Измерение и расчет параметров влажного воздуха

Технологические процессы пищевых производств (сушка продуктов, выпечка хлеба, производство конфет, печенья, макаронных изделий, брожение пива, солодоращение и др.) протекают при определенной температуре и влажности воздуха. Хранение многих пищевых продуктов также должно происходить при определенном режиме, при определенных параметрах воздуха.

В зависимости от характера технологического процесса в результате взаимодействия воздуха с материалом параметры состояния воздуха будут изменяться: воздух будет нагреваться или охлаждаться, произойдет его увлажнение или осушка.

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Состояние влажного воздуха характеризуется его параметрами.

Барометрическое давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений его составляющих, т. е. сухого воздуха и пара:

где В – общее барометрическое давление влажного воздуха, Па;

– соответственно парциальные, давления сухого воздуха и пара, т. е. давление составляющих смеси при условии, что каждая составляющая занимает объем всей смеси.

Под абсолютной влажностью воздуха ρ_п понимается масса водяного пара, находящегося в 1 м³ влажного воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение массы водяного пара, находящегося в 1 м³ влажного воздуха, к максимально возможной его массе в 1 м³ воздуха при том же барометрическом давлении и той же температуре

Максимально возможное содержание пара в воздухе будет при полном насыщении его водяным паром

тогда

Применяя приближенно для влажного воздуха уравнение состояния газа, получим

где – парциальное давление пара и воздухе, Па;

– давление пара при полном насыщении воздуха водяными парами, т. е. давление насыщенного пара, Па.

Относительная влажность воздуха характеризует способность воздуха поглощать влагу: чем она ниже (т. е. чем меньше по сравнению с ), тем выше сушильная способность воздуха.

Давление насыщенного пара зависит от температуры (см. табл. 2 приложения). С повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается; это вызывает уменьшение относительной влажности воздуха. Поэтому при нагревании воздуха в калориферах его сушильная способность значительно увеличивается и, наоборот, при охлаждении воздуха за счет уменьшения относительная влажность воздуха увеличивается.

При увлажнении воздуха водяными парами парциальное давление пара увеличивается. Это вызывает увеличение относительной влажности воздуха и понижение его сушильной способности; при полном насыщении воздуха парциальное давление пара становится равным давлению насыщенного пара = тогда φ = 100% (так как / =1).

Воздух, полностью насыщенный водяными парами (φ=100%), не способен поглощать влагу, его сушильная способность равна нулю.

Удельным влагосодержанием влажного воздуха называется масса пара, содержащегося во влажном воздухе, отнесенная к 1 кг сухого воздуха.

Если масса пара выражается в килограммах, то удельное влагосодержание обозначается через x:

Если масса пара выражается в граммах, то удельное влагосодержание обозначается через d:

где – масса пара во влажном воздухе, кг;

– масса сухого воздуха, кг.

Зависимость между влагосодержанием и парциальным давлением пара выражается формулой

или

В этих формулах на основании формулы можно заменить , тогда

Удельная энтальпия влажного воздуха относится к 1 кг сухого воздуха и определяется как сумма энтальпии 1 кг сухого воздуха и энтальпии пара, приходящегося в смеси на 1 кг сухого воздуха, и выражается в Дж/кг сухого воздуха.

или

где – удельная теплоемкость сухого воздуха, равна 1004,64 Дж/(кг·К);

– удельная теплоемкость пара; она равна 1841,84 Дж/(кг-К);

r – удельная теплота парообразования при 0°С; она равна 2499,042 кДж/кг.

Если влажный воздух с определенными параметрами(t,φ, d,l) охлаждать при постоянном количестве влаги в нем (d=const), то при понижении температуры относительная влажность воздуха будет повышаться. Пределом охлаждения воздуха при постоянном влагосодержании является та температура, при которой влажность воздуха достигнет 100%. Эта температура называется температурой точки росы

Если испарение влаги в воздух происходит только за счет теплоты воздуха, когда нет подвода и отвода тепла извне, процесс называется адиабатным испарением. При этом температура воздуха будет понижаться, а относительная влажность его – увеличиваться. При полном насыщении воздуха (φ = 100%) температура воздуха станет равной температуре испаряющейся воды. Эта температура называется температурой мокрого термометра

Таким образом, температура мокрого термометра – это температура адиабатного насыщения воздуха.

Потенциал сушки характеризует способность воздуха поглощать влагу и определяется разностью между температурой воздуха и температурой мокрого термометра:

где – температура воздуха по обычному (сухому) термометру;

– температура по смоченному термометру.

Чем больше разность между температурами сухого и мокрого термометров, тем больше потенциал сушки, выше сушильная способность воздуха и меньше его относительная влажность.

При и φ=100%

Для определения потенциала сушки используют прибор, называемый психрометром. На рис.1 показаны схемы психрометров с неорганизованной циркуляцией воздуха (а) и с принудительной (б).

Психрометр состоит из двух термометров: обычного сухого и смоченного. Шарик смоченного термометра обернут влажной тканью (батистом), смачиваемой водой. С поверхности ткани за счет тепла шарика испаряется вода, поэтому показание смочен­ного термометра ниже, чем сухого.

Таким образом, этот термометр показывает температуру ис­паряющейся воды, т. е. температуру мокрого термометра. Чем больше разность между показаниями сухого и смоченного тер­мометров (психрометрическая разность), тем, следовательно, интенсивнее происходит испарение, значит воздух более сухой.

Температура смоченного термометра в психрометре несколь­ко выше истинной температуры мокрого термометра, так как процесс испарения с ткани происходит не в адиабатных условиях.

Это объясняется тем, что шарику смоченного термометра пе­редается некоторое количество тепла радиацией от стенок трубо­провода, от корпуса сушилки, через выступающий столбик рту­ти и т. п.

Рис.1. Психрометры:

а — с неорганизованной циркуляцией воз­духа; б — с принудительной циркуляцией воздуха

Эта ошибка в показании смоченного термометра может быть уменьшена, если защитить шарик от радиации,обернуть батистом и выступающий столбик ртути, увеличить скорость движе­ния воздуха. При увеличении скорости воздуха увеличивается интенсивность испарения, в связи с чем количество тепла, затра­ченное на испарение влаги, будет значительно больше тепла, по­лученного извне, и ошибка уменьшится. Как показали экспери­менты, при скорости воздуха 1,5—2 м/с и температуре мокрого термометра выше 20° С ошибка составляет не более 1% от псих­рометрической разности и ею можно пренебречь.

Для точных расчетов рекомендуется вводить поправку на по­казание мокрого термометра. Величина поправки (ошибки) опре­деляется по диаграмме, построенной по экспериментальным дан­ным (рис. 2). На диаграмме значение поправки дается в процентах от психрометрической разности при различных показа­ниях мокрого термометра (от —30 до 93° С) и для разной ско­рости воздуха (от 0 до 10 м/с).

Истинная температура мокрого термометра определяется по формуле

где —показание смоченного термометра в психрометре;

∆—поправка (в %), найденная по диаграмме в зависимости от пока­зания смоченного термометра и скорости воздуха.

Рис. 2 Диаграмма для определения поправки па показание мокрого тер­мометра

При скорости воздуха более 4 м/с поправку на показание мок­рого термометра можно не вводить. Это учтено в психрометре с искусственной циркуляцией воздуха. Термометры в нем заклю­чены в металлические трубки, через которые со значительной скоростью продувается воздух при помощи вентилятора.

По показанию психрометра (по психрометрической разности) можно определить относительную влажность возду­ха. Существует два способа ее определения: по психрометриче­ской формуле и по психрометрической таблице.

Психрометрическая формула для определения относительной влажности воздуха имеет вид

где —давление насыщенного пара, Па; при истинной температуре мокрого термометра определяется по табл. 2 приложения

— давление насыщенного пара (в Па) при температуре сухого термо­метра определяется по той же таблице;

— барометрическое давление, Па;

—психрометрический коэффициент, завсящий в основном от скорости воздуха.

Для невысоких температур при хорошей аспирации психро­метра А = 6,6*10^-4. Для скорости воздуха ϑ=0,5 м/с коэффи­циент может быть определен по формуле

По показанию психрометра можно определить относительную влажность воздуха по табл. 3 приложения, в которой значение относительной влажности дается в зависимости от психрометри­ческой разности при различных значениях температуры сухого термометра и при определенной скорости воздуха.

Цель работы

1.Знакомство с методикой измерения основных параметров влажного воздуха.

2.Аналитический расчет основных параметров влажного воз­духа.

3.Определение к анализ изменения основных параметров влажного воздуха в процессе нагревания.

Описание экспериментальной установки

Определение параметров влажного воздуха проводится в по­мещении лаборатории, а также в экспериментальной сушильной установке.

Сушильная установка (рис. 3) состоит из сушильного ба­рабана I, парового калорифера II, вентилятора IIIи системы трубопроводов. В трубопроводах для воздуха до и после кало­рифера установлены сухой и мокрый термометры; для измере­ния скорости воздуха используется анемометр.

Для автоматического измерения температур, необходимых для расчета параметров воздуха, установка снабжена электрон­ным автоматическим мостом ЭМП-209М2. Для измерения параметров воздуха в помещении использу­ются психрометры с естественной и принудительной циркуляци­ей воздуха.

Существует несколько видов анемометров, наиболее распрост­ранены крыльчатый и чашечный (рис. 4).

Анемометр состоит из нескольких легких пластинок-крыльев (из алюминия или его сплавов) или чашек, прикрепленных к стальной оси. Ось вращается в двух алмазных подшипниках. При внесении анемометра в поток воздуха крылья (чашки) вследствие давления на них струи начинаются вращаться с не- которой скоростью, зависящей от скорости потока воздуха. При помощи особой системы вращение оси передается счетчику, ко­торый имеет несколько стрелок и циферблатов.

Измерение скорости воздуха анемометром производится так: записывают показания счетчика анемометра по трем цифер­блатам: тысячи, сотни, десятки —

анемометр помещают в поток воздуха (в строго горизонталь­ном положении);

одновременно включают счетчик анемометра и секундомер; включенный анемометр выдерживают в потоке воздуха в те­чение 100с, после чего одновременно выключают счетчик и се­кундомер; анемометр вынимают из потока воздуха;

записывают показание счетчика анемометра по трем цифер­блатам — ;

определяют разность между показаниями счетчика в конце и в начале измерения; разность делят на время, в течение кото­рого проводилось измерение (100 с); в результате получают ско­рость воздуха, выраженную в м/с:

Найденная таким образом скорость воздуха является теоре­тической (или индикаторной), действительная будет несколько отличаться; ее определяют по специаль­ной тарировочной кривой анемометра.

Необходимым условием правильного измерения скорости является отсутствие возмущения потока воздуха посторон­ними предметами (рука наблюдателя и т. д.).

Методика проведения испытания

Для определения параметров воздуха в помещении по психрометрам с естест­венной и принудительной циркуляцией воздуха определяются температура сухо­го термометра и температура мокрого термометра .

Для изучения изменения параметров воздуха при нагревании проводится их определение в сушильной установке до и после калорифера.

Испытание проводят в следующей последовательности:

1.Включают вентилятор 19 (см. рис. 3); воздух из помещения через открытый шибер 4 поступает на подогрев в калорифер 18;

2.В калорифер через вентиль 6 пода­ют греющий пар;

3.По показанию психрометра 5 в воздуховоде между венти­лятором и калорифером определяют температуру сухого тер­мометраt_cи температуру мокрого термометраt'_м

4.Подогретый воздух из калорифера при открытом шибере 12 поступает в барабан сушилки. По термометру11 в воздухо­воде после калорифера определяют температуру подогретого воздуха по сухому термометру

5.Измеряют скорость воздуха анемометром в воздуховоде до и после калорифера.

Все замеры и результаты расчетов записывают в протокол по прилагаемой форме

Протокол испытаний

Параметры воздуха	В помещении	До калорифера	После калорифера
Темп. по сухому термометру
Темп. по мокрому термометру
Скорость ϑ м/c
Поправка на показание мокрого термометра ∆, %
Истинная температура мокрого термометра
Потенциал сушки ε
Удельное влагосодержание d, г/кг с.в.
Удельная энтальпия I, кДж/кг с.в.
Относительная влажность φ,%
Парциальное давление пара , МПа
Давление насыщенного пара , МПа
	расчет	l-dдиаг.	расчет	l-dдиаг.	расчет	l-dдиаг.	расчет	l-dдиаг.

Обработка результатов испытания и методика расчета

Определение параметров воздуха в помеще­нии проводят в следующей последовательности.

1.По показанию психрометра с естественной циркуляцией воздуха находят поправку на показание мокрого термометра по диаграмме (см. рис. 2) при скорости воздуха, равной нулю.

2.Определяют истинную температуру мокрого термометра по формуле ().

3.Найденную истинную температуру мокрого термометра сравнивают с показанием мокрого термометра в психрометре с принудительной циркуляцией воздуха.

4.По приведенным выше формулам рассчитывают основные параметры влажного воздуха:

относительную влажность φ,

удельное влагосодержание d,

удельную энтальпию I,

потенциал сушки ε,

парциальное давление пара р_п.

5.По известным температурам t_cи t'_мопределяют все па­раметры влажного воздуха по l—d-диаграмме.

Изменение параметров воздуха при нагреван и и определяют так:

1.По показанию мокрого термометра до калорифера t'_M находят поправку на показание мокрого термометра при измерен­ной скорости воздуха.

2.Определяют истинную температуру мокрого термометра

3.Рассчитывают основные параметры влажного воздуха до калорифера:

относительную влажность ,

удельное влагосодержаниеd₀,

удельную энтальпию I о,

потенциал сушки ε₀,

парциальное давление пара

4.По показанию сухого термометра после калорифера при условии постоянства удельного влагосодержания воздуха при нагревании(d\ = do)рассчитывают параметры подогрето­го воздуха:

относительную влажность удельную энтальпию потенциал сушки

5.По показаниям сухого термометра t_Co, t_Clи мокрого тер­мометра t'_м определяют параметры воздуха до и после калори­фера по l —d-диаграмме.

После проведения всех расчетов студент должен объяснить причину изменения параметров воздуха при его нагревании в калорифере.

ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ

1.Какими основными параметрами характеризуется состояние влажного

воздуха?

2.Что называется абсолютной влажностью воздуха?

3.Что характеризует относительная влажность воздуха и как она изме­няется при нагревании воздуха и в процессе сушки?

4.Что называется удельным влагосодержанием влажного воздуха? Как оно изменяется при нагревании воздуха и в процессе сушки?

5.Что называется удельной энтальпией влажного воздуха?

Как она изменяется при нагревании воздуха и в процессе сушки?

6.В чем смысл температуры мокрого термометра и температуры точки росы?

7.Что характеризует потенциал сушки и как он определяется?

8.Устройство психрометров с естественной и принудительной циркуляцией воздуха.

9.Чем объясняется ошибка в показании мокрого термометра психрометра с естественной циркуляцией воздуха? От чего зависит величина поправки и как она определяется?

10.Как определяется относительная влажность воздуха по показаниям пси­хрометра?

11.Какие линии нанесены на l—d-диаграмме?

12.Как по l—d-диаграмме определяют значение температуры точки росы?

13.Как по l—d-диаграмме определяют значение парциального давления пара и давление насыщенного пара?