Влажный воздух основные характеристики влажного воздуха. Термодинамические параметры влажного воздуха. Внимание! Важное определение

Атмосферный воздух практически всегда является влажным за счёт испарения в атмосферу воды с открытых водоёмов, а также вследствие горения органических топлив с образованием воды и т.п. Нагретый атмосферный воздух очень часто используется для сушки различных материалов в сушильных камерах и в других технологических процессах. Относительное содержание водяных паров в воздухе также является одной из важнейших составляющих климатического комфорта в жилых помещениях и в помещениях для длительного хранения продовольственных товаров и промышленных изделий. Эти обстоятельства определяют важность изучения свойств влажного воздуха и расчёта процессов сушки.

Здесь мы рассмотрим термодинамическую теорию влажного воздуха в основном с целью научиться рассчитывать процесс сушки влажного материала, т.е. научиться рассчитывать расход воздуха, который бы обеспечивал необходимую скорость сушки материала при заданных параметрах сушильной установки, а также с целью рассмотреть вопросы анализа и расчёта установок климатизации и кондиционирования воздуха.

Водяной пар, который присутствует в воздухе, может находиться либо в перегретом состоянии, либо в насыщенном. При определённых условиях водяной пар в воздухе может конденсироваться; тогда влага выпадает в виде тумана (облака), либо происходит запотевание поверхности – выпадение росы. Тем не менее, несмотря на фазовые переходы, находящийся во влажном воздухе водяной пар может с большой точностью рассматриваться как идеальный газ вплоть до состояния сухого насыщенного. В самом деле, например, при температуре t = 50 о С насыщенный водяной пар имеет давление p s = 12300 Па и удельный объём . Имея в виду, что газовая постоянная для водяного пара

т.е. при этих параметрах даже насыщенный водяной пар с ошибкой не более 0.6% ведёт себя как идеальный газ.

Таким образом, мы будем рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов с той лишь оговоркой, что в состояниях, близких к насыщению параметры водяного пара будут определяться по таблицам или диаграммам.

Введём некоторые понятия, характеризующие состояние влажного воздуха. Пусть в объёме пространства 1 м 3 находится влажный воздух в равновесном состоянии. Тогда количество сухого воздуха в этом объёме будет по определению плотностью сухого воздуха ρ св (кг/м 3), а количество водяного пара соответственно ρ вп (кг/м 3). Это количество водяного пара называется абсолютной влажностью влажного воздуха. Плотность влажного воздуха будет, очевидно,

При этом следует иметь в виду, что плотности сухого воздуха и водяного пара должны вычисляться при соответствующих парциальных давлениях, таким образом, что

т.е. мы считаем справедливым закон Дальтона для влажного воздуха.

Если температура важного воздуха равна t , то

Часто вместо плотности водяных паров , т.е. вместо абсолютной влажности, влажный воздух характеризуют так называемым влагосодержанием d , которое определяют как количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Для определения влагосодержания d выделим во влажном воздухе некоторый объём V 1 , такой чтобы масса сухого воздуха в нём составляла 1 кг, т.е. размерность V 1 в нашем случае есть м 3 /кг св. Тогда количество влаги в этом объёме будет d кг вп /кг св. Очевидно, что влагосодержание d связано с абсолютной влажностью ρ вп. В самом деле, масса влажного воздуха в объёме V 1 равна

Но поскольку объём V 1 мы выбрали так, чтобы в нём содержался 1 кг сухого воздуха, то очевидно . Второе же слагаемое есть по определению влагосодержание d , т.е.

Считая сухой воздух и водяной пар идеальными газами, получим

С учётом находим связь влагосодержания с парциальным давлением водяных паров в воздухе

Подставляя сюда численные значения , имеем окончательно

Поскольку водяной пар всё-таки не является идеальным газом в том смысле, что его парциальное давление и температура значительно ниже критических, влажный воздух не может содержать произвольное количество влаги в виде пара. Проиллюстрируем это на диаграмме p–v водяного пара (см. рис. 1).

Пусть начальное состояние водяных паров во влажном воздухе изображается точкой С. Если теперь при постоянной температуре t С добавлять во влажный воздух влагу в виде пара, например, путём испарения воды с открытой поверхности, то точка, изображающая состояние водяного пара, будет перемещаться вдоль изотермы t С =const влево. Плотность водяного пара во влажном воздухе, т.е. его абсолютная влажность, будет возрастать. Это увеличение абсолютной влажности будет продолжаться до тех пор, пока водяной пар при заданной температуре t С не станет сухим насыщенным (состояние S). Дальнейшее увеличение абсолютной влажности при заданной температуре невозможно, так как водяной пар начнёт конденсироваться. Таким образом, максимальное значение абсолютной влажности при заданной температуре есть плотность сухого насыщенного пара при этой температуре, т.е.

Отношение абсолютной влажности при заданной температуре и максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре называется относительной влажностью влажного воздуха, т.е. по определению имеем

Возможен также другой вариант конденсации паров во влажном воздухе, а именно изобарное охлаждение влажного воздуха. Тогда остаётся постоянным и парциальное давление водяного пара в воздухе. Точка C на диаграмме p–v будет смещаться влево вдоль изобары вплоть до точки R. Далее начнётся выпадение влаги. Такая ситуация очень часто осуществляется летом в течение ночи при охлаждении воздуха, когда на холодных поверхностях выпадает роса, а в воздухе образуется туман. По этой причине температура в точке R, при которой начинает выпадать роса, называется точкой росы и обозначается t R . Она определяется как температура насыщения, соответствующая заданному парциальному давлению пара

Энтальпия влажного воздуха в расчёте на 1 кг сухого воздуха вычисляется суммированием

при этом учитывается, что энтальпии сухого воздуха и водяного пара отсчитываются от температуры 0 о С (точнее от температуры тройной точки воды, равной 0.01 о С).

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.

В атмосферном воздухе, а следовательно, и в воздухе помещений всегда содержится определенное количество водяного пара.

Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м 3 воздуха, называется объемной концентрацией пара или абсолютной влажностью f в г/м 3 . Водяной пар, входящий в состав паровоздушной смеси занимает тот же объем v, что и сама смесь; температура Т пара и смеси одинакова.

Энергетический уровень молекул водяного пара, содержащихся во влажном воздухе, выражается парциальным давлением е

где М е - масса водяного пара, кг; μ м - молекулярный вес, кг/моль: R - универсальная газовая постоянная, кГ-м/град·моль, или мм рт. ст·м 3 /град·моль.

Физическая размерность парциального давления зависит от того, в каких единицах выражены давление и объем, входящие в универсальную газовую постоянную.

Если давление измеряется в кГ/м 2 , то парциальное давление имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт. ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.

В строительной теплофизике для парциального давления водяного пара обычно принимается размерность, выраженная в мм рт. ст.

Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы используются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося в воздухе; количество это выражается в единицах, измеряющих давление или энергию пара.

Сумма парциальных давлений пара и воздуха равна полному давлению паровоздушной смеси

Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмосферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.

Предельное значение парциального давления Е в мм рт. ст. соответствует полному насыщению воздуха водяным паром F макс в г/м 3 и возникновению его конденсации, происходящей обычно на материальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешенном состоянии.

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденсация на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные значения величин Е в мм рт. ст. и F в г/м 3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t=16° С они равны друг другу.

С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха величины е и f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением температуры. Температура, при которой воздух достигает полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы.

Значения величин Е для влажного воздуха с различной температурой (при барометрическом давлении 755 мм рт. ст.) указаны в

При отрицательных температурах следует иметь в виду, что давление насыщенного водяного пара над льдом меньше давления над переохлажденной водой. Это видно из рис. VI.3, на котором представлена зависимость парциального давления насыщенного водяного пара Е от температуры.

В точке О, которая называется тройной, пересекаются границы трех фаз: льда, воды и пара. Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.

Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается относительным парциальным давлением или относительной влажностью.

Относительная влажность ср является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при данной температуре. В физическом отношении величина φ безразмерна и ее значения могут изменяться от 0 до 1; в строительной практике величину относительной влажности обычно выражают в процентах:

Относительная влажность имеет большое значение как в гигиеническом, так и в техническом отношении. Величина φ связана с интенсивностью испарения влаги, в частности, с поверхности кожи человека. Нормальной для постоянного пребывания человека считается относительная влажность в пределах от 30 до 60%. Величина φ характеризует также процесс сорбции, т. е. поглощения влаги пористыми гигроскопическими материалами, находящимися в контакте с воздушной влажной средой.

Наконец, величина φ определяет процесс конденсации влаги как на пылинках и других взвешенных частицах, содержащихся в воздушной среде, так и на поверхности ограждающих конструкций. Если воздух с определенным влагосодержанием подвергнуть нагреванию, то относительная влажность нагретого воздуха понизится, поскольку величина парциального давления водяного пара е останется постоянной, а максимальное его значение Е увеличится с повышением температуры, см. формулу (VI.3).

Наоборот, при охлаждении воздуха с неизменным влагосодержанием, его относительная влажность будет увеличиваться из-за уменьшения величины Е.

При некоторой температуре максимальное значение парциального давления Е окажется равным величине е, имеющейся в воздухе, а относительная влажность φ - равной 100%, что соответствуе точке росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление остается постоянным (максимальным), а излишнее количество влаги конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние. Таким образом, процессы нагревания и охлаждения воздуха связаны с изменениями его температуры, относительной влажности, а следовательно, и первоначального объема.

За основные величины при резких изменениях температуры влажного воздуха (например, при расчетах вентиляционных процессов) часто принимают его влагосодержание и теплосодержание (энтальпию).

где 18 и 29 - молекулярные веса водяного пара и сухого воздуха Р=Р е +Р в - общее давление влажного воздуха.

При постоянном общем давлении влажного воздуха (например, Р=1) его влагосодержание определяется только парциальным давлением водяного пара

Плотность влажного воздуха уменьшается с увеличением парциального давления по линейному закону.

Существенное различие молекулярных весов водяного пара и сухого воздуха приводит к повышению абсолютной влажности и парциального давления в наиболее теплых зонах (обычно в верхней зоне) помещений, в соответствии с закономерностями, .

где с р - удельная теплоемкость влажного воздуха, равная 0,24+0,47d (0,24 - теплоемкость сухого воздуха; 0,47 - теплоемкость водяного пара); t - температура,°С; 595 - удельная теплота испарения при 0°С, ккал/кг; d - влагосодержание влажного воздуха.

Изменение всех параметров влажного воздуха (например, при колебаниях его температуры) можно установить по I - d диаграмме, основными величинами которой являются теплосодержание I и влагосодержание d воздуха при среднем значении барометрического давления.

На I - d диаграмме теплосодержание I отложено по оси ординат, а проекции влагосодержания d - по оси абсцисс; на эту ось спроектированы истинные значения влагосодержания с наклонной оси, расположенной под углом в 135° к оси ординат. Тупой угол принят в целях более четкого построения на диаграмме кривых влажности воздуха (рис. VI.4).

Линии одинакового теплосодержания (I=const) располагаются на диаграмме наклонно, а одинакового влагосодержания (d = const) - вертикально.

Кривая полного насыщения воздуха влагой φ=1 делит диаграмму на верхнюю часть, в которой воздух неполностью насыщен, и нижнюю, где воздух полностью насыщен влагой и могут происходить процессы конденсации.

В нижней части диаграммы расположена построенная в обычной сетке координат по формуле (VI.4) линия p e =f(d) роста парциальных давлений водяного пара, выражаемых в мм рт. ст.

Диаграммы теплосодержания и влагосодержания широко используются в отопительно-вентиляционной практике при расчете процессов нагревания и охлаждения воздуха, а также в сушильной технике. С помощью I - d диаграмм можно установить все необходимые параметры влажного воздуха (теплосодержание, влагосодержание, температуру, точку росы, относительную влажность, парциальное давление), если известны только два из этих параметров.

Примечания

1. Это давление иногда называют упругостью водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары, в отличие от других составляющих смеси, могут находиться в воздухе, как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Содержание водяных паров в воздухе изменяется, как в процессе влажностной обработки его в приточных вентиляционных системах и кондиционерах, так и при ассимиляции воздухом выделений влаги в помещении. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит (по объёму): около 75% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов- аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и других. Указанные компоненты газовой смеси воздуха составляют его сухую часть, прочая часть воздушной массы это водяные пары.

Воздух рассматривается как смесь идеальных газов , что позволяет использовать законы термодинамики для получения расчётных формул.

Согласно закону Дальтона, каждый газ смеси, составляющий воздух, занимает свой объём, имеет своё парциальное давление

P i ,

и имеет одинаковую температуру с другими газами этой смеси.

Внимание! Важное определение:

Сумма парциальных давлений каждого из составляющих смеси равна полному барометрическому давлению воздуха.

B = Σ Р i , Па.

Рассмотрим понятие, что такое парциальное давление ?

Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав этой смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объёме и при той же температуре, что и в смеси.

В расчётах вентиляции влажный воздух мы рассматриваем как бинарную смесь, т.е. смесь двух газов, которая состоит из водяных паров и сухой части воздуха. Сухую часть воздуха мы условно принимаем однородным газом.

Таким образом, барометрическое давление равно сумме парциальных давлений сухого воздуха P с.в. и водяного пара P п , т.е.,

B = P с.в. +P п

При обычных условиях в помещении, когда давление водяного пара Р п приблизительно равно 15 мм. рт. ст., доля второго члена P с.в. в формуле барометрического давления, учитывающая разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составляет всего 0,75% величины плотности сухого воздуха ρ с.в. . Поэтому в наших инженерных расчётах считается, что

ρ возд. = ρ с.в.

При изменении влажности воздуха в вентиляционных процессах масса его сухой части остаётся неизменной. Исходя из этого, принято относить массу водяных паров, содержащихся в воздухе, к 1 кг. сухой части воздуха.

Перейдём непосредственно к тем физическим величинам, которые определяют параметры влажного воздуха. Именно совокупность этих параметров определяет состояние влажного воздуха:

это величина, характеризующая степень нагретости тела . Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. В настоящее время используется температурная шкала Цельсия и термодинамическая шкала температур Кельвина, которая основана на втором законе термодинамики. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется соотношение, а именно:

T, K = 273,15 + t °C

Важно отметить, что параметром состояния является абсолютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу Цельсия, т.е.

dT = dt.

Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нём водяного пара. Массу водяного пара в граммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг.

Величина d равна:

где: B – барометрическое давление, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха.
P с.в. и водяного пара P п ;
P п – парциальное давление водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе.

Величина φ равна отношению парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе P п. к парциальному давлению водяного пара в насыщенном влажном воздухе P н.п. при одной и той же температуре и барометрическом давлении, т.е.,

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом , а водяные пары, содержащиеся в этом воздухе, находятся в насыщенном состоянии.

Если φ < 100%, то воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии и его называют ненасыщенным влажным воздухом .

Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его величину определяют экспериментальным путём и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Pн.п. в Па или в мм. рт. ст . от температуры в t °C .

Например, для области положительных температур от 0°C и выше давление насыщенного водяного пара в Па, приблизительно выражается зависимостью:

P н.п. = 479 + (11,52 + 1,62 t) 2 , Па

Пользуясь понятием относительной влажности φ , влагосодержание воздуха можно определить как

Для вентиляционных процессов диапазон температур это величина постоянная и равна

С с.в. = 1,005 кДж/(кг ×°C).

В обычных для вентиляционных процессов в диапазоне температур эту величину можно считать постоянной и равной

С п = 1,8 кДж/(кг × °C).

J с.в. = С с.в. × t ,

где: t – температура воздуха, в °C.

Энтальпию сухого воздуха J с.в. при t = 0°C принимают равной 0.

для воды при t = 0°C равна 2500 кДж/кг .

в воздухе при произвольной температуре t , составляет

J п = 2500 + 1,8 t.

складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара.

Энтальпия J влажного воздуха, отнесённая к 1 кг сухой части влажного воздуха, в кДж/кг , при произвольной температуре t и произвольном влагосодержании d , равна:

где: 1,005 – C с.в. теплоёмкость сухого воздуха, _кДж/(кг×°С) ;
2500 – r удельная теплота парообразования, кДж/(кг×°С) ;
1,8 – C п теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг×°С) .

Если воздух передаёт явное тепло , он нагревается, т.е. его температура повышается. При нагревании влажного воздуха энтальпия изменяется в результате изменения температуры сухой части воздуха и водяных паров. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой от внешних источников (изотермическое увлажнение паром), ему передаётся скрытая теплота парообразования. Энтальпия влажного воздуха при этом также возрастает, потому что к энтальпии сухой части воздуха прибавляется энтальпия водяного пара. Температура воздуха при этом почти не меняется, что и послужило причиной введения этого термина — скрытая теплота.

В общем случае, энтальпия влажного воздуха состоит из явной и скрытой теплоты, поэтому энтальпию иногда называют полной теплотой.

Для дальнейших расчётов систем вентиляции и кондиционирования нам потребуются следующие основные параметры влажного воздуха:

температура t в , °С ;
влагосодержание d в , г/кг ;
относительная влажность φ в , % ;
теплосодержание J в , кДж/кг ;
концентрация вредных примесей С , мг/м 3 ;
скорость движения V в , м/сек.

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

Наименование определяемой величины	Обозначение	Размерность	Численная величина
Давление влажного воздуха
Температура сухого термометра
Температура мокрого термометра	t м
Относительная влажность воздуха
Давление насыщенного пара
Парциальное давление водяного пара
Парциальное давление сухого воздуха

Плотность влажного воздуха
Абсолютная влажность	r п
Газовая постоянная влажного воздуха
Энтальпия влажного воздуха
Масса влажного воздуха

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