Вводная часть. Параметры влажного воздуха

Параметры влажного воздуха. Влажным воздухом называют смесь сухого воздуха с водяным паром, а в наиболее общем случае – с водяным паром, капельками воды и кристаллами льда. В атмосферном воздухе (даже над пустынями) всегда содержится некоторое количество влаги в виде водяного пара.

Смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара называется насыщенным влажным воздухом. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называется ненасыщенным влажным воздухом.

Насыщенный влажный воздух можно получить из ненасыщенного двумя способами – путём изотермного сжатия 1-2 до давления насыщения (рисунок 12) и изобарного охлаждения 1-3 до температуры насыщения. Температура, до которой необходимо изобарно охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нём перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация пара.

, ,

где – удельный объём сухого насыщенного пара.

Обычно влажный воздух имеет низкое давление (атмосферное), а парциальное давление водяного пара во влажном воздухе ещё меньше (таблица Д.1). Вследствие этого свойства его мало отличаются от идеального газа. Поэтому к влажному воздуху применимы уравнения состояния идеального газа, а для паровоздушных смесей можно применять уравнения для идеальных газовых смесей (см. ЛР 1).

В соответствии с законом Дальтона давление влажного воздуха (как правило, атмосферное) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара

,

где – давление влажного воздуха, равное атмосферному ;

– парциальное давление сухого воздуха;

– парциальное давление водяного пара.

Абсолютной влажностью воздуха [парциальной плотностью водяного пара, массовой концентрацией водяного пара (2.21)] называется отношение массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к объёму влажного воздуха (штрих у парциальной плотности далее опускаем)

, (2.54)

где = 461 Дж/(кг.К) – удельная газовая постоянная водяного пара.

Абсолютная влажностью воздуха численно равна массе пара в
1 м ³ влажного воздуха.

Относительной влажностью воздуха называется отношение массы пара в воздухе к массе пара в насыщенном воздухе при той же температуре; отношение парциальной плотности пара к плотности насыщенного пара при той же температуре; отношение давления пара к давлению насыщенного пара при той же температур (отношение
отрезков А1/В2 на рисунке 12):

. (2.55)

Относительную влажность выражают в долях согласно (2.55) или в процентах. Чтобы получить в процентах, выражение (2.55) следует умножить на 100. Величина характеризует степень удалённости данного состояния влажного воздуха от состояния, в котором выпадают капельки воды . Значение относительной влажности может изменяться от 0 для сухого воздуха до 1 (или 100%) для насыщенного воздуха.

Содержание влаги в атмосфере является одним из важнейших факторов, определяющих погоду. Относительная влажность влияет не только на условия погоды, но также и на здоровье и самочувствие. Так, например, можно хорошо себя чувствовать при 25–30 ^оC и = 25 %, но при = 80–90 % ощущается жара и чувствуется подавленность (организм плохо охлаждается, так как испарение ухудшается – плохое самочувствие перед грозой). Для хорошего самочувствия надо = 40–60 %. Однако, зимой в домах = 10–20 %. Такие условия вызывают быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, горла и лёгких, что приводит к простудным заболеваниям.

Формулу (2.55) широко используют для определения относительной влажности воздуха. При этом максимальное давление насыщения определяют с помощью таблиц насыщенного водяного пара по действительной температуре влажного воздуха. Действительное парциальное давление водяного пара находят с помощью таблиц насыщенного водяного пара по температуре точки росы, которая определяется с помощью специального прибора, называемого гигрометром (от греч. hygros – влажный). Гигрометр имеет посеребренную металлическую пластинку-зеркальце, которую можно искусственно охлаждать. Температуру пластинки и, следовательно, влажного воздуха, соприкасающегося с ней, измеряют термометром гигрометра. Запотевание пластинки (выпадение росы) свидетельствует о том, что воздух около пластинки стал насыщенным. Показания термометра в этот момент соответствуют температуре точки росы, т. е. температуре насыщения при данном парциальном давлении пара в смеси его с воздухом. Зная температуру насыщения пара в воздухе, можно по таблицам определить давление этого пара в смеси с воздухом, т. е. определить его парциальное давление.

Более точное определение относительной влажности производится с помощью психрометра (от греч. psychros – холодный) по показаниям двух термометров: обычного "сухого" и "мокрого", шарик которого обернут влажной тканью. Вода с ткани испаряется, и температура мокрого термометра понижается и становится ниже температуры сухого термометра, показывающего температуру влажного воздуха. Чем сильнее испаряется жидкость влажного термометра, тем ниже его температура, а сильнее она испаряется при боле сухом воздухе: чем меньше температура мокрого термометра, тем меньше . По показаниям мокрого и сухого термометров с помощью специальных психрометрических диаграмм определяют относительную влажность воздуха. После определения и по температуре влажного воздуха по таблицам определяют парциальное давление пара по формуле .

Величиной, широко применяемой в технических расчетах для характеристики состояния влажного воздуха, является влагосодержание.

Влaгосодержанием , г/кг, называют отношение массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха:

(2.56)

где – масса пара, г; – масса сухого воздуха, кг;

– парциальная плотность пара, кг/м³;

– парциальная плотность сухого воздуха, кг/м³.

Массовое влагосодержание численно равно массе пара, приходящейся на 1 кг сухого воздуха, и измеряется в кг (или г) на 1 кг сухого воздуха.

Выражая массы в (2.56) с помощью уравнения Клапейрона (2.15), получим связь влагосодержания с парциальным давлением водяного пара (кг/кг сухого воздуха)

, (2.57)

или для влагосодержания, выраженного в г/кг сухого воздуха,

,

где .

Из (2.57) можно найти давление пара

. (2.58)

Поскольку масса влажного воздуха складывается из масс сухого воздуха и пара , то, выражая массу пара или массу сухого воздуха из (2.56), получим:

, (2.59)

. (2.60)

При протекании процессов во влажном воздухе масса сухого воздуха не изменяется. Переменными величинами являются массы водяного пара и влажного воздуха.

Энтальпию влажного воздуха определяют как сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара

.

Для удобства расчётов энтальпию влажного воздуха относят к
1 кг сухого воздуха

,

где – удельная (по сухому воздуху) энтальпия влажного воздуха; и – удельные энтальпии сухого воздуха и водяного пара, кДж/кг.

Для получения расчетной формулы, выражающей энтальпию влажного воздуха в зависимости от температуры, выразим энтальпию компонентов через теплоемкость и температуру Цельсия (, кг/кг):

, (2.61)

где = 1,01 кДж/(кг.К) – удельная изобарная теплоемкость воздуха;

= 2501 кДж/кг – теплота парообразования воды в тройной точке;

= 1,92 кДж/(кг.К) – удельная изобарная теплоемкость водяного пара.

Подставив в (2.61) значения теплоемкостей и , получим расчетную формулу для энтальпии влажного воздуха

. (2.62)

Приведённые уравнения позволяют провести расчет процессов изменения состояния влажного воздуха. Однако расчеты значительно упрощаются и становятся нагляднее, если используются графические методы с применением dh -диаграммы, которая строится на основании этих уравнений.

dh -диаграмма влажного воздуха, предложенная в 1918 г.
Л. К. Рамзиным, широко применяется в расчётах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления. В этой диаграмме представлена графическая зависимость основных параметров влажного воздуха при атмосферном давлении = 745 мм рт. ст. = 99,33 кПа.

По оси ординат (рисунок 13) откладывают удельную (по сухому воздуху) энтальпию влажного воздуха , кДж на 1 кг сухого воздуха, а по оси абсцисс – влагосодержание , г/кг сухого воздуха. Для лучшего использования площади диаграммы координатные оси расположены под углом 135° друг к другу. На данном рисунке вместо наклонной оси абсцисс проведена горизонтальная линия, на которой нанесены действительные значения d. На dh- диаграмме линии = const – это наклонные линии, а = const – вертикальные прямые. Из уравнения (2.62) следует, что в координатах изотермы будут изо
бражаться прямыми линиями.

Рисунок 13 – dh- диаграмма влажного воздуха

Кроме того, на диаграмму наносят кривые . Кривая делит поле на две области и является своего рода пограничной кривой. В состояниях, соответствующих точкам на этой кривой, парциальное давление водяного пара и его плотность достигают максимально возможных при данной температуре значений (сухой насыщенный пар). Влажный воздух в таких состояниях называют насыщенным. Область, для которой , характеризует состояние ненасыщенного влажного воздуха (в воздухе содержится перегретый пар). Под кривой расположена область тумана (пересыщенный влажный воздух), в которой влага находится в воздухе частично в капельном состоянии (влажный насыщенный пар).

За начало отсчета параметров влажного воздуха выбирают точку О, для которой Т = 273,15 К (0 ^оС), .

На диаграмме штриховой линией нанесены также линии постоянной температуры мокрого термометра, под которой понимают температуру, приобретаемую водой, если поверхность ее обдувается потоком влажного ненасыщенного воздуха. Если поверхность воды обдувается потоком насыщенного воздуха, то температура воды совпадает с температурой воздуха. Поэтому на dh -диаграмме изотермы, сухого и мокрого термометров, соответствующие одному и тому же значению температуры, пересекаются на линий насыщенного воздуха, т. е. на линии .

В нижней части диаграммы по формуле (2.58) построена линия парциального давления пара . Ось ординат для этого графика расположена на диаграмме справа.

Любая точка на dh- диаграмме определяет физическое состояние воздуха. Для этого должны быть заданы два параметра (например, и T или и ). Изменение состояния влажного воздуха изобразится на диаграмме линией процесса. Рассмотрим ряд примеров. В процессе нагревания влажного воздуха (например, в калорифере сушилки) влагосодержание его не изменяется. Поэтому в dh- диаграмме (см. рис. 13) такой процесс изображается прямой линией . В данном процессе повышаются температура и энтальпия воздуха и уменьшается его относительная влажность. Если точка А изображает состояние влажного воздуха перед подогревом, то, проведя вертикально вверх прямую линию до пересечения с изотермой, соответствующей температуре подогретого воздуха, получим точку В, которая определяет состояние влажного воздуха после подогрева.

Соответственно процесс охлаждения влажного воздуха изобразится прямой вертикальной линией, направленной вниз от начальной точки (линия КМ). При этом может оказаться, что влажный воздух в процессе охлаждения становится насыщенным (точка М) и при дальнейшем охлаждении будут появляться капельки воды. Температуру, при которой в процессе охлаждения достигается состояние насыщенного воздуха (т. е. ), называют температурой точки росы. При дальнейшем охлаждении ниже точки росы (точка L) смесь будет содержать воду в виде сухого насыщенного пара в количестве и в виде жидкости в количестве .

Процесс сушки материалов воздухом в сушилке, не имеющей тепловых потерь, происходит при постоянной энтальпии влажного воздуха, отнесенной к 1 кг сухого воздуха (это положение справедливо, если пренебречь энтальпией испаряемой жидкости). В -диаграмме этот процесс изображается прямой линией (линия ВС).

Если процесс сушки сопровождается тепловыми потерями, то он может быть условно изображен линией BD. При этом энтальпия влажного воздуха на выходе из сушилки уменьшится на размер тепловых потерь:. .

Описание лабораторной установки. Установка представляет собой модель сушильной установки, в которой сушильным агентом является воздух, а высушиваемым материалом – марля, смоченная водой. Схема установки показана на рисунке 14. Основными её элементами являются калорифер 1 и сушильная камера 2. В калорифере воздух нагревается для повышения его способности испарять влагу. В сушильной камере за счет нагретого воздуха вода, содержащаяся в ткани, испаряется и уносится потоком воздуха.

Калорифер состоит на двух металлических труб и одной фарфоровой трубы, расположенных соосно. Внутри фарфоровой трубы установлен электронагреватель 3. Мощность электронагревателя регулируется лабораторным автотрансформатором 4 и измеряется ваттметром 5.

Рисунок 14 – Схема опытной установки

Воздух в калорифер подается воздуходувкой 6. Расход воздуха определяется по перепаду давления на диафрагме 7, измеряемого с помощью -образного манометра 8. Температура воздуха на выходе из калорифера (около 70 °С) измеряется с помощью термометра сопротивления 9 и логометра 10.

В центре сушильной камеры помещена хлопчатобумажная ткань, подвергаемая сушке. Ткань разделена по высоте на четыре секции, и нижний конец каждой секции опущен в специальный стаканчик с водой, прикрепленный к центральной металлической трубке с отверстиями для поступления воды в стаканчики из емкости 11. Во время опыта происходит постоянное увлажнение высушиваемого материала, что обеспечивает стационарность процесса сушки.

Состояние воздуха на входе в калорифер определяется психрометром 12. Температура воздуха после сушилки измеряется термометром 13, а состояние воздуха в выходной трубке определяется по показаниям сухой 14 и мокрой 15 термопар.