Рассмотрим систему сжатого воздуха для промышленного предприятия. Требуемое давление воздуха перед потребителями - 0,7 МПа(и), температура точки росы воздуха - минус 40 °C.
Для транспортировки сжатого воздуха проектировщик предписал использовать трубы из нержавеющей стали. Возник вопрос - можно ли для этой цели (при условии отсутствия в сжатом воздухе следов компрессорного масла) использовать также неподверженные коррозии, но более дешёвые пластиковые трубы?
Разновидностей пластиковых труб много. В ГОСТ 32415-2013 ТРУБЫ НАПОРНЫЕ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ К НИМ ДЛЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ перечислены следующие материалы из которых могут быть сделаны пластиковые трубы:
РЕ (ПЭ) - полиэтилен;
PVC-U (НПВХ) - непластифицированный поливинилхлорид;
РР-Н (ПП-Г или ПП тип 1) - полипропилен гомополимер;
РР-В (ПП-Б или ПП тип 2) - полипропилен блоксополимер;
PP-R (ПП-Р или ПП тип 3) - полипропилен рандомсополимер;
PP-RCT (ПП тип 4) - полипропилен рандомсополимер повышенной термостойкости с модифицированной кристалличностью;
РЕ-Х (ПЭ-С) - сшитый полиэтилен;
РВ (ПБ) - полибутен;
PVC-C (ХПВХ) - хлорированный поливинилхлорид;
PE-RT (ПЭ-ПТ) - полиэтилен повышенной термостойкости.
В процессе изучения вопроса о возможности использования пластиковых труб для транспортировки сжатого воздуха выяснилось, что пластиковые трубы (в отличии от металлических) подвержены диффузионной проницаемости водяного пара. Это означает, что через пластиковые трубы в сжатый сухой воздух из окружающей среды может проникать содержащийся в наружном воздухе водяной пар, тем самым увеличивая влагосодержание рабочего воздуха.
На первый взгляд проблема кажется надуманной, т.к. абсолютное давление воздуха в трубопроводе составляет 0,8 МПа, а давлении снаружи трубопровода всего 0,1 МПа, и, кажется, что водяной пар должен выталкиваться и просачиваться через стенки трубы изнутри наружу, а не наоборот.
Но направление и интенсивность движения газа (водяного пара) из одной области в другую зависит не от разницы суммарных давлений газовой смеси, а от разницы парциальных давлений этого газа.
Парциа́льное давление (лат. partialis «частичный» от pars «часть») — давление, оказываемое компонентом газовой смеси, при условии удаления других компонентов из занимаемого объёма и сохранении этого объёма и текущей температуры. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов.
Парциальное давление газа измеряется как термодинамическая активность молекул газа. Газы всегда будут перетекать из области с высоким парциальным давлением в область с более низким парциальным давлением, и чем больше разница, тем быстрее будет поток. Газы растворяются, диффундируют и реагируют в соответствии с их парциальным давлением.
Воздух - это газовая смесь азота, кислорода, водяного пара, аргона и углекислого газа. Давление воздуха - сумма парциальных давлений его компонентов.
Найдём парциальное давление водяного пара в сжатом воздухе, находящемся внутри трубопровода, и в окружающей среде. Для этого используем ранее разработанный модуль wetairprops [1].
Расчёты приведены в полной версии данной статьи [2], здесь представлены результаты расчётов.
Окружающий воздух
Давление 100 000 Па, температура 20 °C, относительная влажность 60%.
Сжатый воздух.
Давление 0,8 МПа, температура точки росы минус 40 °C.
Температура точки росы - температура при заданном давлении воздуха при достижении которой (в процессе уменьшения температуры воздуха) начинается процесс конденсации содержащегося в воздухе водяного пара (относительная влажность воздуха достигает 100%).
Обращаю внимание, что температура точки росы, которая в ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016 является показателем чистоты воздуха по влажности, определяется при стандартных условиях (абсолютное давление 100 000 Па = 1 бар), а не при рабочем давлении сжатого воздуха (в нашем случае 0,8 МПа).
Температура точки росы при указанном давлении - это один из способов задать влагосодержание воздуха.
При атмосферном давлении и температуре точки росы минус 40 °C влагосодержание воздуха составит 0,0797 г водяного пара/кг сухого воздуха. Но при абсолютном давлении 8 бар температура точки росы воздуха с указанным влагосодержанием будет минус 20,0 °C. Это означает, что охлаждение воздуха давлением 8 бар(а) и температурой точки росы минус 40 °C (по ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016) до температуры ниже минус 20,0 °C приведёт к выпадению конденсата.
Из приведённого в [2] расчёта следует, что для заданных выше условий разница парциальных давлений водяного пара в окружающем воздухе снаружи трубопровода и в сжатом воздухе внутри трубопровода составляет 1319 Па, т.е. давление водяного пара снаружи трубопровода выше давления водяного пара внутри трубопровода на 1,3 кПа.
Резюме
Чтобы определить, возможна ли диффузия водяного пара из окружающего воздуха в воздух внутри трубопровода, нужно вычислить разность парциальных давлений водяного пара снаружи и внутри трубопровода. Положительное значение разности указывает на наличие такой возможности, нулевое и отрицательное — на её отсутствие. Интенсивность диффузии зависит от:
- Величины разности парциальных давлений водяного пара;
- Степени проницаемости для водяного пара стенок труб;
- Времени, в течении которого происходит диффузия t=L/v, где L - длина трубопровода, м; v - скорость движения воздуха внутри трубопровода, м/с. При наличии диффузии её интенсивность по мере движения воздуха по трубопроводу будет уменьшается ввиду уменьшения разности парциальных давлений пара в связи с увеличением влагосодержания сжатого воздуха.
Определив степень увеличения влагосодержания (а значит и температуры точки росы, которая является показателем качества) сжатого воздуха за время его пути от ресивера до потребителя, можно сделать ввод о приемлемости использования рассматриваемых паропроницаемых труб.
Ссылки
1. Модуль для расчёта свойств влажного воздуха
2. Полная версия статьи в формате Jupyter Notebook