9 Влажный газ

9.1 Основные понятия и определения

В природе в естественных условиях сухих газов не существует. Воздух, продукты сгорания топлива в тепловых двигателях всегда содержат определенное количество водяных паров. Небольшое содержание пара может при определенных условиях оказать заметное влияние на термодинамические свойства газа. В том же случае, когда массовая доля пара в смеси с сухим газом значительна, изменение состояния необходимо рассчитывать с учетом взаимного влияния свойств газов, входящих в нее. Термодинамические процессы с влажным газом встречаются в инженерной практике, когда рассчитываются процессы сушки, кондиционирования и вентиляции, а также процессы адиабатного расширения и сжатия при наличии фазовых переходов, хотя бы одного из компонентов.

Влажным газом называется смесь сухого газа и водяного пара, хотя в некоторых случаях газ может быть увлажнен и парами другой жидкости – эфира, спирта, аммиака и т. д.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называют влажным воздухом. Если влажный газ находится при относительно невысоком давлении, то можно считать, что его состояние описывается уравнением Клапейрона-Менделеева. То есть, смесь можно считать идеальным газом и, следовательно, для него справедлив закон Дальтона

,

где – давление смеси, ; – парциальное давление сухого газа, – парциальное давление пара.

Состояние пара во влажном воздухе определятся парциальным давлением пара и температурой парогазовой смеси. Если пар в смеси сухой насыщенный, то такой влажный газ (воздух) принято называть насыщенным газом (воздухом). В этом случае парциальное давление пара в смеси равно давлению насыщенных паров , при температуре смеси . Иначе, температура пара равна температуре кипения , определяемой по парциальному давлению пара ; то есть .

В том случае, когда , а пар в смеси находится в перегретом состоянии и газ называется ненасыщенным.

Температуру, при которой в процессе изобарного охлаждения парциальное давление пара становится равным давлению насыщения , называется температурой точки росы.

Парциальное давление пара, таким образом, подчиняется очевидному неравенству

.

Это означает, что массовая доля пара в смеси с воздухом определяется парциальным давлением пара, которое не может быть больше чем давление насыщающих паров , при температуре влажного газа (воздуха).

Содержание влаги в воздухе принято оценивать абсолютной и относительной влажностями.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги (в общем случае паровой, жидкой и твердой фаз – тумана и кристалликов льда) к ее объему или к равному ему объему влажного газа (воздуха).

(9.1)

где – абсолютная влажность, кг/м³; – масса влаги, кг; – объем влажного газа, м³. Если влага присутствует лишь в виде пара, то .

Относительной влажностью называют отношение плотности пара при его парциальном давлении и температуре смеси к плотности сухого насыщенного пара при той же температуре

. (9.2)

При повышении температуры относительная влажность уменьшается. При этом абсолютная влажность остается неизменной.

Запишем уравнение состояния для пара в смеси с воздухом

или

и .

Или, после подстановки в выражение для

. (9.3)

Относительная влажность может принимать значения или

Значение соответствует сухому воздуху; при – сухому насыщенному пару.

Массовым влагосодержанием называют отношение массы влаги , к массе сухого газа (воздуха)

. (9.4)

Мольным влагосодержанием называют отношение количества вещества влаги в газе (воздухе) к количеству вещества сухого газа

. (9.5)

Вспоминая, что , а , где и – мольные массы влаги и сухого газа, после подстановки получим .

Для влажного воздуха, в частности получим

Массовой долей пара во влажном воздухе называют отношение массы пара к массе влажного газа (воздуха)

(9.6)

Для массового влагосодержания запишем очевидную зависимость

.

Воспользуемся законом Дальтона и выразим соотношение удельных объемов

, (9.7)

– удельный объем влажного газа, м³/кг; – удельные парциальные объемы сухого газа и пара в смеси, м³/кг.

Или через плотности

. (9.8)

Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева для сухого газа (воздуха) и для пара, содержащегося во влажном воздухе

.

Поделим почленно второе выражение на первое и учитывая, что получим

. (9.9)

В частности, для воздуха и получим

, (9.10)

или в условиях насыщения

. (9.11)

По правилу фаз Гиббса, число независимых параметров, определяющих термодинамически равновесное состояния системы , где для влажного воздуха число компонентов число фаз . Тогда число независимых параметров, определяющих состояние влажного газа . Третий параметр должен прямо или косвенно определять концентрации компонентов.