Краткие теоретические сведения. Определение параметров влажного воздуха

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Определение параметров влажного воздуха

1. Цель работы: Изучение устройства и принципа действия аспирационного психрометра, ознакомление с методами измерения влажности и определение параметров состояния влажного воздуха.

2. Программа работы: при выполнении работы студенты знакомятся с устройством и принципом работы аспирационного психрометра, его техническими данными, а также с методом измерения параметров влажного воздуха.

3. При выполнении лабораторной работы на стенде необходимо выполнить следующие задачи:

· ознакомившись с устройством психрометра определить показания сухого и смоченного термомет­ров;

· записать показания барометра;

· определить относительную влажность воздуха по психрометрическому графику и по психрометрической таблице;

· определить относительную влажность воздуха с помощью i-d диаграммы;

· определить влагосодержание d, энтальпию i, температуру точки росы t_Р, парциальное давление водяного пара Р_п с помощью i-d диаграммы;

· определить абсолютную влажность воздуха;

· определить относительную влажность воздуха

· ознакомиться, как изображаются процесс изменения состояния влажного воздуха в i-d диаграмме.

На одно занятие отводится 2 часа.

Краткие теоретические сведения

Влажным воздухом называется парогазовая смесь, состоящая из сухого воздуха и водяных паров. Знание его свойств необходимо для понимания и расчета таких технических устройств, как сушилки, системы отопления и вентиляции и т.п.

Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным. Воздух, в котором не содержится максимально возможное при данной температуре количество водяного пара, называется ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух – из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Водяной пар содержится в воздухе обычно в небольших количествах и в большинстве случаев в перегретом состоянии, поэтому к нему с достаточной для технических расчетов точностью могут быть применены законы идеальных газов.

Давление влажного воздуха р_б, согласно закону Дальтона, равно

(1)

где – парциальные давления соответственно сухого воздуха и водяного пара, Па.

Парциальное давление можно определить из таблиц насыщенного пара по температуре точки росы, т.е. по той температуре, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух при постоянном влагосодержании, чтобы он стал насыщенным, Таким образом, если охлаждать ненасыщенный воздух с температурой t_в, то при некоторой температуре t_р < t_в он станет насыщенным. Эта температура и является температурой точки росы.

Основными характеристиками влажного воздуха являются следующие:

1. Относительная влажность , которая определяет степень насыщения воздуха водяным паром:

, (2)

т.е. отношение действительной абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности в насыщенном воздухе при той же температуре.

При постоянной температуре давление изменяется пропорционально плотности (закон Бойля-Мариотта), поэтому можно написать

(3)

Для насыщенного воздуха =1 или 100%, а для ненасыщенного влажного воздуха .

Относительную влажность воздуха определяют с помощью прибора, называемого психрометром. Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, один из которых имеет резервуар, обернутый батистом, непрерывно смачиваемым водой. С поверхности резервуара термометра происходит испарение воды, интенсивность которого зависит от влажности окружающего воздуха: чем меньше насыщен влагой окружающий воздух, тем интенсивнее испарение с «мокрого» термометра и тем ниже его показания, так как на испарение расходуется тепло. По разности показаний «сухого» и «мокрого» термометров с помощью психрометрической таблицы (приложение 1) можно определить относительную влажность воздуха.

2. Абсолютная влажность ρ, которая определяет массу водяного пара, содержащегося в 1 м ³ влажного воздуха.

3. Влагосодержание воздуха d, г / кг сухого воздуха, т.е. отношение массы водяного пара к единице массы сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе:

(4)

где G_n, G_в – соответственно масса водяного пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

Если воспользоваться уравнением Клайперона, то выражение (4) можно написать в следующем виде:

(5)

где – молекулярная масса водяного пара;

– молекулярная масса воздуха.

Подставив соответствующие значения молекулярных масс, получим

(6)

Из формулы видно, что между влагосодержанием и парциальным давлением пара (при одном и том же ) существует однозначная зависимость, т.е. каждому значению соответствует вполне определенное значение d и наоборот.

Энтальпия I влажного воздуха является одним из основных его параметров и широко используется при расчетах сушильных установок, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, Энтальпию влажного воздуха обычно относят к единице массы сухого воздуха, т.е. к 1 кг, и определяют как сумму сухого воздуха и водяного пара, кДж / кг сухого воздуха:

. (7)

Так как теплоемкость влажного воздуха С_см = 1,005+1,8068 d ·10^-3 кДж / кг сухого воздуха, то формулу (7) можно написать в виде

.

Вопросы, относящиеся к влажному воздуху, удобно и легко решаются с помощью I-d диаграммы, предложенной в 1918 году профессором Л.К. Рамзиным (рис. 1).

I-d диаграмма влажного воздуха, широко используется для решения практических задач в тех областях, где рабочим телом служит влажный воздух. По оси ординат откладывают энтальпию I кДж на 1 кг влажного воздуха, а по оси абсцисс влагосодержание d, г / кг сухого воздуха. Для удобства (сокращение площади диаграммы) ось абсцисс направлена под углом 135° к оси ординат. На данном рисунке вместо наклонной оси абсцисс проведена горизонтальная линия, на которой нанесены действительные значения d. На I - d диаграмме линии i=const – это наклонные линии, а линии d= const – вертикальные прямые. В координатах I - d изотермы будут изображаться прямыми линиями. Кроме того, на диаграмму наносят кривые φ=const. Кривая φ =100% делит поле на две области и является своего рода пограничной кривой: φ <100% характеризует область ненасыщенного влажного воздуха (в воздухе содержится перегретый пар); φ >100% – область, в которой влага находится в воздухе частично в капельном состоянии; φ =100% характеризует насыщенные влажный воздух.

За начало отсчета параметров влажного воздуха выбирают точку 0, для которой Т =273,15 К, d =0, i =0.

Любая точка на I - d диаграмме определяет физическое состояние воздуха. Для этого должны быть заданы два параметра (например, φ и t или, i и d).

Р и с. 1. I-d диаграмма влажного воздуха

Изменение состояния влажного воздуха изобразится на диаграмме линией процесса. Рассмотрим ряд примеров.

Процесс нагревания воздуха происходит при постоянном влагосодержании, так как количество пара в воздухе в данном случае не изменяется. На I-d -диаграмме этот процесс изображается линией 1-2 (рис. 2). В данном процессе повышаются температура, энтальпия воздуха и уменьшается его относительная влажность.

7 (I 7, d 7) 6 (I 6, d 6) 3 (I 3, d 3) 1 (I 1, d 1) 4 (I 4, d 4) φ =100% d, г / кг с.в. 5 (I 5, d 5) 2 (I 2, d 2) I, кДж / кг Р и с. 2. Изображение на I - d диаграмме характерных процессов изменения состояния воздуха

Процесс охлаждения воздуха на участке над кривой φ =100% протекает при постоянном влагосодержании (процесс1-5). Если продолжать процесс охлаждения до точки , расположенной на кривой φ =100%, то в этом состоянии влажный воздух будет насыщенным. Температура в точке 5 есть температура точки росы. Дальнейшее охлаждение воздуха (ниже точки ) приводит к конденсации части водяного пара. В процессе адиабатного осушения воздуха конденсация влаги происходит за счет теплоты влажного воздуха и без

внешнего теплообмена. Этот процесс протекает при постоянной энтальпии (процесс 1-7), причем влагосодержание воздуха уменьшается, а температура его увеличивается. Процесс адиабатного увлажнения воздуха, сопровождающийся увеличением влагосодержания воздуха и уменьшением его температуры, изображен на диаграмме линией 1-4.

Процессы адиабатного увлажнения и осушения воздуха широко используются для обеспечения заданных параметров микроклимата в сельскохозяйственных производственных помещениях.

Процесс осушения воздуха при постоянной температуре изображен линией 1-6, а процесс увлажнения воздуха при постоянной температуре линией 1-3.

Процесс смешения влажного воздуха различных состояний часто встречается на практике. Примером может служить процесс воздухообмена производственных помещений (животноводческих и птицеводческих комплексов, хранилищ и т.п.), когда свежий воздух, поступающий в помещение, смешивается с находящимся в нем воздухом.

При помощи I-d диаграммы можно определить также параметры смеси, образующейся в результате смешения двух потоков влажного воздуха.

Для этого достаточно рассчитать влагосодержание d_см и энтальпию i_см смеси (рис. 3).

I, кДж / кг t 2 t t 1 d 1 d d 2 I 1 I I 2 C φ 1 φ φ 2 φ =100% d, г / кг с.в. Р и с. 3. Изображение на I - d процесса смешения двух компонентов

Пусть в камеру смешения поступают два потока влажного воздуха с параметрами d 1, t 1, i 1и d 2, t 2, i 2 содержащие сухого воздуха соответственно L 1 и L 2. В результате смешения будет получен влажный воздух с параметрами dсм, tсм, icм и содержанием сухого воздуха Lсм. Очевидно, что Lсм= L 1 + L 2. Общее количество влаги содержащейся в воздухе после смешения, составит Lсмdсм= L 1 d1 + L 2 d 2. Следовательно, Уравнение теплового баланса запишется так: . Отсюда .

Пересечение на I-d диаграмме двух прямых d_см = const и i_см = const даст точку, которая характеризует состояние полученного в результате смешения влажного воздуха.

При помощи I-d диаграммы решают задачи расчета систем кондиционирования воздуха. Процесс перехода влажного воздуха из состояния 1 с начальными параметрами t ₁, φ ₁ в состояние 2, характеризуемое параметрами t ₂, φ ₂ (см. рис. 3). Подобное изменение состояния определенной массы влажного воздуха может произойти:

а) при нагревании (или охлаждении), когда влажному воздуху общается (или от него отнимается) количество теплоты Q, кДж;

б) за счет изменения его влагосодержания на d / М_в величину при прибавлении или отнимании влаги в количестве W, кг. Здесь М_в – масса сухого воздуха, кг;

в) в результате одновременного воздействия указанных двух факторов: Q и W.

Рассматриваемые процессы происходят в кондиционерах, калориферах, камерах увлажнения и осушения.

Сушкой называют процесс, направленный на удаление из материалов влаги. Наибольшее распространение получили сушильные установки, в которых удаление влаги производится конвективным потоком теплоты. Основными элементами такой сушилки являются калорифер, где происходит нагрев воздуха, служащего агентом сушки, и сушильная камера, в которой происходит удаление влаги из высушиваемого материала.

Пусть точка 1 (рис. 4) изображает состояние воздуха перед калорифером. Процесс подогрева влажного воздуха в калорифере протекает при постоянном влагосодержании, а следовательно, изобразится на диаграмме вертикальной линией (процесс 1-2).

Разность влагосодержаний d ₃- d ₂ определяет количество влаги, которое уносится из сушильной камеры (1+ d) кг воздуха.