3.3. Влажный воздух

При поступлении в состав сухого воздуха водяных паров он становится влажным.

Барометрическое давление влажного воздуха

Барометрическое давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений пара и сухого воздуха:

p_б = p_c + p_п , Па

Насыщенный воздух

Насыщенный воздух – это воздух, содержащий в единице объема максимально возможное при данной температуре количество водяного пара. Наблюдается, например, над свободной поверхностью воды.

Процесс насыщения воздуха можно сравнить с поведением сухой губки, на которую льётся вода: губка впитывает воду до тех пор, пока не примет в себя то максимальное количество, которое сможет удерживать, после чего новые объёмы воды будут стекать с поверхности губки в неизменном количестве – это состояние губки и будет аналогичным состоянию насыщенного воздуха.

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

Давление насыщенных водяных паров влажного воздуха р_н – максимальная величина парциального давления водяных паров при данной температуре воздуха.

Если парциальное давление р_в по каким-либо причинам окажется больше р_п, то часть водяного пара сконденсируется с образованием тумана, и давление р_п упадет до р_н.

Абсолютная влажность воздуха

Абсолютная влажность воздуха D – масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха.

Абсолютная влажность, исходя из определения, равна плотности водяного пара в составе влажного воздуха: D = ρ_п = ,

При нормальном давлении и температуре 20ºС ρ_п = 0,01729 = 17,3 .

Плотность пара сильно зависит от температуры.

Влагоёмкость воздуха

Влагоёмксоть воздуха ρ_н, кг/м³ – абсолютная влажность насыщенного воздуха, т. е. масса водяного пара в 1 м³ воздуха, содержание которого является максимально возможным при данной температуре.

Относительная влажность воздуха

Относительная влажность воздуха φ – это отношение фактической абсолютной влажности воздуха к его влагоёмкости (абсолютной влажности насыщенного воздуха): φ = Иными словами – это отношение количества пара, фактически содержащегося в воздухе, к максимально возможному количеству, которое воздух потенциально может содержать в себе.

Величина φ выражается в процентах, либо – в долях единицы.

Относительная влажность насыщенного воздуха φ = 100%.

Кроме этого, относительная влажность может быть выражена как отношение парциальных давлений насыщенного пара и пара, содержащегося в воздухе: φ = . Однако, при этом возникает погрешность около 2%.

Из этого соотношения следует, что парциальное давление пара можно определить, зная величину относительной влажности и значение давления насыщенного пара при данных условиях: p_п = φ·p_{н .}

Влагосодержание воздуха

Влагосодержание влажного воздуха d – масса водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха. т.е. – это масса пара, при полном удалении которого из влажного воздуха остаётся 1 кг сухого воздуха. Исходная масса смеси соответственно равна 1+d кг.

Иными словами, влагосодержание d показывает – какую массу водяного пара (в грамммах) нужно внести в 1 килограмм сухого воздуха, чтобы образовалась смесь с теми же пропорциями, что имеет влажный воздух в данных условиях.

d = 1000 ,

где M_п и M_с, – соответственно массы водяного пара и сухого воздуха в данном объёме, кг (M_с = M_в – M_п, где M_в – масса влажного воздуха);

1000 – коэффициент для перевода килограммов водяного пара в граммы.

Кроме этого влагосодержание выражается и через другие величины: d = 622 = 622 = 622 ,

Если масса пара выражена в килограммах, то влагосодержание обозначается буквой х, а формула приобретает вид: х = 0,622 ,

Плотность влажного воздуха

Плотность влажного воздуха ρ_в = =

M_в – масса влажного воздуха, кг;

V – объём влажного воздуха, м³.

Поскольку = ρ_c, а = ρ_п , то можно сделать вывод, что ρ_в = ρ_c + ρ_п. Однако, для определения плотности смеси арифметически складывать плотности её компонентов без учёта их пропорции нельзя, т. к. количество пара с данной плотностью в составе влажного воздуха может быть разным (от нулевого в сухом воздухе до максимально возможного в насыщенном)!

Поэтому значение плотности определяется с помощью закона Клапейрона-Менделеева:

ρ_в = + = ρ_c (1 – ) = 2,17·10^-3 · , кг/м³,

Из формулы ρ_в = ρ_c (1 – ) видно, что плотность влажного воздуха меньше сухого.

Удельный объём влажного воздуха

Удельный объём влажного воздуха – это тот объём, масса которого равна 1 кг.

Удельный объём может быть отнесён к килограмму как сухого воздуха, так и влажного, т. е. смеси.

Для сухого воздуха v = = = 287 = 463 · , м³/кг

Для влажного v_в = , м³/кг

Массовая теплоёмкость влажного воздуха

Массовая теплоёмкость влажного воздуха:

c_в = с_с + с_п = 1,005 + 1,807 ,

Удельное теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха

Теплосодержание (энтальпию) влажного воздуха принято относить к 1 кг сухого воздуха. За нулевую точку принимается теплосодержание (энтальпия) сухого воздуха (т. е. при d = 0 ) с температурой t = 0ºС, при которой I_c=0 .

Теплосодержание (энтальпию) удобно понимать как количество теплоты, необходимое для перевода одного килограмма воздуха с параметрами t = 0 и d = 0 в состояние с любыми другими параметрами t и d.

Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха определяется как сумма значений теплосодержания (энтальпии) его сухой части и водяного пара: I_в = I_c + I_п = с_с·t + i_п = 1,005t + (2500 + 1,807t) ,

Явная теплота

Явная (сухая) теплота Q_я, кДж/ч (или Вт) – теплота, поступающая в помещение от сухих нагретых поверхностей оборудования, материалов, источников искусственного освещения, людей, солнечной радиации и иных источников, не влияющих на влагосодержание воздуха.

Q_я = Gc_сΔt = GΔI, = = , Вт, где

G – расход воздуха ,

c_с = 1,005 теплоёмкость сухого воздуха;

Δt – разность начальной и конечной температур воздуха, ºС;

ΔI – разность начальной и конечной энтальпий воздуха, ;

3,6 – переводной коэффициент между и Вт.

При изменении температуры влажного воздуха при постоянном влагосодержании изменяется его явная теплота, и соответственно – теплосодержание (энтальпия).

Скрытая теплота

Скрытая теплота Q_с, кДж/ч (или Вт) – теплота, вносимая водяным паром, источниками которого являются технологическое оборудование и процессы, люди, животные и т. д., без учёта явной теплоты, обусловленной массовой теплоёмкостью вещества.

При поступлении пара с той же температурой, что и у воздуха – передаётся только скрытая теплота, увеличивающая теплосодержание (энтальпию) влажной части воздуха без изменения его температуры. Количество скрытой теплоты в этом случае определяется по формуле:

Q_с = W(r + с_пt_в) = W i_п кДж/ч = = Вт, где

W = G – расход водяного пара, поступающего в составе влажного воздуха

Полная теплота

Полная теплота Q_п, кДж/ч (или Вт) равна сумме явной и скрытой теплоты:

Q_п = Q_я + Q_с , кДж/ч (или Вт).

3. I-d ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

I-d диаграмма влажного воздуха была составлена профессором Леонидом Константиновичем Рамзиным в 1918 г. Она графически связывает 5 параметров влажного воздуха:

• удельное теплосодержание (энтальпию) I_в,

• влагосодержание d,

• температуру t,

• относительную влажность φ,

• парциальное давление водяных паров p_п.

Зная любые два из этих параметров, можно определить все остальные.

Диаграмма составляется для определённого барометрического давления.

На оси ординат (по вертикали) откладываются значения теплосодержания (энтальпии) I_с сухого воздуха, на оси абсцисс (по горизонтали) – влагосодержание d. Линии постоянного теплосодержания (энтальпии) I=const (адиабаты) проходят под углом 135º к оси ординат. Линии постоянного влагосодержания d=const проходят параллельно оси ординат.

Также наносятся кривые линии постоянных относительных влажностей φ=const и под углом к оси ординат линии изотерм t=const.

Линии φ=0 и d=0 совпадают, поскольку одинаково характеризуют полное отсутствие влаги в воздухе.

Через точку пересечения линий с параметрами d=0 и t=0 проходит линия I=0. Значения теплосодержания (энтальпии) выше этой линии – положительные, ниже – отрицательные.

Линия φ=100% делит диаграмму на две части. Выше линии – область влажного ненасыщенного воздуха. Сама линия φ=100% соответствует насыщенному воздуху – «кривая насыщения». Ниже линии – область перенасыщенного воздуха, «зона тумана», где вода находится в воздухе во взвешенном состоянии в жидкой или твёрдой фазе.

I-d диаграммы и схемы определения параметров влажного воздуха для точки А.