I-d диаграмма для начинающих (ID диаграмма состояния влажного воздуха для чайников)

mrcynognathus

July 5th, 2012

Доброго времени суток уважаемые начинающие коллеги!

В самом начале своего профессионального пути я наткнулся на данную диаграмму. При первом взгляде она может показаться страшноватой, но если разобраться в главных принципах, по которым она работает, то можно её и полюбить :D. В быту она называется и-д диаграмма.

В данной статье я попытаюсь просто(на пальцах) объяснить основные моменты, чтобы вы потом отталкиваясь от полученного фундамента самостоятельно углубились в данную паутину характеристик воздуха.

Примерно так она выглядит в учебниках. Как-то жутковато становится. (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему) Я уберу все то лишнее, что не будет мне нужным для моего объяснения и представлю и-д диаграмму в таком виде: (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Все равно еще не совсем понятно, что это такое. Разберем её на 4 элемента:

Первый элемент – влагосодержание (D или d). Но прежде чем я начну разговор об влажности воздуха в целом, я бы хотел кое о чем с вами договориться.

Давайте договоримся “на берегу” сразу об одном понятии. Избавимся от одного прочно засевшего в нас (по крайней мере, в меня) стереотипа о том, что такое пар. С самого детства мне показывали на кипящую кастрюлю или чайник и говорили, тыкая пальцем на валящий из сосуда “дым”: “ Смотри! Вот это пар”. Но как многие, дружащие с физикой люди, мы должны понимать, что “Водяной пар — газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха”. Это всего лишь, молекулы H2O в газообразном состоянии, которых не видно. А то что мы видим, валящее из чайника – это смесь воды в газообразном состоянии(пар) и “капелек воды в пограничном состоянии между жидкостью и газом”, вернее видим мы последнее. В итоге мы получаем, что в данный момент, вокруг каждого из нас находится сухой воздух (смесь кислорода, азота…) и пар (H2O).

Так вот, влагосодержание говорит нам о том, сколько этого пара присутствует в воздухе. На большинстве и-д диаграмм данная величина измеряется в [г/кг], т.е. сколько грамм пара(H2O в газообразном состоянии) находится в одном килограмме воздуха (1 кубический метр воздуха в вашей квартире весит около 1,2 килограмма). В вашей квартире для комфортных условий в 1 килограмме воздуха должно быть 7-8 грамм пара.

На и-д диаграмме влагосодержание изображается вертикальными линиями, а информация о градации расположена в нижней части диаграммы: (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Второй важный для понимания элемент – температура воздуха (T или t). Думаю здесь ничего объяснять не нужно. На большинстве и-д диаграмм данная величина измеряется в градусах Цельсия [°C]. На и-д диаграмме температура изображается наклонными линиями, а информация о градации расположена в левой части диаграммы:

(для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Третий элемент ИД-диаграммы – относительная влажность (φ). Относительная влажность, это как раз та влажность, о которой мы слышим из телевизоров и радио, когда слушаем прогноз погоды. Измеряется она в процентах [%].

Возникает резонный вопрос: “Чем отличается относительная влажность от влагосодержания?” На данный вопрос я отвечу поэтапно:

Первый этап:

Воздух способен вмещать в себя определенное количество пара. У воздуха есть определенная  “паровая грузоподъемность”. Например, в вашей комнате килограмм воздуха может “взять на свой борт” не больше 15 грамм пара.

Предположим, что в вашей комнате комфортно, и в каждом килограмме воздуха, находящегося в вашей комнате, имеется по 8 грамм пара, а вместить каждый килограмм воздуха в себя может по 15 грамм пара. В итоге мы получаем, что в воздухе находится 53,3% пара от максимально возможного, т.е. относительная влажность воздуха - 53,3%.

Второй этап:

Вместимость воздуха различна при разных температурах. Чем выше температура воздуха, тем больше пара он может в себя вместить, чем ниже температура, тем меньше вместимость.

Предположим, что мы нагрели воздух в вашей комнате обычным нагревателем с +20 градусов до +30 градусов, но при этом количество пара в каждом килограмме воздуха осталось прежним – по 8 грамм. При +30 градусах воздух может “взять себе на борт” до 27 грамм пара, в итоге в нашем нагретом воздухе – 29,6% пара от максимально возможного, т.е. относительная влажность воздуха - 29,6%.

Тоже самое и с охлаждением. Если мы охладим воздух до +11 градусов, то мы получим “грузоподъемность” равную 8,2 грамм пара на килограмм воздуха и относительную влажность равную 97,6%.

Заметим, что влаги в воздухе было одинаковое количество – 8 грамм, а относительная влажность прыгала от 29,6% до 97,6%. Происходило это из-за скачков температуры.

Когда вы зимой слышите о погоде по радио, где говорят, что на улице минус 20 градусов и влажность 80%, то это значит, что в воздухе около 0,3 граммов пара. Попадая к вам в квартиру этот воздух нагревается до +20 и относительная влажность такого воздуха становится равна 2%, а это очень сухой воздух (на самом деле в квартире зимой влажность держится на уровне 20-30% благодаря выделениям влаги из сан-узлов и от людей, но что тоже ниже параметров комфорта).

Третий этап:

Что произойдет, если мы опустим температуру до такого уровня, когда “грузоподъемность” воздуха будет ниже, чем количество пара в воздухе? Например, до +5 градусов, где вместимость воздуха равна 5,5 грамм/килограмм. Та часть газообразного H2O, которая не умещается в “кузов” (у нас это 2,5 грамм), начнет превращаться в жидкость, т.е. в воду. В быту особенно хорошо виден этот процесс, когда запотевают окна в связи с тем, что температура стекол ниже, чем средняя температура в комнате, на столько что влаге становится мало места в воздухе и пар, превращаясь в жидкость, оседает на стеклах.

На и-д диаграмме относительная влажность изображается изогнутыми линиями, а информация о градации расположена на самих линиях: (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему) Четвертый элемент ID диаграммы – энтальпия (I или i). В энтальпии заложена энергетическая составляющая тепловлажностного состояния воздуха. При дальнейшем изучении (за пределами этой статьи) стоит обратить на неё особое внимание, когда речь будет заходить об осушении и увлажнении воздуха. Но пока особого внимания на этом элементе мы заострять не будем. Измеряется энтальпия в [кДж/кг]. На и-д диаграмме энтальпия изображается наклонными линиями, а информация о градации расположена на самом графике (или слева и в верхней части диаграммы): (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Дальше все просто! Пользоваться диаграммой легко! Возьмем, например, вашу комфортную комнату, в которой температура +20°С, и относительная влажность 50%. Находим пересечение этих двух линий (температуры и влажности) и смотрим сколько грамм пара в нашем воздухе.

Нагреваем воздух до +30°С - линия идет вверх, т.к. влаги в воздухе остается столько же, а увеличивается только температура, ставим точку, смотрим какая получается относительная влажность – получилось 27,5%.

Охлаждаем воздух до 5 градусов – опять же ведем вертикальную линию вниз, и в районе +9,5°С натыкаемся на линию 100% относительной влажности. Эта точка называется “точка росы” и в этой точке(теоретически, т.к. практически выпадение начинается чуть раньше) начинается выпадение конденсата. Ниже по вертикальной прямой(как раньше) мы не можем двигаться, т.к. в этой точке “грузоподъемность” воздуха при температуре +9,5°С максимальная. Но нам необходимо охладить воздух до +5°С поэтому мы продолжаем движение вдоль линии относительной влажности (изображено на рисунке ниже), пока не достигнем наклонной прямой линии +5°С. В итоге наша окончательная точка оказалась на пересечении линий температуры +5°С и линии относительной влажности 100%. Посмотрим сколько пара осталось в нашем воздухе – 5,4 грамма в одном килограмме воздуха. А остальные 2,6 грамма выделились. Наш воздух осушился.  (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Другие процессы, которые можно выполнять с воздухом с помощью различных приборов (осушение, охлаждение, увлажнение, нагрев…) можно найти в учебниках.

Помимо точки росы – еще одной важной точкой является “температура мокрого термометра”. Данная температура активно используется в расчете градирен. Грубо говоря, это та точка, до которой может упасть температура предмета, если мы этот предмет обернем в мокрую тряпку и интенсивно начнем на него “дуть”, например, с помощью вентилятора. По этому принципу работает система терморегуляции человека.

Как найти эту точку? Для этих целей нам понадобятся линии энтальпии. Снова возьмем нашу комфортную комнату, найдем точку пересечения линии температуры +20°С, и относительной влажности 50%. Из этой точки необходимо прочертить линию, параллельную линиям энтальпии до линии влажности 100%(как на рисунке ниже). Точка пересечения линии энтальпии и линии относительной влажности и будет являться точкой мокрого термометра. В нашем случае из этой точки мы можем узнать, что в нашей комнате, таким образом, мы можем охладить предмет до температуры +14°С. (для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)

Луч процесса(угловой коэффициент, тепловлажностное отношение, ε) строится для того чтобы определить изменение воздуха от одновременного выделения неким источником(-ами) тепла и влаги. Обычно этим источником является человек. Очевидная вещь, но понимание процессов и-д диаграммы поможет обнаружить возможную арифметическую ошибку, если таковая случилась. Например, если вы наносите луч на диаграмму и при обычных условиях и наличии людей у вас уменьшается влагосодержание или температура, то здесь стоит задуматься и проверить расчеты.

В данной статье многое упрощено для лучшего понимания диаграммы на начальной стадии её изучения. Более точную, более подробную и более научную информацию необходимо искать в учебной литературе.

P.S. В некоторых источниках I-d(i-d) диаграмму именуют J-d(j-d) диаграммой.

Для определенного атмосферного давления строится h-d-диаграмма.  В учебной и технической литературе обычно приводятся или прилагаются диаграммы, построенные для среднего значения атмосферного давления  p = 745 мм рт. ст. В h-d-диаграмме (см. рис. 7.3):  1) линии постоянных энтальпий h, кДж/(кг  с.в.) проведены под углом 135^о к вертикали;  2) t_c, – изотермы «сухого» термометра, ^оС; 3) t_м – изотермы «мокрого» термометра, ^оС; 4)  – линии относительных влажностей, %; 5) p_п = f(d) – линия парциальных давлений  пара. Пример пользования диаграммой По известным параметрам влажного воздуха t₁, ₁ найти d₁, h₁, t_p, p_п, p_s. Изотерма точки росы (t_p) проходит (рис. 7.4) через точку пересечения линий d₁ = const и   = 100 %. На оси парциальных давлений (p_п) определяются парциальные давления пара (p_п) в точке пересечения линий d₁ = const иp_п = f(d), а также давление насыщения (p_s) в точке пересечения линий d_s = const и p_п = f(d). ^

7.4. Процессы во влажном воздухе

7.4.1. Нагрев воздуха

Вл ажный воздух с параметрами t₁, ₁ нагревается при постоянном давлении p = const до температуры t₂. Расход воздуха G, кг/с. В процессе изобарного нагрева 1-2 (рис. 7.5) влагосодержание не изменяется (d = const), относительная влажность уменьшается (₂ < ₁), энтальпия увеличивается (h₂ > h₁). Теплота, необходимая для нагрева 1 кг сухого воздуха, равна

.

(7.15)

Учитывая, что расход влажного воздуха

,

отсюда

.

(7.16)

Соответственно секундный расход тепла имеет вид

.

(7.17)

^

7.4.2. Охлаждение воздуха

Вл ажный воздух с параметрами t₁, ₁ охлаждается при постоянном давлении p = const до температуры t₂ (t₃) Расход воздуха – G. Различают два случая: 1) t₂ > t_p (процесс 1-2, рис. 7.6). В этом случае:

• влагосодержание не изменяется (d = const);

• относительная влажность увеличивается (₂ > ₁);

• энтальпия уменьшается (h₂ <h₁).

Теплота, отводимая от воздуха,

,	(7.18)
;	(7.19)

2) если температура, до которой охлаждается воздух (t₃), меньше температуры точки росы (процесс 1-3), то воздух, достигнув состояния насыщения (t = t_p,  = 100 %), при дальнейшем понижении температуры будет оставаться насыщенным и из него будет выпадать влага, поскольку  d₃ < d₁. Теплота, отводимая от воздуха в этом случае,

, ,

(7.20)

где r = 2500 кДж/кг;

(7.21)

В практике охлаждение воздуха до t < t_p широко применяют с целью удаления из него влаги (осушения). ^

7.4.3. Сушка материалов

В процессе сушки различных материалов воздух является сушильным агентом, и чем выше его температура, а, следовательно, давление насыщения (p_s), тем больше он может поглотить влаги. Пусть параметры воздуха на входе в сушильную камеру равны t₁, ₁, расход воздуха – G.  Ид еальный процесс сушки (без потерь тепла в окружающую среду)  это процесс 1-2 при постоянной энтальпии (рис. 7.7). В процессе сушки:

• относительная влажность воздуха увеличивается (₂ > ₁);

• температура уменьшается (t₂ < t₁);

• влагосодержание увеличивается (d₂ > d₁).

Количество влаги, воспринятой воздухом, вычисляется по формулам

	(7.22)
	(7.23)

В реальных процессах сушки h₂ < h₁ из-за потерь тепла в окружающую среду. ^

7.4.4. Смешение потоков влажного воздуха

Пусть смешиваются два потока влажного воздуха с параметрами t₁, ₁, расходом G₁ и t₂, ₂, G₂. Расход, энтальпия и влагосодержание образовавшейся смеси определяются следующим образом:

,	(7.24)
,	(7.25)
.	(7.26)

Влагосодержание и энтальпия потоков (d₁, d₂, h₁, h₂) рассчитываются по формулам (7.9) и (7.13). По этим же формулам после нахождения h и d смеси рассчитывается температура (t) и относительная влажность () смеси. Давление смеси устанавливается опытным путем, а в задачах должно быть задано. Дл я потоков влажного воздуха при атмосферном давлении p₁ = p₂ = p параметры смеси удобно находить по h-d-диаграмме (рис. 7.8). Совместное решение (7.24) и (7.26) дает . Из подобия треугольников следует , т. е. точка А, изображающая состояние смеси, лежит на прямой 1-2 и делит ее на отрезки А-2 и 1-А, обратно пропорциональные расходам потоков.