Тема 1.9 Влажный воздух

Вопросы темы

Влажный воздух, как смесь сухого воздуха и водяного пара. Насыщенный, ненасыщенный и перенасыщенный влажный воздух. Основные параметры влажного воздуха: абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, удельный объем, энтальпия, диаграмма H-d (диаграмма I-d).

В технике часто используются смеси газов с парами, которые при определенных условиях легко конденсируются. Наиболее характерным примером парогазовых смесей является атмосферный воздух, в котором всегда находятся пары воды. Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Знание свойств влажного воздуха имеет большое значение при проектировании и эксплуатации сушильных и вентиляционно-увлажнительных установок.

При небольших давлениях можно рассматривать сухой воздух и водяной пар, который в нем содержится, как идеальные газы. В этом случае для них справедливы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов.

Согласно закона Дальтона, абсолютное давление влажного воздуха Р_бар равняется, как правило, атмосферному давлению, – сумма парциальных давлений сухого воздуха Р_с.в и водяного пара Р_п

Р = Р_с.в + Р_п

Водяной пар находится во влажном воздухе в перегретом состоянии. В этом случае парциальное давление водяного пара ниже давления насыщения Р_н влажного воздуха при данной температуре. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называется влажным ненасыщенным воздухом. Если снижать температуру ненасыщенного влажного воздуха при постоянном давлении, то можно достичь состояния, когда Р_п = Р_н, т.е. давление и температура водяного пара соответствуют состоянию насыщения. Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называется насыщенным влажным воздухом. Температура, до которой необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы t_p.

Следовательно, температура точки росы в каком-либо состоянии влажного воздуха численно равна температуре насыщения, соответствующей данному парциальному давлению пара Р_п.

Для характеристики паровоздушной смеси необходимо знать ее состав. О составе влажного воздуха судят по его влажности и влагосодержанию. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, приходящегося на 1 м³ влажного воздуха, т.е.

Учитывая, что объем влажного воздуха V_в.в равен объему пара V_п, абсолютная влажность воздуха численно равна плотности содержащегося в нем водяного пара ρ_п.

Отношение абсолютной влажности ρ_п и максимально возможной абсолютной влажности ρ_н, соответствующей t_п, характеризует степень насыщения и называется относительной влажностью воздуха.

Значения φ могут изменяться в пределах от φ = 0 (сухой воздух) до φ = 100 % (влажный насыщенный воздух).

Учитывая, что пар, находящийся в воздухе, рассматривается как идеальный газ, (Р_п v_п = Р_н v_н), т.е.

Парциальное давление в состоянии насыщения Р_н определяют из таблиц насыщенного пара по температуре t_п = t_в.в. Парциальное давление Р_п находят также из таблиц по температуре точки росы.

Так как в процессах, происходящих с влажным воздухом (подогрев, охлаждение), количество сухого воздуха m_с.в не изменяется, то целесообразно все удельные величины относить к 1 кг сухого воздуха. Масса водяного пара, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха, называется влагосодержанием.

При принятом допущении об идеальности водяного пара и воздуха можно записать:

Р_пV_п = m_пR_пT_п; Р_вV_в = m_вR_вT_в;

Считая, что V_п = V_в и T_п = T_в, получим

Если учесть, что Р_бар = Р_в + Р_п и Р_п = φР_н, то

Плотность влажного воздуха ρ_в.в можно определить как сумму плотности пара ρ_п и плотности сухого воздуха ρ_в при их парциальных давлениях. Очевидно, что

Энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха или к (1+d) кг влажного вохдуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, т.е.

I = i_в+ i_п d = c_рв t + i_п d.

Для температуры и давлений, применяемых в сушильной технике, приблизительно можно считать c_рв = 1,0 кдж /(кг ^. град), а для водяного пара i_п = (r + c_рm t) = (2500 + 1,9 t) кдж/кг.

Тогда

I–d-диаграмма влажного воздуха. Определение параметров и исследование процессов влажного воздуха значительно упрощается и становится наглядным, если использовать I–d-диаграмму влажного воздуха, предложенную в 1918 г. Л.К. Рамзиным. На этой диаграмме (рисунок ) по оси ординат откладывают значения энтальпии влажного воздуха I кдж/кг сух.возд., а по оси абсцисс – влагосодержание d г/кг сух.возд.

Из удобства (увеличения рабочей площади диаграммы) ось абсцисс направлена под углом 135⁰ к оси ординат. Поэтому линии J=const оказываются наклоненными под углом 45^о к горизонту. Для сокращения размеров диаграмм значения d с оси абсцисс сносят на горизонтальную условную ось 0 – 0΄.

На диаграмму наносят сетку изотерм по уравнению. Эти изотермы представляют собой прямые с небольшим наклоном вверх. На каждой из них находят точки с одинаковыми значениями φ, а соединив их, получают сетку кривых φ = const. Кривая φ = 100 % изображает состояние влажного насыщенного воздуха и является пограничной кривой. Эта кривая разделяет область ненасыщенного влажного воздуха (сверху) и область тумана (снизу), в которой влага частично находится в капельном состоянии.

Диаграмма строится для давления влажного воздуха Р_бар = 745 мм рт.ст., что соответствует среднему годовому барометрическому давлению.

Линии φ = const поднимаются до изотермы 99,4⁰ С (температура насыщения при Р = 745 мм рт.ст.), после чего почти вертикально поднимаются вверх, т.к. при t > t_н величина φ зависит только от d.

На диаграмме нанесены также линии (показаны пунктирами) постоянной температуры «мокрого» термометра, под которой понимается температура воды, если поверхность ее обдувается потоком ненасыщенного влажного воздуха. Если поверхность воды обдувается потоком насыщенного воздуха (φ = 100 %), то температура воды будет совпадать с температурой воздуха. Поэтому на I–d-диаграмме изотермы влажного воздуха («сухого» термометра), соответствующие одному и тому же значению температур, пересекаются на линии φ = 100 %.

В нижней части диаграммы построена линия парциального давления Р_п = f (d).

Состояние влажного воздуха на I–d-диаграмме (точка А) можно определить по каким-либо двум параметрам (φ и t или Р_п и t), после чего находят I и d. Для этого состояния можно найти и температуру точки росы, для чего из точки А проводят вертикаль (d = const) до пересечения с φ = 100 %; т.е. изотерма, проходящая через эту точку, будет соответствовать температуре точки росы t_р.

На I–d-диаграмме показаны основные процессы влажного воздуха. Так, учитывая, что в процессе подогрева влажного воздуха (например, в калорифере сушильной установки) количество водяного пара не изменяется, процесс подогрева будет изображаться вертикальной прямой d = const (А – В). При этом температура воздуха увеличивается от t_А до t_В, а относительная влажность уменьшается от φ_А до φ_В.

Разница ординат I_А– I_В дает расход тепла на подогрев (1+d) кг влажного воздуха. Теоретический процесс увлажнения воздуха в сушильной камере происходит по кривой I = const, т.к. часть энтальпии, затраченной на испарение влаги, возвращается в виде энтальпии водяного пара (если пренебречь величиной энтальпии, которую имела жидкость до испарения). На I–d-диаграмме этот процесс изображается отрезком ВД. Разница d_Д – d_В определяет количество влаги, испаренной 1 кг сухого воздуха.