłodzenie zbiornika czy przewodu może prowadzić do wzrostu ciśnienia powyżej poziomu bezpiecznego.

Prawo Gay-Lussaca w praktyce pneumatycznej

Chociaż klasyczne prawo Gay-Lussaca dotyczy idealnego gazu w zamkniętej objętości, jego skutki można obserwować również w rzeczywistych układach pneumatycznych, szczególnie tam, gdzie:

• powietrze ulega sprężaniu lub ekspansji,

• objętość robocza jest chwilowo stała (np. zamknięty tłok w siłowniku),

• dochodzi do gwałtownych zmian temperatury (np. podczas szybkiego tłoczenia),

• występują różnice temperatur pomiędzy medium a otoczeniem (np. zimą na zewnątrz hali).

Aplikacje przemysłowe, w których występuje efekt Gay-Lussaca

1. Siłowniki pneumatyczne

Gdy siłownik wykonuje ruch i zatrzymuje się, a zawory pozostają zamknięte, powietrze w komorze nie może się przemieścić – objętość jest stała. Jeżeli temperatura wzrośnie (np. przez nagrzanie elementu przez maszynę), ciśnienie w komorze rośnie – zgodnie z prawem Gay-Lussaca. Może to:

• zaburzyć pozycję tłoka (nawet przy wyłączonym zasilaniu),

• doprowadzić do niekontrolowanego przemieszczenia.

Efekt cieplny sprężonego powietrza w siłownikach

W czasie pracy siłownika pneumatycznego, powietrze w jego komorach często ulega krótkotrwałemu zatrzymaniu — np. gdy zawór rozdzielający jest zamknięty, a tłok czeka na kolejne polecenie. Jeśli w tym czasie wzrośnie temperatura (np. wskutek bliskości źródeł ciepła, promieniowania IR lub nagrzewania konstrukcji), zgodnie z prawem Gay-Lussaca:

• ciśnienie wzrasta proporcjonalnie do temperatury,

• może dojść do niekontrolowanego ruchu tłoka lub przeciążenia uszczelnień,

• w skrajnych przypadkach – do awarii zaworów lub uszkodzeń siłownika.

Dlatego w instalacjach narażonych na wysokie wahania temperatur stosuje się zawory odpowietrzające lub zawory z funkcją upustu nadciśnienia.

2. Zbiorniki na sprężone powietrze

Zamknięte zbiorniki magazynujące sprężone powietrze, zwłaszcza umieszczone w pobliżu źródeł ciepła, mogą doświadczyć wzrostu ciśnienia wraz ze wzrostem temperatury — co wymaga zastosowania:

• zaworów bezpieczeństwa,

• czujników temperatury i ciśnienia,

• monitoringu warunków środowiskowych.

Wpływ efektu Gay-Lussaca na rozmiarowanie zbiorników

Podczas projektowania zbiorników sprężonego powietrza, warto uwzględnić wpływ temperatury otoczenia na ciśnienie gazu. Przykładowo:

Jeśli zbiornik 300 litrów jest napełniony do 8 bar przy 20°C, to w przypadku wzrostu temperatury do 50°C, nowe ciśnienie wyliczamy:

Oznacza to wzrost o niemal 0,8 bara – co może przekroczyć dopuszczalne ciśnienie zbiornika, jeśli nie zastosujemy zaworu bezpieczeństwa.

3. Systemy chłodzenia i grzania

Układy transportujące sprężone powietrze przez różne strefy temperaturowe (np. przez piec, strefę zamrażania, halę zewnętrzną) narażone są na dynamiczne zmiany temperatury → wpływa to na zmiany ciśnienia, przepływu i dokładność działania układu.

Produkty Pneumat System wspierające zarządzanie ciśnieniem i temperaturą

Siłowniki pneumatyczne

Firma Pneumat System oferuje szeroki wybór siłowników zgodnych z ISO 15552, ISO 6432 i kompaktowych, które:

• mają odpowiednią tolerancję na zmiany temperatury,

• są dostępne w wersjach z tłoczyskiem ze stali nierdzewnej (dla aplikacji zewnętrznych),

• mogą być wyposażone w czujniki położenia – ważne przy kontrolowaniu nieplanowanych przemieszczeń spowodowanych wzrostem ciśnienia.

Zawory bezpieczeństwa i reduktory

Prawo Gay-Lussaca pokazuje, że wzrost temperatury to potencjalny wzrost ciśnienia – dlatego w ofercie Pneumat System znajdują się:

• reduktory ciśnienia z kompensacją temperatury,

• zawory bezpieczeństwa,

  

• zawory upustowe i ciśnieniowe,

• czujniki ciśnienia z wyjściem analogowym i cyfrowym.

Filtry, osuszacze, kontrolery

Zmiany temperatury wpływają też na kondensację – wilgoć może się wytrącać przy nagłym spadku temperatury. Pneumat System zapewnia:

• osuszacze ziębnicze i osuszacze adsorpcyjne,

• filtry wstępne i filtry dokładne,

• jednostki przygotowania powietrza (FRL) z odwadniaczami automatycznymi.

Jak ograniczyć negatywne skutki efektu Gay-Lussaca?

1. Stosuj armaturę kompensującą zmiany temperatury – reduktory i zawory proporcjonalne.

2. Dobieraj komponenty do warunków środowiskowych – siłowniki o wysokim zakresie temperaturowym.

3. Monitoruj ciśnienie i temperaturę – wykorzystując czujniki i presostaty.

4. Stosuj zawory bezpieczeństwa – zwłaszcza w zbiornikach i odcinkach zamkniętych.

5. Izoluj układy narażone na silne zmiany temperatury – fizycznie lub przez zmianę lokalizacji.

Case Study: Linia pakowania w zakładzie mleczarskim

Problem:

W zakładzie produkcyjnym dochodziło do nieregularnego działania siłowników na linii zgrzewającej kartony z mlekiem. Diagnostyka wykazała:

• losowe przesunięcia tłoka przy braku sygnału,

• drobne rozszczelnienia,

• wzrost ciśnienia w komorach po postoju maszyny.

Analiza:

Wina leżała w efekcie prawo Gay-Lussaca – linia znajdowała się w nasłonecznionej części hali, a temperatura powietrza w zamkniętych komorach wzrastała o 15–20°C. Skutkowało to wzrostem ciśnienia nawet o 0,7 bara przy braku odpływu powietrza.

Rozwiązanie:

• zastosowano siłowniki z odpowietrzeniem i tłumieniem,

• dodano zawory nadmiarowe i czujniki temperatury,

• przeprojektowano strefę – izolując ją termicznie.

Efekt:

Eliminacja usterek i wzrost niezawodności procesu pakowania.

Autor:
Magdalena Skotnica
Doradca ds.
techniczno-handlowych
Pneumat.

Autor:
Magdalena Skotnica
Doradca ds.
techniczno-handlowych
Pneumat.