Дисциплина «Основы проектирования теплообменных аппаратов систем судовых энергетических установок»

МОДУЛЬ 4

ПОДОГРЕВАТЕЛИ И ОХЛАДИТЕЛИ ВОЗДУХА И ГАЗОВ

Целевая установка: Ознакомить с особенностями конструктивных схем, параметрами и основами расчёта.

Основные вопросы.

1. Свойства влажного воздуха и тепловая диаграмма d-I.

2. Охлаждение воздуха и воздухоохладители.

3. Нагревание воздуха и воздухонагреватели.

4. Основы расчета сухого ВО.

5. Основы расчета мокрого ВО.

1. Свойства влажного воздуха и тепловая диаграмма d-I.

Подогрев и охлаждение воздуха производят в судовых СКВ, охлаждение – в закрытых системах охлаждения судовых электрогенераторов. Воздухоохладители входят в состав холодильных установок с воздушной системой охлаждения.

Процессы, протекающие в воздухоохладителях и воздухонагревателях, их особенности и сложность во многом определяются свойствами влажного воздуха.

Давление атмосферного воздуха изменяется сравнительно медленно и в небольших пределах. Поэтому к контролируемым параметрам воздуха относят t^° и влажность.

К основным параметрам воздуха, характеризующим его фи­зические свойства, относят:

• температуру по сухому термомет­ру t_С,

• влагосодержание d (г/кг; кг/кг),

• абсолютную влажность р_п (кг/м³) ,

• отно­сительную влажность φ (%),

• плотность ρ (кг/м³),

• степень насыщения ψ,

• парциальное давле­ние водяного пара р_п(Па),

• энтальпию i (кДж/кг),

• температуру точки росы t_рос,

• температуру по мокрому термометру t_м.

Для определе­ния всех величин, характеризующих состояние влажного воздуха, достаточно знать два параметра.

Как известно, атмосферный воздух, представляет собой паровоздушную смесь, состоящую из сухого воздуха (смеси газов N₂, O₂, Ar, CO и др.) и водяных паров. По за­кону Дальтона давление смеси равно сумме парциальных давле­ний сухого воздуха p_с и водяного пара :

Влагосодержание d (г/кг или кг/кг) - отношение массы влаги к массе сухого воздуха. Определить (рассчитать) влагосодержание можно по отношению плотностей

При постоянном давлении воз­духа (газа) p его влагосодержание d зависит от парциального давления водяных паров . Парциальное давление водяных паров рассчитывают по уравнению

Абсолютная влажность воздуха (кг/м³ или г/м³) - отношение массы водяного пара (влаги) к объему влажного воздуха. Практически абсолютная влажность численно равна плотности воздуха.

Значения абсолютной влажности воздуха при насыщении приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Абсолютная влажность при насыщении

Температура, оС	-20	-15	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
Масса водяного пара в 1 м3 в г	0,89	1,4	2,2	3,0	4,84	6,76	9,33	12,7	17,1	22,8	30,0

При выполнении тепловлажностных расчетов целесообразно пользовать­ся понятием влагосодержание, а не абсолютной влажности, так как в области температур, характерных для кондиционирования воздуха, массовая теплоемкость сухого воздуха почти не изме­няется, но - существенно изменяется объемная теплоемкость.

Относительная влажность φ (доли единицы или %) - отношение плотностей пара ρ_п при его парциальном давлении р_п и температуре смеси t к плотности су­хого насыщенного пара при той же температуре независи­мо от давления смеси p

Т.е. под  подразумевают отношение количества водяного пара, находящегося в воздухе, к количеству водяного пара насыщающего пространство (объем) при той же температуре.

В соответствии с табл.2.1 если при 25^оС в 1 м³ воздуха содержится 11,4 г водяного пара, то  будет 50 % (11,4х100/22,8 - указанная плотность составляет 1/2 плотности насыщенного пара при 25^оС). Если при 30^оС в 1 м³ воздуха содержится 18 г водяного пара, то  будет 60 % (18х100/30 - плотность составляет 3/5 плотности насыщенного пара при 30^оС).

При более строгом определении под следует пони­мать отношение парциальных давлений водяных паров р_{п ,} находящихся в ненасыщенном влажном воздухе к их парциальному давлению в насыщенном воздухе при той же температуре

Для об­ласти температур, характерных для кондиционирования воздуха

Плотность влажного воздуха ρ равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара

где - плотность сухого воздуха при данных температуре и давлении, кг/м³.

Для вычисления плотности влажного воздуха можно воспользоваться другой формулой:

Из уравнения видно, что с увеличением парциального давления пара при неизменных давлении p (барометрическом) и температуре T плотность влажного воздуха уменьшается. Поскольку это уменьшение незначительно, на практике принимают .

Степень насыщения влажного воздуха ψ - отношение его влагосодержания d к влагосодержанию насыщенного воздуха при той же темпе­ратуре: .

Для насыщенного воздуха .

Энтальпия влажного воздуха I (кДж/кг) - количество тепла, содержащееся в воздухе, отне­сенное к 1кг сухого или (1+d) кг влажного воздуха.

За нулевую точку принимают энтальпию сухого воздуха (d = 0) с температурой t= 0°С. Поэтому энтальпия влажного воздуха может иметь положительные и отрицательные значения.

Энтальпия сухого воздуха

где - массовая теплоемкость сухого воздуха.

Энтальпия водяного пара включает количество теплоты, необходимое для превращения воды в пар при t=0^oC и количество теплоты, затраченной на нагрев полученного пара до температуры t^oC. Энтальпия d кг водяного пара содержащегося в 1кг сухого воздуха: ,

= 2500 - скрытая теплота парообразования (испарения) воды при t=0^oC;

- массовая теплоемкость водяных паров.

Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпии 1кг сухого воздуха и энтальпии d кг водяных паров:

,

где - теплоемкость влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха.

Когда воздух находится в состоянии тумана, в нем могут быть взвешенные капли влаги d_вод и даже кристал­лы льда d_л. Энтальпия такого воздуха в общем виде

Энтальпия воды =4.19t , энтальпия льда .

При температуре больше нуля градусов (t >0°C) в воздухе будет капельная влага, при t < 0°С - кристаллы льда.

Температура точки росы - температура воздуха, при которой в изобарном процессе охлаж­дения парциальное давление водяного пара р_п становится рав­ным давлению насыщения . При этой температуре начинается выпадение влаги из воздуха.

Т.е. точкой росы называют ту температуру, при которой имеющийся в воздухе водяной пар при своей неизменной плотности становится вследствие охлаждения воздуха насыщенным паром ( =100%). Для приведенных выше примеров (см. табл. 2.1), когда при 25^оС абсолютная влажность  становится 50 %, точкой росы будет температура около 14 ^оС. А когда при 20^оС абсолютная влажность  становится 50 %, точкой росы будет температура около 9^оС.

Человек при высоких значениях точки росы чувствует себя некомфортно (см.табл.2.2).

Таблица 2.2 – Ощущения человека при высоких значениях точки росы

Точка росы, °C	Восприятие человеком	Относительная влажность (при 32 °C), %
более 26	крайне высокое восприятие, смертельно опасно для больных астмой	65 и выше
24—26	крайне некомфортное состояние	62
21—24	очень влажно и некомфортно	52—60
18—21	неприятно воспринимается большинством людей	44—52
16—18	комфортно для большинства, но ощущается верхний предел влажности	37—46
13—16	комфортно	38—41
10—12	очень комфортно	31—37
менее 10	немного сухо для некоторых	30

В районах с континентальным климатом условия с точкой росы между 15 и 20 °C доставляют некоторый дискомфорт, а воздух с точкой росы выше 21 °C воспринимается как душный. Нижняя точка росы, менее 10 °C, коррелирует с более низкой температурой окружающей среды, и тело требует меньшего охлаждения. Нижняя точка росы может пойти вместе с высокой температурой только при очень низкой относительной влажности.