Basic overview of air compressor thermodynamics
21 aprile, 2022
To better understand the physics of air compressor thermodynamics and heat generation, this article discusses the main principles and two gas laws.
Flussi di gas nei tubi e strozzamento
La termodinamica è un campo molto interessante della fisica, specialmente per approfondire la conoscenza dei compressori dell'aria. Facendo seguito alla precedente introduzione alla termodinamica, questo articolo descrive i flussi di gas e il loro strozzamento.
Il numero di Reynolds
Il numero di Reynolds è un rapporto adimensionale fra inerzia e attrito in un mezzo che fluisce.Esso è definito come segue:
Quali sono i diversi tipi di flusso in un tubo?
In linea di principio, esistono due tipologie di flusso in un tubo. Se Re < 2.000 le forze viscose sono dominanti all'interno dell'aria compressa, e il flusso diventa laminare. Ciò significa che i vari strati dell'aria compressa si muovono in modo ordinato l'uno rispetto all'altro. La distribuzione della velocità fra gli strati laminari assume di solito una forma parabolica. Quando Re ≥ 4.000 il comportamento dell'aria compressa che fluisce è dominato dalle forze di inerzia, e il flusso diventa turbolento, con particelle che si muovono ovunque in modo casuale al suo interno. La distribuzione della velocità in uno strato con un flusso turbolento diventa diffusa. Nell'intervallo critico fra Re ≥ 2.000 e Re ≤ 4.000, le condizioni del flusso sono indeterminate, vale a dire laminari, turbolente o una combinazione delle due, e sono determinate da fattori quali la levigatezza della superficie del tubo o la presenza di altri disturbi. Per muovere un flusso in un tubo, occorre una definita differenza di pressione per vincere l'attrito presente nel tubo stesso e nei raccordi. L'entità della differenza di pressione dipende dal diametro, dalla lunghezza e dalla forma del tubo, nonché dalla levigatezza della sua superficie e dal numero di Reynolds.
Che cos'è l'effetto Joule-Thomson?
Quando un gas ideale fluisce attraverso un limitatore di efflusso, con una pressione costante a monte e a valle del medesimo, la temperatura rimane costante. Si verifica tuttavia una caduta di pressione a cavallo del limitatore di efflusso, in quanto l'energia interna viene trasformata in energia cinetica. Tale trasformazione causa una diminuzione della temperatura. Nel caso dei gas reali, la variazione della temperatura diventa permanente, anche se il contenuto energetico del gas rimane costante. Si tratta del cosiddetto effetto Joule-Thomson. La variazione della temperatura è uguale a quella della pressione a cavallo della strozzatura, moltiplicata per il coefficiente di Joule-Thomson.
Se il mezzo che fluisce ha una temperatura sufficientemente bassa (≤ +329 °C per l'aria), la stessa diminuisce a causa dello strozzamento a cavallo del limitatore di efflusso, mentre se il mezzo che fluisce è più caldo si verifica invece un aumento della temperatura. Tale situazione viene utilizzata in varie applicazioni tecniche, ad esempio nella tecnologia di refrigerazione e nella separazione dei gas.
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