Свойства влажного воздуха

В атмосферном воздухе всегда присутствует влага в виде водяного пара. Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. На теп­ловых электростанциях, расположенных далеко от источников водоснабжения, часто используется так называемое оборотное охлаждение циркулирующей водой, расчеты которого требуют знания свойств влажного воздуха. С влажным воздухом приходится иметь дело также в ряде теплотехнических процессов, и прежде всего в процессе сушки.

Воздух и водяной пар считаются идеальными газами. Водяной пар в воздухе может быть в насыщенном и ненасыщенном состояниях. Соответственно влажный воздух бывает:

Насыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром.

Ненасыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с перегретым во­дяным паром.

Температура, до которой можно охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы - t_p. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха происходит конденсация пара.

Расчет процессов с влажным воздухом проводится при условии, что ко­личество сухого воздуха не изменяется и равно m_в= 1кг. Переменной величи­ной является лишь количество содержащегося в смеси пара. Поэтому все ха­рактеризующие влажный воздух удельные величины относятся к 1 кг сухого воздуха, а не к 1 кг смеси.

Давление влажного воздуха определяется в виде суммы парциальных дав­лений воздуха p_в и водяного пара p_п:

,

где p – давление влажного воздуха.

Абсолютной влажностью называется масса пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Так как влажный воздух представляет из себя газовую смесь, то объем пара в смеси равен объему всей смеси. Следовательно, абсолютная влажность может быть выражена через плотность пара _п в смеси при своем парциальном давлении р_п

,

где m_п – масса пара, V_п и V_см – соответственно объемы пара и смеси.

Для нахождения состояния влажного воздуха пользуются понятием влагосодержания.

Под влагосодержанием «d» понимается величина отношения массы пара m_п, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха

,

где m_п =18,06 кг/моль, m_в =28,95 кг/моль.

Выведем формулу для определения влагосодержания через давление пара р_п и давление влажного воздуха р_в. Напишем уравнение состояния для сухого воздуха и водяного пара

; .

Деля первое уравнение на второе, находим:

,

где R_в =287,04 Дж(кг·К) – значение газовой постоянной для воздуха;

R_п =461,1 Дж(кг·К) – то же для водяного пара.

Учитывая, что р_в=р - р_п, находим:

.

Если парциальное давление водяного пара равно давлению насыщения

р_п= , то

,

где - максимальное влагосодержание, т.е. максимальное количество пара, ко­торое может находиться в 1кг сухого воздуха.

Кроме абсолютной влажности, пользуются ещё понятием относительной влажности. Под относительной влажностью понимают отношение действительной абсолютной влажности ненасыщенного воздуха к максимально воз­можной абсолютной влажности воздуха при той же температуре

.

Относительная влажность изменяется в пределах 0 1. При = 0 - воздух сухой, при = 1 – воздух насыщенный влагой. Из соответствующих уравнений состояния

и

которые могут быть представлены в виде

и .

Подставив значения р_п и р_mах из последних выражений в формулу для определения , находим:

.

И далее определяем:

.

Из последнего выражения видно, что при р = р_mах относительная влаж­ность зависит только от влагосодержания d.

Относительная влажность и влагосодержание влажного воздуха могут быть определены экспериментально с помощью прибора, называемого психрометром, который состоит из двух ртутных термометров - сухого и мокрого.

Шарик ртути мокрого термометра покрыт слоем ткани, непрерывно сма­чиваемой водой. Если влажный воздух, окружающий термометры, будет нена­сыщенный, то с поверхности ткани мокрого термометра будет испаряться вода и он покажет более низкую температуру, чем сухой термометр. Суть этого ме­тода заключается в том, что мокрый термометр показывает температуру t_M ис­паряющейся воды, а сухой термометр - температуру влажного воздуха t_c.

Зная разность температур t_c - t_м, по специальным психрометрическим таб­лицам или по hd - диаграмме влажного воздуха можно определить ряд характе­ристик влажного воздуха (относительную влажность, влагосодержание, температуру точки росы и др.).

При отрицательных температурах, ниже - 5°С, когда в воздухе содержит­ся очень мало водяных паров, применяется гигрометр.

Гигрометр - прибор для измерения влажности воздуха. Существует не­сколько типов - весовой, волосной, пленочный, действие которых основано на различных принципах.

Весовой - состоит из системы U -образных трубок, наполненных гигро­скопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом притягивают некоторое количество воздуха, влажность кото­рого измеряют. Зная массу системы до и после измерения, объем пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

Волосной - основан на свойстве обезжиренного человеческого волоса из­менять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет измерить относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую рамку, изменение длины волоса через шарнирное соединение передается стрел­ке, которая перемещается вдоль шкалы.

Пленочный - у которого чувствительный элемент из органической плен­ки, которая растягивается при повышении влажности и сжимается при пониже­нии влажности.

Существуют - электролитический, керамический, конденсационный методы для измерения точки росы и другие.

hd-диаграмма влажного воздуха

Параметры влажного воздуха легко определяются графическим путем при помощи так называемой hd - диаграммы, предложенной в 1918 году про­фессором Л.К. Рамзиным. В ней по оси абсцисс отложено влагосодержание d влажного воздуха в г/кг, а по оси ординат - энтальпия в кДж/кг. Прямые линии, наклоненные к вертикали под углом 135°, являются линиями постоянных эн­тальпий (h= const). На диаграмме также имеются наклонно восходящие прямые линии постоянных температур влажного воздуха t= cons t; изолинии относитель­ной влажности воздуха (p= const; кривая парциальных давлений p_n=f(d), значе­ния которых приведены справа на оси ординат.

По hd – диаграмме Рис. 2.8, зная температуру t и относительную влажность , можно определить энтальпию h, влагосодержание d и парциальное давление р_п. По температурам сухого и мокрого термометров можно найти температуру точки росы t_p, т.е. температуру, при которой воздух насыщен водяным паром ( =100 %).

Процесс нагрева влажного воздуха на hd - диаграмме изображается вос­ходящей вертикальной прямой линией при d= cons t. Процесс охлаждения также протекает при d= constи изображается также вертикальной, но нисходящей прямой. Однако этот процесс справедлив только до состояния полного насы­щения ( =100 %). При дальнейшем охлаждении воздух будет насыщен влагой, которая будет выпадать в виде росы.

Процесс конденсации условно можно считать проходящим по линии =100 %.

Температура точки росы с помощью hd - диаграммы находится следующ­им образом. Из точки, характеризующей данное состояние влажного воздуха,
проводится вертикальная прямая до пересечения с линией =100 %. Изотерма,
проходящая через точку пересечения этих изолиний, и будет определять температуру росы t_p.

Рис. 2.8