Параметры состояния влажного воздуха. Основные параметры влажного воздуха. Смешение воздуха с различными параметрами

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Методические указания

для студентов специальностей 280201

дневной и заочной форм обучения

Саратов 2009

Цель работы : углубление знаний по разделу технической термодинамики «Влажный воздух», изучение методики расчета параметров влажного воздуха и получение навыков в работе с измерительными приборами.

В результате работы должно быть усвоено:

1) основные понятия о влажном воздухе;

2) методика определения параметров влажного воздуха по

расчетным зависимостям;

3) методика определения параметров влажного воздуха по

I-d-диаграмме.

1) определить значение параметров влажного воздуха по

расчетным зависимостям;

2) определить параметры влажного воздуха с помощью

I-d-диаграммы;

3) составить отчет о выполненной лабораторной работе.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим воздухом. В природе сухой воздух не встречается, так как атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Влажный воздух широко используется в сушильных и вентиляционных установках, устройствах кондиционирования воздуха и т. д.

Характерная особенность процессов, протекающих во влажном воздухе, заключается в том, что количество водяного пара, содержащегося в воздухе, изменяется. Пар может частично конденсироваться и, наоборот, вода испаряется в воздух.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называется ненасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление пара рп в смеси меньше давления насыщения рн, соответствующего температуре влажного воздуха (рп<рн). Температура пара выше температуры его насыщения при данном парциальном давлении.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара, называется насыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара в смеси равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха. Температура пара равна температуре конденсации при данном парциальном давлении пара.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и влажного насыщенного водяного пара (то есть в воздухе имеются частицы сконденсированного пара, находящиеся во взвешенном состоянии и выпадающие в виде росы), называется перенасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха, которая равна в данном случае температуре конденсации находящегося в нем пара. В этом случае температура влажного воздуха называется температурой точки росы t р . Если парциальное давление водяного пара окажется по каким-либо причинам больше давления насыщения, то часть пара сконденсируется в виде росы.

Основными показателями, характеризующими состояние влажного воздуха, являются влагосодержание d , относительная влажность j , энтальпия I и плотность r .

Расчет параметров влажного воздуха производится с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона для идеального газа, которому с достаточным приближением подчиняется влажный воздух. Рассматриваем влажный воздух как газовую смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара.

Согласно закону Дальтона, давление влажного воздуха р равно:

где рв - парциальное давление сухого воздуха, Па;

рп - парциальное давление водяного пара, Па.

Максимальное значение парциального давления водяного пара равно давлению насыщенного водяного пара рн, соответствующего температуре влажного воздуха.

Количество водяного пара в смеси в кг, приходящееся на 1 кг сухого воздуха, называется влагосодержанием d , кг/кг:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image003_38.gif" width="96" height="53">, так как , то ; (3)

Так как , то , (4)

где V – объем газовой смеси, м3;

R в , R п – газовые постоянные воздуха и водяного пара, равные

R в =287 Дж/(кг×К), R п =461 Дж/(кг×К);

Т – температура влажного воздуха, К.

Учитывая, что, и, подставляя выражения (3) и (4) в формулу (2), окончательно получаем:

DIV_ADBLOCK64">

Относительной влажностью j называется отношение плотности пара (то есть абсолютной влажности r п ) к максимально возможной абсолютной влажности (плотности r п max ) при данной температуре и давлении влажного воздуха:

Так как r п и r п max определяются при той же температуре влажного воздуха, то

https://pandia.ru/text/78/602/images/image013_6.gif" width="107" height="31"> . (8)

Плотность сухого воздуха и водяного пара определяется из уравнения Менделеева-Клапейрона, записанного для данных двух компонентов газовой смеси по (3) и (4).

R находится по формуле:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image015_6.gif" width="175" height="64 src=">.

Энтальпия влажного воздуха I представляет собой сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

I = i в + d × i п . (11)

Энтальпия сухого воздуха и пара:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image017_4.gif" width="181" height="39"> , (13)

где t м – показания мокрого термометра, °С;

(tc - t м ) – психрометрическая разность, °С;

х – поправка к температуре мокрого термометра, %, определяется

по графику, расположенному на стенде, в зависимости от t м и скорости

Для определения давления влажного воздуха используется барометр .

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерить температуру сухого и мокрого термометров. Определить истинную величину температуры мокрого термометра по формуле (13). Найти разность D t = tc - t м ист и по психрометрической таблице определить относительную влажность воздуха.

Зная величину относительной влажности, из выражения (7) найти парциальное давление водяного пара.

по (12), (13).

Удельный объем влажного воздуха находится по формуле:

Массу влажного воздуха М , кг, в помещении лаборатории определяют по формуле:

где V – объем помещения, м3;

р – давление влажного воздуха, Па.

Результаты расчетов и показания приборов занести в таблицу по следующей форме.

Протокол записи показаний измерительных приборов

и результатов вычислений

Далее следует определить основные параметры влажного воздуха по замеренным tc и t м при помощи I-d-диаграммы. Точка пересечения на I-d-диаграмме изотерм, соответствующих температурам мокрого и сухого термометров, характеризует состояние влажного воздуха.

Сопоставить данные, полученные по I-d-диаграмме, с величинами, определенными с помощью математических зависимостей.

Максимальная возможная относительная погрешность определения парциального давления водяного пара и сухого воздуха определяется по формулам:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image022_2.gif" width="137" height="51">; ,

где через D обозначен предел абсолютной погрешности измерения

Предел абсолютной погрешности гигрометра в данной лабораторной работе составляет ±6%. Абсолютная допускаемая погрешность термометров психрометра составляет ±0,2%. В работе установлен барометр с классом точности 1,0.

ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о выполненной лабораторной работе должен содержать

следующее:

1) краткое описание работы;

2) протокол записи показаний измерительных приборов и

результатов вычислений;

3) рисунок с I-d-диаграммой, где определено состояние влажного

воздуха в данном эксперименте.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется влажным воздухом?

2. Что называется насыщенным и ненасыщенным влажным воздухом?

3. Закон Дальтона применительно к влажному воздуху.

4. Что называется температурой точки росы?

5. Что называется абсолютной влажностью?

6. Что называется влагосодержанием влажного воздуха?

7. В каких пределах может изменяться влагосодержание?

8. Что называется относительной влажностью воздуха?

9. В I-d-диаграмме покажите линии j=const, I=const; d=const, tс=const, tм=const.

10. Чему равна максимально возможная плотность пара при данной температуре влажного воздуха?

11. Чем определяется максимально возможное парциальное давление водяного пара во влажном воздухе и чему оно равно?

12. От каких параметров влажного воздуха зависит температура мокрого термометра и как она изменяется при их изменении?

13. Как можно определить парциальное давление водяного пара в смеси, если известны относительная влажность и температура смеси?

14. Написать уравнение Менделеева-Клапейрона для сухого воздуха, водяного пара, влажного воздуха и объяснить все входящие в уравнение величины.

15. Как определить плотность сухого воздуха?

16. Как определить газовую постоянную и энтальпию влажного воздуха?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ляшков основы теплотехники / . М.: Высшая школа, 20с.

2. Зубарев по технической термодинамике / , . М.: Энергия, 19с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплотехника»

Составили: СЕДЕЛКИН Валентин Михайлович

КУЛЕШОВ Олег Юрьевич

КАЗАНЦЕВА Ирина Леонидовна

Рецензент

Редактор

Лицензия ИД № 000 от 14.11.01

Подписано в печать Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Копипринтер СГТУ, 7

1. Абсолютная влажность.

Массовое количество пара в 1 м 3 воздуха –

2. Относительная влажность.

Отношение массового количества пара в паровоздушной смеси к максимально возможному количеству при той же температуре

(143)

Уравнение Менделеева – Клапейрона:

Для пара

Откуда:

Для определения относительной влажности воздуха используется прибор ""психрометр"", состоящий из двух термометров: мокрого и сухого. Разность показаний термометров градуируется в значения .

3. Влагосодержание.

Количество пара в смеси, приходящееся на 1 кг сухого воздуха.

Пусть мы имеем 1 м 3 воздуха. Его масса - .

В этом кубометре содержится: - кг пара, - кг сухого воздуха.

Очевидно: .

4. Энтальпия воздуха.

Складывается из двух величин: энтальпия сухого воздуха и пара.

5. Точка росы.

Температура, при которой газ данного состояния, охлаждаясь при постоянном влагосодержании (d=const), становится насыщенным ( =1.0), называется точкой росы .

6. Температура мокрого термометра.

Температура, при которой газ при взаимодействии с жидкостью, охлаждаясь при постоянной энтальпии (J=const), становится насыщенным ( =1.0), называется температурой мокрого термометра t M .

Диаграмма состояния воздуха.

Диаграмма составлена отечественным учёным Рамзиным (1918 год) и представлена на рис.169.

Диаграмма представлена для среднего атмосферного давления Р=745 мм рт. ст. и по сути является изобарой равновесия системы пар - сухой воздух.

Оси координат диаграммы J-d развёрнуты под углом 135 0 . Внизу располагается наклонная линия для определения парциального давления водяного пара P n . Парциальное давление сухого воздуха

Выше на диаграмме проведена кривая насыщения ( =100%). Процесс сушки на диаграмме можно представить только выше этой кривой. Для произвольной точки ""А"" на диаграмме Рамзина можно определить следующие параметры воздуха:

Рис.169. Диаграмма J-d состояния влажного воздуха.

Статика сушки.

В процессе конвективной сушки, например, воздухом влажный материал взаимодействует, контактирует с паровоздушной смесью, парциальное давление водяного пара в которой составляет . Влага может уходить из материала в виде пара, если парциальное давление пара в тонком пограничном слое над поверхностью материала или, как говорят, в материале Р м будет больше .

Движущая сила процесса сушки (Дальтон, 1803 г.)

(146)

В состоянии равновесия =0. Влагосодержание материала, соответствующее условию равновесия, называется равновесным влагосодержанием (U p).

Проведём опыт. В камеру сушильного шкафа при определённой температуре (t=const) поместим абсолютно сухое вещество на длительное время. При определённом воздуха в шкафу влагосодержание материала достигнет U p . Изменяя , можно получить кривую (изотерму) сорбции влаги материалом. При уменьшении - кривую десорбции.

На рис.170 представлена кривая сорбции – десорбции влажного материала (изотерма равновесия).

Рис.170. Изотерма равновесия влажного материала с воздухом.

1-область гигроскопического материала, 2-гигроскопическая точка, 3-область влажного материала, 4-область сорбции, 5-область десорбции, 6-область сушки.

Различают кривые равновесия:

1. гигроскопического

2. негигроскопического материала.

Изотермы представлены на рис.171.

Рис.171. Изотермы равновесия.

а) гигроскопического, б) негигроскопического материала.

Относительная влажность воздуха в сушилке и в атмосфере.

После сушилки при контакте с атмосферным воздухом гигроскопичный материал значительно увеличивает влагосодержание на (рис.171 а) за счёт адсорбции влаги из воздуха. Поэтому гигроскопический материал после сушки должен храниться в условиях, не допускающих контакта с атмосферным воздухом (эксикация, обёртка и др.).

Материальный баланс.

В качестве учёбной обычно принимают туннельную сушилку, т.к. она имеет транспортные средства в виде вагонеток (сушка кирпича, древесины и др.). Схема установки представлена на рис.172.

Рис.172. Схема туннельной сушилки.

1-вентилятор, 2-калорифер, 3-сушилка, 4-вагонетки, 5-линия рецикла отработанного воздуха.

Обозначения:

Расход и параметры воздуха до калорифера, после него и после сушилки.

Состояние влажного воздуха определяется совокупностью параметров: температурой воздуха t в, относительной влажностью в %, скоростью движения воздуха V в м/с, концентрацией вредных примесей С мг/м 3 , влагосодержанием d г/кг, теплосодержанием I кДж/кг.

Относительная влажность в долях или в% показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения и равна отношению давления Р п водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению Р п. н. водяного пара в насыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре и барометрическом давлении:

d= или d=623, г/кг, (1.2)

где В - барометрическое давление воздуха, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха Р С.В. и водяного пара Р П.

Парциальное давление водяных паров, находящихся в насыщенном состоянии, зависит от температуры:

КДж/кг, (1.4)

где с В - теплоемкость сухого воздуха, равная 1,005 ;

с П - теплоемкость водяного пара, равная 1,8 ;

r - удельная теплота парообразования, равная 2500 ;

I = 1,005t + (2500 + 1,8t) d * 10 -3 , кДж/кг. (1.5)

I-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов изменения состояния воздуха. Точка росы и мокрого термометра. Угловой коэффициент и связь его с поступлением тепла и влаги в помещение

I-d диаграмма влажного воздуха - это основной инструмент для построения процессов изменения его параметров. I-d диаграмма основана на нескольких уравнениях: теплосодержания влажного воздуха:

I = 1,005 * t + (2500 + 1,8 * t) * d/1000, кДж/кг (1.6)

в свою очередь давление водяных паров:

давление водяных паров, насыщающих воздух:

Па (Формула Фильнея), (1.9)

а - относительная влажность воздуха, %.

В свою очередь в формулу 1.7 входит барометрическое давление Р бар, разное для различных районов строительства, следовательно, для точного построения процессов требуется I-d диаграмма для каждого района.

I-d диаграмма (рис.1.1) имеет косоугольную систему координат для увеличения рабочей площади, приходящейся на влажный воздух и лежащей выше линии = 100%. Угол раскрытия может быть разным (135 - 150є).

I-d диаграмма связывает воедино 5 параметров влажного воздуха: тепло и влагосодержание, температуру, относительную влажность и давление водяных паров насыщения. Зная два из них, по положению точки можно определить все остальные.

Основными характерными процессами на I-d диаграмме являются:

Нагрев воздуха по d = const (без увеличения влагосодержания) рис.1.1, точки 1-2. В реальных условиях это нагрев воздуха в калорифере. Увеличивается температура и теплосодержание. Уменьшается относительная влажность воздуха.

Охлаждение воздуха по d = const. Точки 1-3 на рис.1.1 Этот процесс происходит в поверхностном воздухоохладителе. Уменьшается температура и теплосодержание. Увеличивается относительная влажность воздуха. Если продолжить охлаждение, то процесс дойдет до линии = 100% (точка 4) и, не пересекая линию, пойдет вдоль нее, выделяя влагу из воздуха (точка 5) в количестве (d 4 -d 5) г/кг. На этом явлении основана осушка воздуха. В реальных условиях процесс не доходит до = 100%, а окончательная относительная влажность зависит от начальной величины. По данным профессора Кокорина О.Я. для поверхностных воздухоохладителей:

max = 88% при начальном нач = 45%

max = 92% при начальном 45% < нач 70%

max = 98% при начальном нач > 70%.

На I-d диаграмме процесс охлаждения и осушки обозначается прямой линией, соединяющей точки 1 и 5.

Однако встреча с = 100% линии охлаждения по d = const имеет свое собственное название - это точка росы. По положению этой точки легко определяется температура точки росы.

Изотермический процесс t = const (линия 1-6 на рис 1.1). Все параметры возрастают. Увеличивается и тепло, и влагосодержание, и относительная влажность. В реальных условиях это увлажнение воздуха паром. То небольшое количество явного тепла, которое вносится паром, обычно не учитывается при построении процесса, т.к оно незначительно. Однако такое увлажнение достаточно энергоемко.

Адиабатный процесс I = const (линия 1-7 на рис.1.1). Снижается температура воздуха, увеличивается влагосодержание и относительная влажность. Процесс осуществляется при непосредственном контакте воздуха с водой, проходя либо через орошаемую насадку, либо через форсуночную камеру.

При глубине орошаемой насадки 100 мм можно получить воздух с относительной влажностью = 45% при начальной - 10%, насадка глубиной 200 мм дает = 70%, а 300 мм - = 90% (по данным блоккамер сотового увлажнения фирмы ВЕЗА). Проходя через форсуночную камеру, воздух увлажняется до величины = 90 - 95%, но со значительно большими энергозатратами на распыление воды, чем в орошаемых насадках.

Продолжив линию I = const до = 100%, мы получим точку (и температуру) мокрого термометра, это равновесная точка при контакте воздуха с водой.

Однако в аппаратах, где происходит контакт воздуха с водой, особенно по адиабатическому циклу, возможно возникновение болезнетворной флоры, и поэтому такие аппараты запрещены для использования в ряде медицинских и продовольственных отраслей.

В странах с жарким и сухим климатом аппараты на основе адиабатического увлажнения весьма распространены. Так, например, в Багдаде при дневной температуре в июне - июле 46єС и относительной влажности 10% такой кулер позволяет снизить температуру приточного воздуха до 23єС и при 10-20-кратном воздухообмене в помещении достигнуть внутренней температуры 26єС и относительной влажности 60-70%.

При сложившейся методике построения процессов на I-d диаграмме влажного воздуха наименование реперных точек получили следующую аббревиатуру:

Н - точка наружного воздуха;

В - точка внутреннего воздуха;

К - точка после нагрева воздуха в калорифере;

П - точка приточного воздуха;

У - точка воздуха, удаляемого из помещения;

О - точка охлажденного воздуха;

С - точка смеси воздуха двух различных параметров и масс;

ТР - точка росы;

ТМ - точка мокрого термометра, которая и будет сопровождать все дальнейшие построения.

При смешивании воздуха двух параметров линия смеси пойдет по прямой, соединяющей эти параметры, а точка смеси будет лежать на расстоянии, обратно пропорциональном массам смешиваемого воздуха.

КДж/кг, (1.10)

Г/кг. (1.11)

При одновременном выделении в помещение избыточного тепла и влаги, что обычно бывает при нахождении в помещении людей, воздух будет нагреваться и увлажняться по линии, называемой угловым коэффициентом (или лучом процесса, либо тепловлажностным отношением) е:

КДж/кгН 2 О, (1.12)

где?Q n - суммарное количество полного тепла, кДж/ч;

W - суммарное количество влаги, кг/ч.

При?Q n = 0 е = 0.

При?W = 0 е > ? (рис.1.2)

Таким образом, I-d диаграмма по отношению к внутреннему воздуху (или к другой точке) разбивается на четыре квадранта:

Iе от? до 0 - это нагрев и увлажнение;

IIе от 0 до - ? - охлаждение и увлажнение;

IIIе от - ? до 0 - охлаждение и осушка;

IVе от 0 до? - нагрев и осушка - в вентиляции и кондиционировании не используется.

Для точного построения луча процесса на I-d диаграмме, следует взять значение е в кДж/гН 2 О, и отложить на оси влагосодержание d = 1, или 10 г, а на оси теплосодержание в кДж/кг соответствующее е и полученную точку соединить с точкой 0 I-d диаграммы.

Процессы, не являющиеся основными, называются политропическими.

Изотермический процесс t = const характеризуется значением е = 2530 кДж/кг.

Рис.1.1

Рис.1.2 I-d диаграмма влажного воздуха. Основные процессы

Лекция СУШКА.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых тел путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Во всех случаях при сушке в виде паров удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель, и.т.д.)

По физической сущности сушка является процессом совместного тепло, массопереноса и сводится к перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому его температура и влагосодержание в общем случае является функцией времени и координат.

В практике используется понятие влажность v, которая определяется как:

(5.2)

Если то тогда

По способу подвода теплоты различают:

Конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента;

Контактную (кондуктивную) сушку, тепло передается к материалу через разделяющую их стенку;

Радиационную сушку – путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

Сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

Диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

При любом способе сушки материал находится в контакте с влажным воздухом. В большинстве случаев из материала удаляется вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух – пары воды.

Параметры влажного воздуха.

Смесь сухого воздуха с парами воды является влажным воздухом. Параметры влажного воздуха:

Относительная и абсолютная влажность;

Теплоемкость и энтальпия.

Влажный воздух, при небольших P и Т, можно считать бинарной смесью идеальных газов – сухого воздуха и водяного пара. Тогда по закону Дальтона можно записать:

(5.3)

где P – давление парогазовой смеси, p c г – парциальное давление сухого воздуха, – парциальное давление водяного пара.

Свободный или перегретый пар – при данных Т и Р он не конденсируется. Максимально возможное содержание паров в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной Т и парциальным давлении .

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание воздуха.

Абсолютная влажность – это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха (кг/м 3) . Понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара при температуре Т и парциальном давлении .

Относительная влажность - это отношение количества паров воды в воздухе к максимально возможному, при данных условиях, или отношение плотности пара при данных условиях к плотности насыщенного пара при тех же условиях:

По уравнению состояния идеального газа Менделеева – Клайперона для пара в свободном и насыщенном состоянии имеем:

и (5.5)

Здесь М п – масса одного моля пара в кг, R – газовая постоянная.

С учетом (5.5) уравнение (5.4) принимает вид:

Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента (воздуха).

Здесь G П – масса (массовый расход) пара, L – масса (массовый расход) абсолютно сухого газа. Выразим величины G П и L через уравнение состояния идеального газа:

,

Тогда соотношение (5.7) преобразуется к виду:

(5.8)

Масса 1 моля сухого воздуха в кг.

Вводя и учитывая получим:

(5.9)

Для системы воздух – водяной пар , . Тогда имеем:

(5.10)

Итак, установлена связь между влагосодержанием х и относительной влажностью φ воздуха.

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара.

Удельная теплоемкость влажного газа c , отнесенная к 1 кг сухого газа (воздуха):

(5.11)

где удельная теплоемкость сухого газа, удельная теплоемкость пара.

Удельная теплоемкость , отнесенная к 1 кг парогазовой смеси:

(5.12)

При расчетах обычно используют с .

Удельная энтальпия влажного воздуха Н относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха Т как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара :

(5.13)

Удельную энтальпию перегретого пара определяют по следующему выражению.

В атмосферном воздухе всегда содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такая смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Кроме водяного пара, влажный воздух может содержать мельчайшие капельки воды (в виде тумана) или кристаллы льда (снег, ледяной туман). Водяной пар во влажном воздухе может быть в насыщенном или перегретом состоянии. Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называют насыщенным влажным воздухом. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом. При невысоких (близких к атмосферному) давлениях, с достаточной для технических расчетов точностью, можно рассматривать и сухой воздух, и водяной пар как идеальные газы. При расчетах процессов с влажным воздухом обычно рассматривается 1 кг сухого воздуха. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси пара. Поэтому все удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха (а не к смеси).

Термодинамические свойства влажного воздуха характеризуются следующими параметрами состояния: температурой сухого термометра t с; влагосодержанием d, энтальпией I, относительной влажностью φ. Кроме того, в расчетах используют и другие параметры: температуру мокрого термометра t м, температуру точки росы t р, плотность воздуха ρ, абсолютную влажность е, парциальное давление водяного пара р п.

Температура − термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. В настоящее время применяют различные температурные шкалы: Цельсия (t, ºС), Кельвина (T, К), Фаренгейта (f, ºF) и др. Соотношения между показаниями по этим шкалам определяются по следующим уравнениям:

T К = t ºС +273,

t ºС = 5/9 (f ºF − 32),

f ºF = 9/5 t ºС +32.

Давление атмосферного воздуха р б (Па) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р с.в и водяного пара р п (закон Дальтона):

р б = р с.в + р п. (1)

Парциальное давление водяного пара, находящегося в атмосферном воздухе, определяют по формуле:

р п = φ·р н, (2)

где φ - относительная влажность воздуха, %;·р н – давление насыщения, определяется по таблицам насыщенного водяного пара при соответствующей температуре, Па.

Плотность атмосферного воздуха равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара:

ρ = ρ с.в + ρ п. (3)

Применяя уравнение состояния идеального газа: , получим:

(4)

где R с.в = 287 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная сухого воздуха;

R п = 463 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная водяного пара.

При атмосферном давлении р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха равна:

. (5)

При t = 0 ºС и р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха ρ с.в = 1,293 кг/м 3 .

Плотность атмосферного воздуха равна:

. (6)

Из уравнения (6) видно, что атмосферный (влажный) воздух легче сухого воздуха при тех же температурах и давлениях, а увеличение содержания водяного пара в воздухе уменьшает его плотность. Так как различие в значениях ρ с.в и ρ незначительно, то в практических расчетах принимают ρ ≈ ρ с.в.

Влажность. Различают абсолютную влажность,влагосодержание и относительную влажность.

Абсолютная влажность е − это масса водяного пара (кг), содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха. Абсолютная влажность может быть выражена в виде плотности пара в смеси при своем парциальном давлении и температуре смеси и определяется по формуле:

. (7)

Максимально возможная абсолютная влажность соответствует состоянию насыщения и называется влагоемкостью.

Используя уравнение состояния идеального газа, получим:

Относительная влажность воздуха φ равна отношению абсолютной влажности воздуха ρ п к максимально возможной абсолютной влажности ρ н (влагоемкости) при данной температуре. Она показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения. Для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений компонентов.

Относительная влажность определяется по формуле:

. (10)

При φ < 100% воздух ненасыщенный, при φ = 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным.

Степень насыщения воздуха Ψ есть отношение влагосодержаний ненасыщенного и насыщенного воздуха и определяется по формуле:

. (11)

Теплоемкость влажного воздуха обычно относится к (1 + d) кг влажного воздуха и определяется по формуле:

с в = с с.в + d·с п, (12)

где с с.в и с п − удельная теплоемкость при постоянном давлении соответственно сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг·К).

Для интервала температур от минус 50 °С до 50 °С удельные теплоемкости сухого воздуха и пара можно считать постоянными: с с.в = 1,006 кДж/(кг·К), с п = 1,86 кДж/(кг·К).

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, и определяется по формуле:

I = i с.в + d·i п (13)

где i с.в − удельная энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; i п − удельная энтальпия водяного пара, содержащегося во влажном воздухе кДж/кг.

Энтальпии сухого воздуха и водяного пара определяются по формулам:

i с.в = с с.в ·t = 1,006·t, (14)

i п = r + с п ·t . (15)

где r − скрытая теплота парообразования при парциальном давлении водяного пара в смеси, кДж/кг.

Скрытая теплота парообразования r для значений t Н от 0 °С до 100 °С может быть выражена формулой:

r = 2500 − 2,3 t н.

При расчете энтальпии смесей всегда очень важно иметь одно и то же начало отсчета энтальпий каждого компонента. За начало отсчета примем энтальпию при t = 0 ºС и d = 0. Для атмосферного воздуха энтальпия определяет количество теплоты, которое нужно подвести к воздуху, сухая часть которого имеет массу 1 кг, чтобы изменить его состояние от начального (I = 0 кДж/кг) до данного. Энтальпия может быть положительной и отрицательной.

Подстановка полученных соотношений в формулу (13) приводит ее к виду:

Температура точки росы t р − это температура воздуха, до которой необходимо охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация водяного пара.

Температура мокрого термометра . Для измерения влажности часто применяют прибор, называемый психрометром. Он состоит из двух термометров − сухого и мокрого. Мокрый термометр отличается тем, что чувствительный элемент обернут тканью, смоченной водой. Сухой термометр показывает температуру влажного воздуха, его показания называют температурой сухого термометра t с. Мокрый термометр показывает температуру воды, содержащейся в мокрой ткани. При обдувании мокрого термометра воздухом происходит испарение воды с поверхности мокрой ткани. Поскольку на испарение влаги затрачивается теплота парообразования, температура влажной ткани будет понижаться, поэтому такой термометр всегда показывает более низкую температуру, чем сухой термометр. При наличии разности температур между воздухом и водой возникает тепловой поток от воздуха к воде. Когда теплота, получаемая водой от воздуха, становится равной теплоте, затрачиваемой на испарение, увеличение температуры воды прекращается. Эту равновесную температуру называют температурой мокрого термометра t м. Если в некоторый объем воздуха поступает вода при температуре t м, то за счет испарения части этой воды через некоторое время воздух становится насыщенным. Такой процесс насыщения называется адиабатным. При этих условиях вся теплота, подводимая от воздуха к воде, расходуется только на испарение, а затем вновь возвращается с паром обратно в воздух.

I-d диаграмма влажного воздуха

Диаграмма влажного воздуха дает графическое представление о связи параметров влажного воздуха и является основной для определения параметров состояния воздуха и расчета процессов тепловлажностной обработки.

В I-d диаграмме (рис. 2) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d г/кг сухого воздуха, а по оси ординат − энтальпия I влажного воздуха. На диаграмме нанесены вертикальные прямые постоянного влагосодержания (d = const). За начало отсчета принята точка О, в которой t = 0 °С, d = 0 г/кг и, следовательно, I = 0 кДж/кг. При построении диаграммы использована косоугольная система координат для увеличения области ненасыщенного воздуха. Угол между направлением осей 135° или 150°. Для удобства пользования под углом 90º к оси энтальпий проводят условную ось влагосодержаний. Диаграмма строится для постоянного барометрического давления. Пользуются I-d диаграммами, построенными для атмосферного давления р б = 99,3 кПа (745 мм.рт.ст) и атмосферного давления р б = 101,3 кПа (760 мм.рт.ст).

На диаграмму нанесены изотермы (t с = const) и кривые относительной влажности (φ = const). Уравнение (16) показывает, что изотермы в I-d диаграмме − прямые линии. Все поле диаграммы линией φ = 100% разделено на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного воздуха. На линии φ = 100% находятся параметры насыщенного воздуха. Ниже этой линии располагаются параметры состояния насыщенного воздуха, содержащего взвешенную капельную влагу (туман).

Для удобства работы в нижней части диаграммы строится зависимость, наносят линию парциального давления водяного пара р п от влагосодержания d. Шкала давлений располагается с правой стороны диаграммы. Каждая точка на I-d диаграмме соответствует определенному состоянию влажного воздуха.

Определение параметров влажного воздуха по I-d диаграмме. Метод определения параметров показан на рис. 2. Положение точки А определяется двумя параметрами, например, температурой t А и относительной влажностью φ А. Графически определяем: температуру сухого термометра t с, влагосодержание d А, энтальпию I А. Температура точки росы t р определяется как температура точки пересечения линии d А = const с линией φ = 100 % (точка Р). Параметры воздуха в состоянии полного насыщения влагой определяются на пересечении изотермы t А с линией φ = 100 % (точка Н).

Процесс увлажнения воздуха без подвода и отвода теплоты будет проходить при постоянной энтальпии I А = const (процесс А-М). На пересечения линии I А = const с линией φ = 100 % (точка М) находим температуру мокрого термометра t м (линия постоянной энтальпии практически совпадает с изотермой
t м = const). В ненасыщенном влажном воздухе температура мокрого термометра меньше температуры сухого термометра.

Парциальное давление водяного пара p П находим, проведя из точки А линию d А = const до пересечения с линией парциального давления.

Разность температур t с – t м = Δt пс называется психрометрической, а разность температур t с – t р гигрометрической.