Пластиковые трубы в системах сжатого воздуха: риск увеличения влагосодержания из‑за диффузии водяного пара¶

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].

In [14]:

from wetairprops import calc_d, calc_RH_d, calc_p_st_d, calc_t_dp  # см. [1]

Стандартные условия для воздуха (ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016)¶

In [15]:

t_ст = 20   # температура, С
p_ст = 100_000  # давление, Па
RH_ст = 0   # относительная влажность

Окружающий воздух¶

In [3]:

t_окр = t_ст # Температура окружающего воздуха, C
p_окр = p_ст # Давление окружающего воздуха, Па
RH_окр = 0.6  # Относительная влажность окружающего воздуха, %/100%

In [4]:

d_окр = calc_d(t_окр, RH_окр, p_окр)
d_окр  # содержание влаги в окружающем воздухе, г водяного пара / кг сухого воздуха

Out[4]:

8.833993431838184

Температура точки росы окружающего воздуха (для справки)

In [5]:

t_тр_окр = calc_t_dp_d(d_окр, p_окр)
t_тр_окр  # С

Out[5]:

12.007469891841527

In [6]:

p_парц_окр = calc_p_st_d(d_окр)
p_парц_окр  # Парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па

Out[6]:

1421.8757094599773

Сжатый воздух¶

In [7]:

p_сж = 800_000  # Абсолютное давление сжатого воздуха, Па
t_тр_сж = -40  # температура точки росы, С

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.

In [8]:

d_сж = calc_d(t_тр_сж, 1., p_ст)
d_сж  # влагосодержание в сжатом воздухе с температурой точки росы минус 40 С, г водяного пара / кг сухого воздуха

Out[8]:

0.07973937633337363

Определим температуру точки росы сжатого воздуха при абсолютном давлении 8 бар. При охлаждении воздуха давлением 8 бар(а) ниже найденного значения, будет выпадать конденсат.

In [9]:

t_тр_сж_8 = calc_t_dp_d(d_сж, p_сж)
t_тр_сж_8  # C

Out[9]:

-20.050404071231306

In [10]:

p_парц_сж = calc_p_st_d(d_сж, p_сж)
p_парц_сж  # Парциальное давление пара в сжатом воздухе, Па

Out[10]:

102.761994432845

In [11]:

dp = p_парц_окр - p_парц_сж
dp  # Перепад парциального давления пара снаружи и внутри трубопровода сжатого воздуха, Па

Out[11]:

1319.1137150271322

При падении даления воздуха внутри трубопровода до значения внешнего давления (1 бар) парциальное давление водяного пара внутри трубопровода уменьшится в p_сж/p_окр раз и составит

In [12]:

p_парц_сух = calc_p_st_d(d_сж, p_окр)  # парциальное давление пара, Па
p_парц_сух, p_парц_сж * p_окр / p_сж  # для проверки давление найдено двумя разными способами

Out[12]:

(12.845249304105625, 12.845249304105625)

In [13]:

p_парц_окр - p_парц_сух  # Перепад парциального давления пара снаружи и внутри трубопровода сжатого воздуха, Па

Out[13]:

1409.0304601558717

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 воздуха) сжатого воздуха за время его пути от ресивера до потребителя, можно сделать ввод о приемлемости использования рассматриваемых паропроницаемых труб.

Ссылки ¶