5. Параметри стану вологого повітря

Вологість повітря характеризується кількістю водяної пари, яка міс­титься в ньому. При цьому розрізняють абсолютну та відносну вологість повітря.

Абсолютна вологість - це маса водяної пари, яка міститься в 1 м вологого повітря. Абсолютна вологість чисельно дорівнює щільності пари за його парціального тиску і температури вологого повітря.

(9.14)

де ρ_n - щільність пари, кг/м³;

m_n - маса водяної пари, кг;

V_вл.п. - об'єм вологого повітря, м³;

V_n - об'єм водяної пари, м³

Відносна вологість - це відношення маси водяної пари в 1 м³ воло­гого повітря до максимальної маси водяної пари, яка може міститися в 1 м³ вологого насиченого повітря за даних температури і тиску:

(9.15)

де φ- відносна вологість, %;

m_П - максимальна маса водяної пари, яка може міститися в 1 м³ во­логого насиченого повітря за даних температури і тиску, кг;

ρ_n- щільність за параметрів насичення, кг/м³.

Відносна вологість визначається за допомогою гігрометрів (з викори­станням волосся) і психрометрів (з використанням сухого та вологого термометрів).

У разі охолодження вологого повітря відносна вологість його буде збільшуватися.

Температура t_p. за якої відносна вологість дорівнюватиме 100%, на­зивається температурою крапки роси. Вологовміст - це маса водяної пари, що міститься у вологому повітрі, віднесена до одиниці маси сухого повітря:

(9.16)

де х - вологовміст, кг/кг;

m_{с .п.} - маса сухого повітря, кг.

Під час інженерних розрахунків більш зручно підраховувати во­логовміст, як відношення маси водяної пари, виміряної в грамах до маси сухого повітря, виміряної в кілограмах. У такому разі вологовміст позна­чається d і підраховується за формулою:

(9.17)

Ентальпія вологого повітря h_B - це сума ентальпій абсолютного су­хого повітря і водяної пари, що входить до складу вологого повітря

(9.18)

За температур та тисків, що використовують у сушильних установках, питому теплоємкість повітря можна приблизно вважати рівною одиниці, а питому ентальпію перегрітої водяної пари, h_n за питомої теплоти пароутворення 2500 кДж/кг та питомої теплоємності 1,96 кДж/кг можна обчислити за формулою:

(9.19)

тоді питома ентальпія вологого повітря буде

(9.20)

У технічних розрахунках для визначення параметрів і деяких ін­ших характеристик вологого повітря, а також для розрахунку процесів у пологому повітрі використовується запропонована в 1918 році Л. К. Рамзіним Hd-діаграма вологого повітря

6. Витікання і дроселювання газів і пари

Поняття про витікання газів і пари

Тепло перетворюється в роботу в теплових двигунах. За принципом дії теплові двигуни (незалежно від роду робочого тіла — газу чи пари) діляться на три різновиди.

1. Поршневі двигуни, в яких робоче тіло діє на рухомий поршень так, що рух робочого тіла при його розширенні дуже незнач­ний, і тому кінетичною енергією, що виникає при цьому, нехтують. У цих двигунах використовується тиск робочого тіла, тобто його потенціальна енергія.

3. Роторні, або лопатеві, двигуни—турбіни, в яких робоче тіло, виходячи з каналу (сопла), розширюється, тобто знижує свій тиск (зменшує потенціальну енергію) і збільшує швидкість виті­кання (збільшує кінеїичну енергію). Після цього робоче тіло на ло­патях турбіни змінює напрям свого руху, віддає частину кінетичної енергії і цим приводить у рух лопаті з диском, закріпленим на валу турбіни.

2. Реактивні двигуни, в яких робоче тіло — гази, що утворилися в результаті згоряння палива, витікають із сопла і, роз ціиряючись, створюють реактивну силу тяги машини (ракети, літака, автомобіля тощо).

Отже, в теплових двигунах другого й третього різновидів вико­ристовується кінетична енергія робочого тіла, що виникає в резуль­таті його витікання.

Розглянемо процес витікання газу й виведемо основні залежності цього процесу. Нехай робоче тіло — газ — міститься в посудині і витікає в навколишнє середовище через розміщене в боковій стінці сопло, що звужується. Приймаємо, що газ у посудину надходить весь час

і параметри його р₁ v₁ і t₁ не змінюються. Вважатимемо, що після виті­кання в навколишнє середовище параметри газу стануть p₂, v₂ і t₂. Тому що процес витікання відбувається протягом дуже короткого проміжку часу і теплообміну між газом і середовищем немає, процесс витікання можна вважати адіабатним. Якщо знехтувати тертям і завихрюванням газу, що витікає, цей процес можна вважати також і оборотним.

Рис.30 – Схема процесу витікання газу або пари

Критичне відношення тисків, критична швидкість, максимальна витрата

Рис.31 – Витікання робочого тіла із сопла

Масова витрата тіла через сопло:

Відношення р₂/р₁, при якому досягається максимальна витрата, називається критичним відношенням тисків і позначається через β_кр. Для одноатомних газів (к =1,66) β_кр =0,49; для двохатомних (к = 1,4) β_кр =0,528; для триатомних газів (к=1,3) і перегрітої водяної пари β_кр = 0,546. У першому наближенні можна прий­няти β_кр = 0,5.

Швидкість витікання що відповідає критичному відношенню тисків, нази­вається критичною швидкістю.

Сопло Лаваля

Рис.32 – Схема сопла Лаваля

З курсу фізики відомо, що вираз визначає значення швидкості поширен­ня звуку а в середовищі з параметрами р=р_кр і v = v_кр Таким чином, критичними параметрами робочого тіла при течії його в каналі на­зиваються термодинамічні параметри в тім перетині каналу, де швидкість потоку дорівнює швидкості поширення звуку. Як тільки буде досягнута швидкість, рівна місцевій швидкості звуку, течія із прискореної повинна перейти в уповільнену. Тому перевищення швидкості зву­ку в каналі, що звужується, неможливе.

Висновок: При усіх швидкостях витікання вище швидкості звуку (w>a) профіль сопла пови­нен бути таким, що розширюється. Якщо на вході каналу швидкість течії менше швидкості звуку, то, щоб одержати на виході з каналу надзвукову швидкість, необхідно скласти соп­ло з двох частин: що звужується (конфузорної), де w<a, і що розширюється (дифузорної), де w>a. У найбільш вузькому перетині каналу швидкість потоку дорівнює критичній швидкості . Таке комбіноване сопло було запропо­новано шведським інженером К. Г. Л авалем і має його ім'я. Схема такого сопла подана на рисун­ку. Під схемою показані закономірності зміни тиску і швидкості в соплі.

Дроселювання газів і пари

Дослід показує, що якщо на шляху потоку зустрічається місцевий опір у виг­ляді звуженого перетину, то в процесі руху потоку тиск робочого тіла знижується. Процес, що відбувається при русі потоку через місцевий опір у каналі і супроводжуваний падінням тиску в напрямку течії, називається дроселюванням. Дроселювання протікає без підведення (відводу) теплоти зовні і без здійснення зовнішньої роботи. Цей процес необоротний і супроводжується зростанням ентропії.

Температура реальних газів і пари у процесі дроселювання змінюється в залежності від змі­ни тиску Явище зміни температури робочого тіла в результаті адіабатного дроселювання називають ефектом Джоуля-Томсона. Оскільки при дроселюванні у всіх випадках dp<0, то знак зміна dT залежить від знака а.

Температура, що відповідає станові робочого тіла, при якому вона (температура) у процесі адіабатного дроселювання не змінюється, нази­вається температурою інверсії. При дроселюванні тиск робочого тіла падає, і тому цей процес приво­дить на практиці до непоновлюваних втрат (втрати тиску в процесі наповнення циліндрів двигуна, при впуску пари в ротор турбіни, втрати в газо - і паропроводах і т.д.). У той же час особливості процесу дроселю­вання використовуються в багатьох технічних задачах. Наведемо ряд прикладів. При регулюванні роботи паросилових установок пару дросе­люють. Оскільки при цьому наявний теплоперепад зменшується, то це приводить до зменшення технічної роботи двигуна. Дросельний спосіб регулювання використовують в карбюраторних двигунах внутрішнього згорання. Оскільки при дроселюванні температура робочого тіла зменшується (за умови, що дросель-ефект позитивний), то цей процес знаходить застосування в холодильній техніці.