13. Влажный воздух

13.1. Параметры состояния влажного воздуха

В некоторых важных для инженерной практики случаях использования воздуха, таких, как сушка, кондиционирование, создание условий для длительного хранения самых разнообразных изделий и т. д., необходимо обязательно учитывать наличие водяного пара в составе воздуха. В этих случаях воздух рассматривается как смесь двух идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара и называется влажным воздухом. То обстоятельство, что «сухой воздух» сам является смесью О₂, N₂, СО₂ и других компонентов, не принимается во внимание, так как в упомянутых примерах в воздухе изменяется лишь содержание водяного пара, а содержание компонентов сухого воздуха остается неизменным.

Процессы во влажном воздухе протекают при давлениях близких к атмосферному и парциальное давление водяного пара настолько мало, что водяной пар с большой точностью следует уравнению состоянию идеального газа даже вблизи состояния насыщения. Согласно закону Дальтона:

П = Р_с.в + Р_п,

где П – абсолютное давление влажного воздуха, Па; Р_с.в – парциальное давление сухого воздуха, Па; Р_п – парциальное давление пара, Па.

Масса пара, содержащегося в 1 м³ смеси его с воздухом, называется абсолютной влажностью воздуха (_п). Абсолютная влажность – это плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха.

При заданной температуре парциальное давление пара может быть меньше или равно давлению насыщения Р_н. При Р_п < Р_н пар перегретый, при Р_п = Р_н пар становится сухим насыщенным и имеет максимальную плотность , возможную при заданной температуре. В этом состоят принципиальные отличия влажного воздуха от других газовых смесей, в которых доля каждого из компонентов может произвольно меняться в пределах от 0 до 1. Влажный воздух, для которого Р_п = Р_н, называется насыщенным, а влажный воздух при Р_п < Р_н – ненасыщенным.

Отношение абсолютной влажности _п к максимально возможной абсолютной влажности при заданной температуре называется относительной влажностью ():

которую обычно выражают в процентах,

Масса водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

где m_п и m_св – масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг; – плотность абсолютно сухого воздуха, .

Для того чтобы установить связь между влагосодержанием d и относительной влажностью , воспользуемся уравнением состояния идеальных газов.

Для водяного пара

Для абсолютно сухого воздуха

где Р_п – парциальное давление водяного пара, Па; М_п – мольная масса водяного пара, равная 18 кг/кмоль; R_ – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 ; Т – абсолютная температура, К; Р_с.в – парциальное давление абсолютно сухого воздуха, Па; М_с.в – мольная масса абсолютно сухого воздуха, равная 29  .

Разделим уравнение на уравнение .

Тогда

Подставляя численные значения мольных масс М_п и М_с.в, а также используя уравнение Дальтона в виде Р_с.в = П – Р_п = П –  Р_н, получим

Если влажный воздух охлаждать при постоянном давлении, то по достижении температуры насыщения, определенной по давлению Р_п, пар из влажного воздуха начнет конденсироваться. Это температура называется температурой точки росы (t_т.р). По температуре точки росы можно точнее всего определить содержание пара в воздухе.

Для сушильной практики большое значение имеет понятие о теоретическом процессе адиабатического испарения в системе «поверхность испарения – воздух». В этом процессе воздух только испаряет, а не нагревает влагу. Непосредственно над поверхностью испарения воды (а в равной степени и над поверхностью влажного материала в начальный период сушки) образуется слой насыщенного пара ( ), находящегося в равновесии с водой. Температура влаги при этом имеет постоянное значение и называется температурой мокрого термометра t_м.

Прибор, позволяющий определить относительную влажность и влагосодержание влажного воздуха, называется психрометром. Он состоит из двух термометров – сухого и мокрого. Шарик ртути мокрого термометра покрыт слоем ткани, смоченной водой. Если влажный воздух, окружающий термометры, будет ненасыщенным, то с поверхности материи мокрого термометра будет испаряться вода и он покажет более низкую температуру, чем сухой термометр t_c. Зная разность t_c – t_м, по специальным психрометрическим таблицам или по i, d-диаграмме влажного воздуха, которая будет рассмотрена ниже, можно определить ряд характеристик влажного воздуха (относительную влажность, влагосодержание, точку росы и др.).

Удельная энтальпия i (теплосодержание) влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха как сумма удельных энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара

где i_п = с_п t; здесь с_с.в – удельная изобарная теплоемкость сухого воздуха с_п – удельная изобарная теплоемкость водяного пара

Удельную энтальпию водяного пара можно рассчитать по уравнению где – удельная теплота фазового превращения при 0 С. Тогда

Подставив все значения в данное уравнение, получим уравнение удельной энтальпии:

Отсюда следует, что удельная энтальпия является функцией влагосодержания d и температуры t.