Что такое газовая смесь

Газовые смеси

На практике приходится встречаться как с индивидуальными газами, так и с газовыми смесями. К таким газовым смесям относятся следующие: воздух (атмосферный воздух состоит из кислорода, азота и некоторых других газов), дымовые газы (содержат, как правило, азот, диоксид углерода (углекислый газ), пары воды, сернистый газ и т.д.). В термодинамике изучают газовые смеси, представляющие собой механическую смесь различных газов, между которыми отсутствует химическая реакция, т.е. газовые смеси, не изменяющие своего состава. К таким смесям относятся окружающий нас воздух, состоящий из азота, кислорода, углекислого газа и т.д., природный газ, состоящий из метана и др. углеводородов. Газовыми смесями являются также продукты сгорания различных веществ на пожаре, в двигателях внутреннего сгорания, в топке паровых котлов. Некоторые газовые смеси являются взрывоопасными при определённой концентрации. Следовательно, при расчётах пожарной безопасности необходимо знание и использование законов для газовых смесей.

Закон Дальтона.

Индивидуальный газ, входящий в состав газовой смеси называется компонентом газовой смеси.

Каждый компонент смеси, оказывает на стенки сосуда такое давление, какое он имел бы, если бы он занимал при данной температуре весь объём газовой смеси. Такое давление называется парциальным.

Английский физик и химик Джон Дальтон (1766-1844) в 1801 г. экспериментально установил связь между парциальными давлениями отдельных газов и давлением смеси в целом. При постоянно температуре полное давление смеси нескольких газов равно сумме их парциальных давлений.

,

где P_i – парциальное давление i–го газа; п – количество газов, составляющих газовую смесь.

Закон Дальтона широко используется для описания газовых смесей и справедлив для идеальных газов. Чем выше давление смеси, т.е. чем дальше газы от идеального состояния, тем большие отклонения от закона Дальтона наблюдается в поведении газовой смеси.

Способы задания смеси газов.

Состав газовой смеси может быть охарактеризован массовыми, объёмными и мольными долями.

Газовая смесь, заданная массовым составом, характеризуется массовыми долями. Массовой долей называется отношение массы i-го газа к общей массе смеси:

,

где g_i – массовые доли; m_i – масса i-го газа; т – масса газовой смеси.

Массовая доля может быть выражена как в долях, так и в процентах. При умножении g_i на 100% получим массовую долю, выраженную в %.

Очевидно, что масса газовой смеси равна сумме масс всех входящих в неё газов (т.е. является аддитивной величиной):

Определим сумму массовых долей отдельных газов:

,

т.е. сумма массовых долей входящих в смесь газов равна 1 (или 100%).

Газовая смесь, заданная объёмным составом, характеризуется объёмными долями. Объёмная доля каждого газа выражается отношением.

,

где r_i – объёмная доля i-го газа; V_i – парциальный объём i-го газа; V – объём смеси газов.

Парциальным объёмом i-го газа называют объём, который занимал бы i-й газ, при температуре и давлении, равном температуре и давлению смеси газов.

Сумма парциальных объёмов газа, составляющих смесь равна объёму смеси газов (Закон Амага).

Сумма объёмных долей газов, составляющих смесь, равна 1.

По аналогии с массовыми долями, объёмные доли м. б. выражены также в процентах.

Газовая смесь, заданная мольным составом, характеризуется мольными долями. Мольной долей называется отношение количества моль i–го газа к общему числу моль газов, составляющих смесь:

где y_i – мольная доля i–го газа; n_i – число моль i–го газа; n – общее число моль газовой смеси.

Вполне очевидно, что сумма моль всех газов, составляющих смесь, равна общему числу моль газовой смеси, т.е.

Сумма мольных долей смеси газов равна 1.

Если известен массовый состав смеси, то по нему можно найти её мольный состав. Массы отдельных газов m_i и полную массу смеси т можно выразить через число моль следующим образом:

Мольный состав газовой смеси совпадает с её объёмным составом. Так при одинаковых давлениях и температурах молярные объёмы газов одинаковы, то можно записать:

Для всей газовой смеси V = V_m n

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим

или r_i = y_i

На практике часто необходим взаимный пересчёт из массовых и объёмных долей. Рекомендуется использовать следующие выражения:

Источник

Разновидности газовых смесей для сварки полуавтоматом. Классификация, различия и области применения

Выбор необходимой смеси будет зависеть от вида свариваемых материалов.

Какие газовые смеси используются для сварки полуавтоматом

Полуавтоматом чаще всего работают:

Работа с другими материалами затруднена тем, что нет соответствующей присадочной проволоки, поставляемой в стандартных катушках. Создают смеси в соответствии с ТУ 2114-002-45905715-2011.

В качестве составных газов применяют:

Допускается использование готовых смесей, однако, содержание компонентов в полученной смеси должно соответствовать техническим регламентам.

Краткое описание газов, применяемых при создании смесей

Аргон — бесцветный газ без запаха и вкуса, негорюч и нетоксичен. Однако любая смесь Ar с иными газами может вытеснить кислород из помещения, что способно привести к удушью работников, если доля кислорода упадёт ниже 19% от общего объема. Аргон тяжелее воздушной смеси и способен скапливаться в плохо проветриваемых помещениях у пола.

Азот — газ бесцветный и негорючий. Без запаха и вкуса, нетоксичен. Однако скопление газообразной смеси азота может вызвать кислородную недостаточность и даже удушье при уменьшении концентрации кислорода менее 19% от объёма.

Углекислота — газ без цвета, не воспламеняется и нетоксичен, отличается специфическим кисловатым вкусом. Максимально допустимая концентрация соединения в воздухе рабочей зоны 9 г/м3 (что равно 0,5% объёма). Если концентрация становится больше 5%, то двуокись углерода может оказать вредное влияние на физическое состояние работников. Углекислота в полтора раза тяжелее воздушной смеси и способна скапливаться в непроветриваемых помещениях у пола, в ямах. При снижении концентрации кислорода в воздухе ниже 19% наступает кислородное голодание, удушье.

Гелий — бесцветный газ, не имеет вкуса и запаха, нетоксичен и негорюч, легче смеси воздуха, поэтому накапливается вверху цехов.

Кислород — бесцветный негорючий газ без запаха и вкуса, хотя сам не является токсичным и взрывоопасным, однако, будучи сильным окислителем, значительно повышает предрасположенность иных материалов к горению. Если кислород накапливается в воздухе цехов, это может стать причиной возникновения возгораний и впоследствии — пожаров. Важно, что объемная доля газа в рабочих (производственных) зонах не должна быть более 23%.

Аргон, углекислота и кислород

Углекислый газ (5-20%) и аргон (80-95%) используют для создания неразъёмных соединений из сталей: конструкционных легированных и углеродистых. Плюсы: перенос осуществляется струйно или капельно. Дуга при этом горит стабильно. Если применять смесь с добавлением кислорода (2%), уменьшив содержание углекислого газа до 6%, то сварщику будет легче справиться с тонкими сплавами.

Аргон и гелий

Сочетание гелия (70%) и аргона (30%) позволит работать с любыми толстыми сплавами:

При этом увеличится скорость сварки за счёт исключения операции по предварительному подогреву деталей. Количество дефектов — пористость швов, трещины — будет сведено к минимуму.

Минусом следует считать высокую стоимость таких смесей из-за высокого содержания редкого гелия. Поэтому используют подобные пропорции при сварке особо ответственных конструкций — при создании изделий для космоса или ВПК.

Аргон плюс гелий (по 50%) — смесь считается универсальной инертной. Благодаря этому, можно работать с большинством сплавов — как с цветными, так и чёрными. Состав из 70% аргона и 30% гелия по сравнению с чистым аргоном лучше охлаждает зону сварки, применяется для соединения деталей средней толщины, если нужно получение швов с минимумом дефектов. Смесь из 60% аргона, 38% гелия и 2% углекислоты используют для сварки легированных и конструкционных углеродистых сплавов. Дуга при этом получается стабильной, уменьшается количество брызг.

Аргон и водород

Применяют на производстве при работе с аустенитными (жаропрочными) сплавами. Смесь позволяет улучшить характеристики полученного шва, добиться большей эластичности. Часто применяют при работе во время создания космической и авиатехники. Процент содержания химических элементов зависит от марки сталей.

От чего зависит расход газа при сварке

Установку силы обдува сварочной ванны следует устанавливать, учитывая:

Также придётся принять во внимание условия в цехе или на площадке. При наличии сквозняков, открытого ветра следует либо защищать рабочее место ширмами, либо увеличивать расход газовой смеси.

Для уменьшения расхода газа во время работы следует тщательно проверять соединения шлангов, исправность редукторов, элементов горелки и сварочного полуавтомата.

Источник

Что такое газовая смесь

В практической деятельности чаще всего имеют дело не с однородными газами, а с их смесями: воздух, продукты сгорания топлива, горючие газовые смеси и т.п.. Поэтому в теплотехнике газовые смеси имеют важное значение.

В объеме, занимаемом газовой смесью, каждый газ, входящий в эту смесь, ведет себя так же, как он вел бы себя при отсутствии других составляющих смеси: распространяется по всему объему; создает давление (парциальное), определяемое температурой и объемом на единицу его массы; имеет температуру смеси.

Смесь идеальных газов представляет собой идеальный газ, для которого справедливы законы и полученные для идеальных газов зависимости.

Для идеального газа давление определяется выражением (4.1)

Количество молекул, входящих в данную смесь газов, равно сумме молекул газов, составляющих смесь

Произведение mw 2 =2αT пропорционально абсолютной температуре газа, а поскольку все газы, входящие в смесь, имеют одинаковую температуру, то справедливо равенство

В соответствии с выражениями (4.63) и (4.64) давление для смеси газов можно представить в виде суммы

где P_i— парциальные давления газов, составляющих смесь.

Уравнение (4.65) представляет математическое выражение закона Дальтона (1807 г.), в соответствии с которым, давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь. Парциальное давление это давление, которое создает один из газов, составляющих смесь, при температуре смеси в случае заполнения им всего объема смеси. Парциальное давление это реальносуществующая величина, поскольку каждый отдельный газ в смеси имеет температуру смеси и занимает весь объем смеси. Парциальное давление можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона

Источник

Какая сварочная газовая смесь лучше?

Эффективность высокотемпературной обработки металлов повышают сварочные смеси защитных газов, используемых для создания защитного облака над расплавленным металлом. Специальные газосмеси использовать при сварке гораздо выгоднее, чем чистые газы. Разработано несколько стандартизированных составов, применяемых для углеродистых, низко- и высоколегированных сталей и цветных металлов.

Экспериментально доказано, что смеси повышают качество расплава, снижают количество металлических брызг, увеличивают производительность работы сварщика. Сварочные швы становятся пластичными, заметно стабилизируется горение дуги. Влияние вредных факторов снижается за счет уменьшения задымленности, улучшаются условия труда.

Свойства и назначение

Сварочная смесь, создающая защитное облако над ванной расплава способна оказывать на процесс сварки как положительное, так и отрицательное воздействие. Инертные газы ведут себя по-разному:

Каждый отдельный газ обладает уникальными свойствами, в смеси они нивелируют отрицательное воздействие отдельных компонентов, усиливают положительное влияние. Составы подбирались методом проб и ошибок с целью повышения качества швов и скорости сварки.

В смеси защитные газы намного эффективнее защищают ванну расплава, снижают вероятность образования дефектов.

Смеси газов

Для сварки используют 4 газообразных бесцветных вещества, вытесняющие из рабочей зоны:

Вытеснение газовоздушных компонентов происходит за счет высокой плотности защитных газов, они формируют малоподвижное облако. У всех сварочных смесей газов удельный вес больше, чем у воздуха. Концентрация компонентов подбиралась экспериментальным путем, учитывалось влияние газов на режим сварки. Смеси на основе аргона значительно расширяют возможности сварки, повышают эффективность работы сварщиков. Минимизируют риски образования дефектов в сварочных швах.

Аргон и углекислый газ

Для сваривания цветных металлов, профиля и проката из высоколегированных сталей используется сварочная смесь аргона и углекислоты. Аргон снижает активность углекислоты, а CO₂ увеличивает теплопередачу аргона. Сварка углеродистых и низколегированных сталей в защитном облаке Ar+CO₂ намного эффективнее, чем в каждом отдельном газе. При концентрации углекислоты в пределах 20% толстостенные металлические конструкции провариваются даже при сильной загрязненности поверхности.

Аргон и кислород

Состав применяют для сваривания низколегированных и легированных никелем сталей. При небольшой концентрации кислорода удается избежать пористости швов, аргон препятствует образованию окислов. Комбинация Ar+O₂ применяется с различными видами сварочной проволоки, расширяет возможности сварочного процесса за счет повышения энергии дуги, стабильного горения. Металл быстрее проваривается. Формируются ровные шовные валики при равномерном прогреве присадочного прутка. Прочность соединения увеличивается за счет расширения диффузионного слоя.

Аргон и гелий

Инертные газы сочетают в разных пропорциях. Самые распространенные составы 7:3 и 1:1. Композиция Ar+He используется при работе с различными металлами:

Смесь инертных газов исключает образование окалины, трещин, раковин. Часто применяется в наукоемких отраслях для автоматической сварки, где требуется высокое качество швов.

Аргон и водород

Комбинация Ar+H разрабатывалась для соединения сталей с аустенитной структурой, обладающих жаропрочностью. Смесь обеспечивает эластичность швов, процент водорода зависит от марки стали, львиную долю композиций составляет аргон, формирующий плотное защитное облако.

Аргон и активные газы

Концентрация углекислого газа в подобных газосмесях не превышает 20%, кислорода – 2%. При работе с тонкими видами проката и профиля снижают концентрацию углекислого газа, увеличивают содержание кислорода для быстрого прогрева заготовок в месте соединения. При работе с толстыми деталями повышают содержание углекислого газа. Для работы с медными сплавами в композицию вводят незначительное количество азота.

Что лучше: сварочная смесь или углекислота?

Чем лучше варить, специалисты решают самостоятельно, учитывая прочность соединений, затраты на расходные материалы. Для изоляции расплава, образуемого в процессе сварки, можно использовать инертные газы аргон и гелий, углекислоту или сварочную смесь. С введением инертных газов, которые не взаимодействуют с расплавом, в активные, снижается способность углерода растворяться в жидком металле. СО₂ – активный газ, при использовании в чистом виде он насыщает стали и цветные металлы.

Преимущества применения газосмеси:

Достоинства сварки в атмосфере углекислого газа:

Производительность сварочных работ при использовании специальных смесей, защищающих ванну расплава от окисления, повышается на 50%, при этом потребление электроэнергии не увеличивается.

Подбор сварочной смеси для полуавтомата

Присадочная проволока выпускается без защитного покрытия, в полуавтоматах предусмотрена подача защитных газов. Их смешивают с расчетом, чтобы создавалась нужная температура горения, при которой металлические заготовки и проволока не слишком быстро расплавлялись. При рациональном подборе газосмеси для полуавтоматической сварки упрощается процесс формирования швов.

Таблица выбора газосмеси для различных сплавов:

При использовании вольфрамового электрода и проволочной присадки применяют составы из двух инертных газов:

Компонентный и количественный состав оказывает влияние практически на все параметры и режим сварки металлов.

Применение смесей

Бескислородные смеси выбирают при скоростной проходке и сварке цветных металлов. Они дают великолепные чистые швы с гладким профилем, окисление поверхности незначительное, обеспечивают низкий уровень армирования и обеспечивает высокую скорость проходки. Придают стабильность электрической дуге при соединении материалов толще 9 мм, снижают вероятность появления дефектов шва.

При подаче газовой смеси полуавтоматом снижается скорость подачи проволоки, быстрее нагревается горелка. Приходится корректировать режим работы, подбирать массивные головки. Для качественной работы со смесями необходимы профессиональные навыки.

При выборе готовых сварочных газовых смесей с кислородом учитывают особенности составов. К-2 считается идеальным для черных и низколегированных сталей. Другие разрабатывались для металла различной толщины, глубокого провара и сварки тонкостенного листа, профиля без деформации. Кислородосодержащие составы применяются для коротких и длинных швов, реставрационной наплавки изношенных деталей. Могут использоваться повсеместно: для роботов-автоматов, ручной, полуавтоматической сварки во всех пространственных положениях. Выбирают специальные составы для профилированного проката из сортовых сталей, для наплавки.

При ручной сварке важно соблюдать расстояние от заготовок до сопла. Необходимо постоянно поддерживать расстояние в пределах 15–20 мм от стыка, чтобы не допустить непроваров. Горелка размещается под прямым углом. Следует учитывать, что кислородные смеси увеличивают текучесть расплавленного металла, при работе в потолочном и вертикальном положении возможны проблемы.

Самостоятельное смешивание газов

Теоретически смесь можно приготовить непосредственно на рабочем месте, на сварочных участках предусмотрены специальные посты с установкой ротаметров – аппаратов, контролирующих расход компонентов за единицу времени из каждого баллона. По показателям ротаметров с помощью редукторов регулируют состав газовой смеси, подаваемой к рабочим местам сварщиков.

При работе с несколькими баллонами одновременно состав сварочной смеси не будет идеальным. Делая газосмеси самостоятельно невозможно добиться точного процентного содержания компонентов до десятых. Обязательно увеличится расход газов и, соответственно, присадки.

Защитный сварочный газ – оптимальная смесь, используемая при термической обработке металлов. Готовые составы заказывают у специализированных поставщиков или непосредственно на заводах-изготовителях.

Источник