Лекция 10 влажный воздух

В качестве рабочего тела атмосферный воздух применяется при сушке, нагреве, охлаждении различных материалов, в установках кондиционирования и т. д.

В атмосферном воздухе содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара, мельчайших капелек воды в виде тумана или кристаллов льда (снег, ледяной туман).

Механическая смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом. В практике влажный воздух применяется при давлениях, близких к атмосферному. Поэтому и сухой и водяной пар, составляющие влажный воздух, с достаточной для технических целей точностью можно считать идеальными газами. В связи с этим к ним применимы законы для смесей идеальных газов и уравнение состояния Менделеева-Клапейрона.

§ 1. Физические свойства

ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Согласно закону Дальтона, давление смеси газов равно сумме парциальных давлений ее компонентов:

p_нл.в. = p_с.в. + p_в.п., (128)

где p_с.в. и p_в.п.– парциальные давления сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе; p_нл.в. – давление влажного воздуха, равное барометрическому давлению.

Чем больше во влажном воздухе водяного пара, тем выше его парциальное давление p_в.п.. При данной температуре влажного воздуха высшим пределом парциального давления водяного пара в нем будет давление насыщения p^н_в.п. .

Водяной пар во влажном воздухе может быть в состоянии сухого (x = 1, t = t_н,  = _н) насыщенного или перегретого пара. Смесь сухого воздуха и сухого насыщенного пара называется насыщенным влажным воздухом, а смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара – ненасыщенным влажным воздухом.

Если охлаждать ненасыщенный влажный воздух, то он перейдет в состояние насыщенного. Температура, при которой влажный воздух становится насыщенным, называется температурой точки росы (t_p). С увеличением парциального давления температура точки росы повышается.

Основные характеристики влажного воздуха – абсолютная влажность, относительная влажность, влагосодержание и энтальпия.

Количество водяного пара, в килограммах, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Абсолютная влажность равна плотности водяного пара _в.п. при его парциальном давлении _в.п. и при температуре влажного воздуха Т. Из уравнения состояния, учитывая, что  = 1/, получим:

_в.п. = _в.п. /R_в.п. T (129)

где _в.п., _в.п., R_в.п. – соответственно плотность, парциальное давление и газовая постоянная пара; Т – температура влажного воздуха.

Наибольшая плотность водяного пара достигается в насыщенном влажном воздухе при парциальном давлении и температуре насыщения.

Отношение действительной абсолютной влажности (_в.п.) влажного воздуха к максимально возможной абсолютной влажности (p^н_в.п.) насыщенного влажного воздуха при той же температуре (Т) называется относительной влажностью воздуха, обозначается  и выражается в %:

 = _в.п / p^н_в.п. 100 . (130)

Измеряют относительную влажность воздуха психрометром.

Согласно закону Бойля-Мариотта, при постоянной температуре Т плотности газов  изменяются прямо пропорционально давлениям. Следовательно, можно записать:

 = _в.п / p^н_в.п. 100 = _в.п / p^н_в.п. 100, % (131)

Из данной формулы видно, что для сухого воздуха (_в.п = 0),  = 0, а для насыщенного влажного воздуха (_в.п = p^н_в.п. )  = 100%.

Отношение массы водяного пара M_в.п., содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха M_с.в. называется влагосодержанием воздуха, обозначается d и измеряется в килограммах пара на 1 кг сухого воздуха (кг/кг с. в.):

d = M_в.п / M_{с. в.}. (132)

После несложных преобразований расчетная формула для определения влагосодержания воздуха принимает вид:

d = 0,622 р_в.п / р_{с. в.}.

Максимально возможное, влагосодержание влажного воздуха будет в том случае, если при данной температуре парциальное давление водяного пара в воздухе станет равным давлению насыщения, то есть _в.п = p^н_в.п., при этом относительная влажность  = 100%:

d_max = 0,622 p^н_в.п. / р_{с. в.}. (133)

Энтальпию (теплосодержание) влажного воздуха (Н, кДж/кг с. в.) широко применяют при расчетах процессов сушки, систем вентиляции, кондиционирования, охлаждения и т. д. (см. приложение 7). Энтальпию, подобно влагосодержанию d, относят к 1 кг сухого воздуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

H_в = h_с.в. + d h_в.п. (134)

Удельная энтальпия сухого воздуха:

h_с.в. = c_{p с.в.} t,

где c_{p с.в.} – массовая изобарная теплоемкость сухого воздуха [c_{p с.в.}  1,0 кДж/(кг ^. К)].

Энтальпия 1 кг водяного пара h_в.п. может быть вычислена по формуле:

h_в.п. = 2500 + 1,97 t. (135)

Тогда

H_в = c_{p с.в.} t + d (2500 + 1,97 t). (136)

§ 2. Hd-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Данная диаграмма позволяет наиболее просто и быстро определять параметры влажного воздуха.

В Hd-диаграмме (рис. 27, а) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d (г/кг сухого воздуха), а по оси ординат – энтальпия Н (кДж/кг сухого воздуха) влажного воздуха. Линии d = const располагаются вертикально, а линии H = const – под углом 45⁰ (так как диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом между осями 135⁰).

Линии  = const представляют собой расходящиеся кривые выпуклостью вверх. Линия насыщения  = 100%, характеризующая состояние насыщенного влажного воздуха, делит диаграмму на две части: выше линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха, она является основной, рабочей частью диаграммы, ниже – область пересыщенного влажного воздуха (здесь избыточная влага находится в капельном состоянии, и к этой области Hd-диаграммы нельзя применять полученные выше математические зависимости).

Рис. 27. Схематическое изображение: а – Hd-диаграммы влажного воздуха.

Диаграмма построена для барометрического давления 745 мм рт. ст., но может использоваться и при небольших отклонениях. Любая точка на диаграмме обозначает определенное физическое состояние влажного воздуха.

Рис. 27. Схематическое изображение: б – диаграммы к решению примера.

Диаграмма позволяет по известным t и  найти значения Hd, _в.п, tp. Определение этих величин для точки К показано на Hd-диаграмме.

Процесс нагревания влажного воздуха происходит при постоянном влагосодержании d (вертикальная линия АВ), а количество затраченной при этом теплоты определяется по разности энтальпий в точках В и А.

Процесс увлажнения влажного воздуха (сушки каких-либо материалов) связан с увеличением влажности воздуха при постоянной энтальпии. Для этого случая изменение состояния влажного воздуха на Hd-диаграмме изображено линией ВС. При этом теплота, отданная воздухом, расходуется только на испарение влаги, а влага в виде пара поступает обратно во влажный воздух и возвращает теплоту испарения. Следовательно, энтальпия влажного воздуха в процессе увлажнения не изменяется.

Контрольные вопросы и задания. 1. Как получить состояние влажного воздуха, соответствующее точке росы? 2. Что называется абсолютной и относительной влажностью? 3. Как определяют относительную влажность воздуха? 4. Что такое влагосодержание и энтальпия? 5. Как построена Hd-диаграмма влажного воздуха? 6. На какие области делит Hd-диаграмму линия насыщения ( = 100%)? 7. Какое содержание влаги в воздухе при данной температуре показывает линия  = 100%? 8. Как с помощью Hd-диаграммы определить все параметры влажного воздуха заданного состояния? 9. Изобразите в Hd-диаграмме процесс охлаждения влажного воздуха.