Загальні відомості про застосування газів у техніці

Будь-який об’єкт, у якому використовується газоподібна речовина, можна віднести до газових систем. Оскільки найбільш доступним газом є повітря, що складається із суміші безлічі газів, то його широке застосування для виконання різноманітних процесів обумовлено самою природою. У перекладі з грецького pneumatikos – повітряний, чим і пояснюється етимологічне походження назви пневматичні системи. У технічній літературі часто використовується більше короткий термін – пневматика.

Пневматичні пристрої почали застосовувати ще в далекій давнині (повітряні двигуни, музичні інструменти, ковальські міхи та ін.), але найбільше поширення вони одержали внаслідок створення надійних джерел пневматичної енергії – нагнітачів, здатних надавати газам необхідний запас потенційної й (або) кінетичної енергії.

Пневматичний привод, що складається з комплексу пристроїв для приведення в дію машин і механізмів, є далеко не єдиним напрямом використання повітря (у загальному випадку газу) в техніці й життєдіяльності людини. На підтвердження цього положення коротко розглянемо основні види пневматичних систем, що відрізняються як за призначенням, так і за способом використання газоподібної речовини.

За наявності й за причиною руху газу всі системи можна розділити на три групи.

До першої групи належать системи із природною конвекцією (циркуляцією) газу (найчастіше повітря), де рух і його напрямок обумовлений градієнтами температури й щільності природного характеру, наприклад, атмосферна оболонка планети, вентиляційні системи приміщень, гірських виробок, газоходів і т.п.

До другої групи відносять системи із замкнутими камерами, що не з’єднуються з атмосферою, у яких може змінюватися стан газу внаслідок зміни температури, об’єму камери, наддування або відсмоктування газу. До них належать різні ємності, що акумулюють (пневмобалони), пневматичні гальмові пристрої (пневмобуфери), всілякі еластичні надувні пристрої, пневмогідравлічні системи паливних баків літальних апаратів та ін. Прикладом пристроїв із використанням вакууму в замкнутій камері можуть бути пневмозахвати (пневмоприсоски), які найбільш ефективні для переміщення штучних листових виробів (папір, метал, скло, пластмаса й т.п.) в умовах автоматизованого та роботизованого виробництва.

До третьої групи варто віднести такі системи, де для виконання робіт використовується енергія попередньо стисненого газу. У таких системах газ переміщається по магістралях з відносно великою швидкістю й має значний запас енергії. Вони можуть бути циркуляційними (замкнутими) і безциркуляційними. У циркуляційних системах відпрацьований газ вертається по магістралях до нагнітача для повторного використання (як у гідроприводі). Застосування систем досить специфічне, наприклад, коли неприпустимі витоки газу в навколишній простір або неможливе використання повітря через його окисні властивості. Приклади таких систем можна знайти в кріогенній техніці, де як енергоносій застосовуються агресивні, токсичні гази чи летучі рідини (аміак, пропан, сірководень, гелій, фреони й ін.).

У безциркуляційних системах газ може бути використаний споживачем як хімічний реагент (наприклад, у зварювальному виробництві, у хімічній промисловості) або як джерело пневматичної енергії. В останньому випадку як енергоносій звичайно служить повітря. Виділяють три основних напрями застосування стисненого повітря.

До першогоналежать технологічні процеси, де повітря виконує безпосередньо операції обдування, осушування, розпилення, охолодження, вентиляції, очищення й т.п. Дуже широке розповсюдження одержали системи пневмотранспортування по трубопроводах, особливо в легкій, харчовій, гірничодобувній галузях промисловості. Штучні й кускові матеріали транспортуються в спеціальних посудинах (капсулах), а пилоподібні в суміші з повітрям переміщаються на відносно більші відстані аналогічно текучим речовинам.

Другий напрям – використання стисненого повітря в пневматичних системах керування (ПСК) для автоматичного керування технологічними процесами (системи пневмоавтоматики). Цей напрям отримав інтенсивний розвиток із 60-х років ХХ ст. завдяки створенню універсальної системи елементів промислової пневмоавтоматики (УСЕППА). Широка номенклатура УСЕППА (пневматичні датчики, перемикачі, перетворювачі, реле, логічні елементи, підсилювачі, струминні пристрої, командоапарати й т.д.) дозволяє реалізувати на її базі релейні, аналогові й аналого-релейні схеми, які за своїми параметрами близькі до електротехнічних систем. Завдяки високій надійності вони широко використовуються для циклового програмного керування різними машинами, роботами у великосерійному виробництві, у системах керування рухом мобільних об’єктів.

Третім напрямом застосування пневмоенергії, найбільш масштабним за потужністю, є пневматичний привід, що у науковому плані є одним із розділів загальної механіки машин. Біля джерел теорії пневматичних систем стояв І.І. Артоболевський. Він був керівником Інституту машинознавства (ІМАШ) у Ленінграді, де під його керівництвом у 40 – 60-х роках систематизувалися й узагальнювалися накопичені відомості з теорії й проектування пневмосистем. Однією з перших робіт із теорії пневмосистем була стаття А.П. Германа "Застосування стисненого повітря в гірничій справі", опублікована в 1933 р., де вперше рух робочого органа пневмопристрою вирішується разом із термодинамічним рівнянням стану параметрів повітря.

Значний внесок у теорію й практику пневмоприводів зробили вчені Б.Н. Бежанов, К.С. Борисенко, І.А. Бухарін, А.І. Вощинін, Е.В. Герц, Г.В. Крейнін, А.І. Кудрявцев, В.А. Марутов, В.І. Мостков, Ю.А. Цейтлін та інші.