3.2. Параметры состояния воздуха

В термодинамических расчетах рассматривается влажный воздух. Его параметры определяются как параметры смеси двух компонентов: сухого воздуха и водяных паров. Причем под сухим воздухом понимают всю смесь газов с примесями. Физические свойства влажного воздуха характеризуются параметрами состояния (температурой t, влагосодержанием d, относительной влажностью и энтальпией i), а также другими физическими величинами: абсолютной влажностью , удельным весом (или плотностью ), парциальным давлением водяного пара Р_П, температурой течки росы t _P. Для определения всех величин, как правило, достаточно знать хотя бы два параметра.

Согласно закону Дальтона для смеси двух идеальных газов барометрическое давление влажного воздуха:

, (3.1)

где:  парциальное давление сухого воздуха,  парциальное давление водяного пара.

Влагосодержанием влажного воздуха d называется весовое количество водяных паров, содержащихся в воздухе, сухая часть которого весит 1 кгс. При кондиционировании влагосодержание воздуха изменяется, количество же сухого воздуха остается постоянным. В расчетах за единицу измерения веса влажного воздуха принимают вес такого его количества, в котором сухого воздуха содержится неизменно 1 кгс:

. (3.2)

При неизменном давлении паровоздушной смеси влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяных паров.

Абсолютной влажностью воздуха называют весовое количество водяного пара в 1 м³ влажного воздуха.

В зависимости от состояния водяных паров во влажном воздухе он называется ненасыщенным, насыщенным или перенасыщенным. Когда водяные пары находятся в перегретом состоянии, воздух ненасыщенный, парциальное давление водяных паров ниже, чем давление насыщенного пара с той же температурой. Парциальное давление водяных паров в насыщенном воздухе равно давлению насыщенного пара той же температуры. Всякое дополнительное поступление пара в помещение с насыщенным воздухом вызывает немедленную конденсацию избытка влаги в виде росы.

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщения при той же температуре:

. (3.3)

Энтальпия влажного воздуха является суммой энтальпий сухого воздуха и водяного пара.

Если понижать температуру ненасыщенного воздуха, то содержащиеся в нем пары при некоторой температуре станут насыщенными ( − точка росы) .

Параметры состояния влажного воздуха измеряются психрометрическим методом, гигроскопическим методом, методом точки росы, весовым методом.

Для практических расчетов систем кондиционирования параметры воздуха определяют по таблицам и диаграммам (рис. 3.1). Основными расчетными параметрами влажного воздуха являются энтальпия , влагосодержание . Энтальпия зависит от влагосодержания:

. (3.4)

В диаграмме (рис. 3.1) применяется косоугольная система координат.

Изменение состояния воздуха в процессе кондиционирования можно проследить с помощью диаграммы (рис. 3.2).

Пусть воздух состояния (1) подвергается охлаждению, соприкасаясь с поверхностью, имеющей низкую температуру. Охлаждение воздуха от начальной его температуры до температуры точки росы происходит без конденсации паров, т.е. при постоянном влагосодержании . Относительная влажность воздуха возрастает от до . Энтальпия воздуха снижается от до за счет удаления из воздуха тепла.

При дальнейшем охлаждении t₃<t_P в воздухе начинается конденсация паров (точка 3). Этот воздух будет содержать в себе насыщенные пары с температурой t₃ и взвешенную влагу с той же температурой. Состояние насыщенного воздуха определяется ()3’ в которой температура остается равной t₃, а относительная влажность . Разность влагосодержаний показывает весовое количество сконденсировавшейся влаги из каждых ( ) кгс обрабатываемого воздуха. Энтальпия смеси воздуха и влаги при состоянии 3 равна . Энтальпия насыщенного воздуха при состоянии 3’ равна . Энтальпия меньше энтальпии на величину энтальпии сконденсировавшихся паров при той же температуре t_3,

.

При параметрах воздуха, с которыми приходится иметь дело при кондиционировании, разность энтальпий мала. Поэтому принято считать, что точки 3 и 3^’ лежат на одной линии , совпадающей в области тумана с изотермой .

В конденсаторе (рис. 3.3) влажный воздух из помещения поступает в воздухоохладитель (точка 1), состоящий из батарей труб, внутри которых проходит испаряющийся хладагент (при постоянном давлении и температуре). Пусть стенки труб воздухоохладителя имеют постоянную температуру

Небольшая часть воздуха вступает в непосредственный контакт со стенками труб. Пусть температура . Температура воздуха снижается от до температуры точки росы. Процесс охлаждения идет по линии при . Дальнейшие изменения состояния воздуха, находящегося в контакте со стенкой трубы, идет по линии насыщения до достижения температуры . В этом процессе из воздуха выделяется сконденсировавшаяся влага. Далее охлажденный воздух смешивается с остальным воздухом и параметры смеси определяются точкой 2 и процесс повторяется. Состояние воздуха, уходящего из воздухоохладителя, зависит от его количества, обрабатываемого в единице времени, формы и расположения поверхности труб. Чем меньше количество воздуха, проходящего через аппарат, и чем большую охлаждающую поверхность омывает воздух на своем пути, тем ниже температура и влагосодержание холодного воздуха. Если температура стенок труб воздухоохладителя ниже температуры точки росы, то воздух в аппарате будет осушаться даже в том случае, если его температура на выходе будет выше точки росы. Это объясняется тем, что часть воздуха, входящая в контакт с поверхностью труб, снизит свою температуру почти до температуры стенки и в ней произойдет конденсация паров. Процесс охлаждения воздуха без его осушения можно осуществить только при условии t_ст ≥ t_p.

Процесс сухого нагревания воздуха без изменения его влагосодержания осуществляется при помощи воздухонагревателей. Количество влаги, содержащейся в воздухе, при нагревании меняться не будет, и процесс пойдет по линии d=const, сопровождаясь понижением относительной влажности  (процесс 1−2 на рис. 3.4).

Положение точки 2 определяется приращением энтальпии ∆i. При нагревании воздуха в воздухонагревателях его относительная влажность может снизиться до недопустимо низкого значения (комфортные условия в помещении =50%, что при t=20^оС соответствует d=0,0075 кгс/кгс).

Для увлажнения воздуха (рис. 3.5) в случае его нагревания используют пар и воду. Пусть к воздуху, состояние (^.)1 добавляется пар с энтальпией i_n.

Количество пара таково, что влагосодержание воздуха d₁ возрастает на величину ∆d и становится равным d₂. Энтальпия увлажненного воздуха равна: i₂=i₁+i_n∆d.

Линия 1−2 на диаграмме (рис. 3.5) называется линией увлажнения.

Отношение изменения энтальпии воздуха к изменению его влагосодержания в процессе называют характеристикой процесса кондиционирования:

, . (3.5)

Если в процессе обработки воздуха его влагосодержание d не изменяется (∆d=0), а энтальпия возрастает (процесс нагрева), то:

∞.

Если воздух охлаждается поверхностями, имеющими температуру выше точки росы, то ∆d=0, но энтальпия убывает, то:

∞.

Если воздух адиабатически увлажняется водой с t_вод=0, то энтальпия воздуха при этом не меняется ∆i=0, температура снижается, а влагосодержание d возрастает, то:

.

При, увлажнении воздуха паром, имеющим температуру воздуха t₀, температура воздуха остается постоянной, влагосодержание возрастает на , а энтальпия на , то:

,

где: r − теплота парообразования, с − теплоемкость воды.

Если известно какое количество выделяющегося в помещение тепла Q должно быть отведено кондиционером за 1 час и количество влаги W, которое должно быть сконденсировано за то же время, то характеристика процесса:

называется тепловлажностным отношением.