Лабораторна робота №1 Дослідження властивостей вологого повітря

Мета роботи: Вивчити основні властивості вологого повітря та прилади ,за допомогою яких вони вимірюються. Термодинамічні властивості вологого повітря

Людина у стані спокою протягом години вдихає та видихає в середньому до 500 літрів повітря. При цьому організмом людини поглинається за годину біля 19 літрів кисню і виділяється біля 16 літрів вуглекислого газу.

Головною складовою повітря є кисень. Постійний його вміст в атмосферному повітрі підтримується завдяки процесам фотосинтезу, коли зелені насадження поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень.

Крім цього, важливу роль для життєдіяльності людини відіграє наявність у повітрі вуглекислого газу, який бере участь у регулюванні дихання, кровообігу, газообміну тощо. Як надлишок, так і недостача вуглекислого газу в повітрі, яке вдихає людина, негативно в однаковій мірі відображається на стані здоров’я. Санітарними нормами встановлені допустимі межі концентрації вуглекислого газу в повітрі, яке вдихається людиною, в межах 0,5…1,5\% , що не впливає на зміну фізіологічних функцій  організму та працездатності.

Властивості повітря визначаються його тепловологісним станом, газовим складом та вмістом шкідливих газів, пари і пилу.

Відповідно до закону Дальтона кожний газ у суміші займає весь об’єм і має свій парціальний тиск p_і, а сума цих тисків дорівнює повному барометричному тиску В суміші, тобто

При практичних розрахунках технічних систем з використанням повітря воно називається вологим і розглядається як суміш двох складових: водяної пари та сухого повітря.

Із закону Дальтона абсолютний тиск вологого повітря Р виражається залежністю:

Р = Рп + Рс.п,

де Рп  та Рс.п – парціальні тиски, відповідно, водяної пари і сухого повітря, Па.

Якщо гази можуть змішуватися в будь-яких пропорціях і кількостях, то повітря може вмістити лише певну кількість водяної пари, тому що парціальний тиск парів води в суміші не може бути вище парціального тиску нacичення цієї пари при даній температурі. Існування граничного парціального тиску нacичення виявляється в тому, що уся надлишкова водяна пара буде конденсуватися. Таке повітря називається насиченим. При цьому волога у залежності від температурних умов може випадати у вигляді крапель води, туману, кристалів льоду або інею .

Температура при якій водяна пара стає насиченою ( конденсується ) називається температурою точки роси.

Для характеристики рівня вологості повітря використовуються поняття абсолютної (d) і відносної ( φ) вологості повітря.

Абсолютна вологість - кількість пари (кг), що міститься в одному кубічному метрі вологого повітря. Абсолютна вологість відповідає густині вологого повітря.

Для практичних розрахунків за одиницю виміру, що характеризує вміст пари у вологому повітрі, приймають вологовміст.

Вологовміст вологого повітря (d) – кількість водяної пари, що міститься в об'ємі вологого повітря, що складається з 1 кг сухого повітря і водяної пари:

Відносною вологістю (φ), або рівнем вологості( гігрометричним показником), називають відношення парціального тиску парів води до парціальному тиску нacичених парів, виражене у відсотках:

Для практичних розрахунків використовують співвідношення

Відносну вологість можна визначити при вимірюваннях інтенсивності випаровування води. Природно, чим нижче вологість, тим активніше буде йти випаровування вологи. Якщо термометр обмотати вологою тканиною, то покази його будуть зменшуватися щодо сухого термометра.

Величину t_м визначають за допомогою термометра, у якого ємність із ртуттю загорнута вологою тканиною (“мокрий” термометр). Якщо відносна вологість менша 100 %, то водяна пара починає випаровуватись, так як її парційний тиск у вологому повітрі менший від тиску насичення .Процес випаровування води з поверхні зволоженого (мокрого) термометра супроводжується відводом теплоти , яка називається прихованою ( теплотою фазового переходу), що обумовлює зниження температури поверхні, яка регіструється термометром. Такий процес називається процесом адіабатного випаровування і графічно відображається у діаграмі лінією h =соnst Зниження температури зволоженного термометру припиняється коли встановлюється рівновага між мокрим тепловим потоком ( обумовленним випаровуванням води ) та сухим тепловим потоком від повітря до зволоженного термометру.

За різницею показів звичайного (“сухого”) термометра (температура якого рівна температурі повітря п t ) і мокрого термометра, користуючись таблицями або номограмами, знаходять відносну вологість повітря

Густина ρ_с.п сухого повітря, визначається за формулою

,

Густина (об'ємна вага) вологого повітря - маса 1 м³ вологого повітря.

Так як густина вологого повітря суттєво не відрізняється від сухого, при практичних розрахунках може бути визначена за формулою:

Питома теплоємність повітря (с) - це кількість тепла, яку необхідно підвести до 1 кг вологого повітря для того, щоб змінити температуру на один градус(1⁰С=1К). Питома теплоємність повітря при постійному тиску залежить від температури, проте для практичних розрахунків, з достатньою для інженерних розрахунків похибкою, питому теплоємність як сухого, так і вологого повітря вважають незмінними:

Питома теплоємність сухого повітря С_р = 1,005 кДж/(кг К) = 0,24 ккал/(кг К) .

Питома теплоємність водяної пари С_рп = 1,8  кДж /кг К =0,44 ккал / (кг К).

Ентальпія вологого повітря розраховується як сума сухої частини

h = h_с.п. + h_п та водяної пари h_п=2500+1,8t d.

 

Діаграма стану волого повітря

Основні властивості вологого повітря визначаються, з достатньою для технічних розрахунків точністю, за допомогою h - d діаграми, вперше розробленої Л.К. Разіним. Діаграма h - d (рис. 1.1) побудована для постійного тиску Р=745 мм. рт. ст. (близько 99 кH/м2).

Діаграма між осями координат має кут 135º, при чому, на осі ординат відкладені в деякому масштабі ентальпії І , а на осі абсцис – вологовміст х, які для зручності спроектовані на допоміжну вісь, перпендикулярну до осі ординат. На діаграмі нанесені:

1) лінії постійного вологовмісту (d=const) – вертикальні прямі, паралельні до осі ординат;

2) лінії постійної ентальпії (h=const) – прямі, паралельні до осі абсцис, які проходять під кутом 135º до горизонту;

3) лінії постійних температур або ізотерми (t= const);

4) лінії постійної відносної вологи (φ=const);

5) лінія парціальних тисків водяної пари п p у вологому повітрі, значення котрих відкладені в масштабі на правій осі ординат діаграмі.

Визначення температури точки роси

Процес охолодження повітря (від температури t₁) при постійному вологовмісту до його насичення зображається лінією , що проведена з точки В (яка характеризує початковий стан охолодженого повітря) вниз до перетину з лінією φ=100% (відрізок ВС). Точка перетину (точка С) називається точкою роси.Ізотерма, яка проходить через цю точку визначає температуру точки роси t_р.

Охолодження повітря нижче температури точки роси (наприклад, до температури t_п) обумовалює конденсацію з нього частини вологи і відповідно – до зменшення його вологовмісту від d₀ до d_п. На діаграмі процес охолодження насиченого повітря співпадає з лінією φ=100% (лінія СЕ).

Стан повітря (відносну вологість, вологовміст, ентальпію і парціальний тиск водяної пари) можна визначати користуючись h-d діаграмою, якщо відомі температура та відносна вологість. Для цього знаходять точку М (рис. 1.1.) як перетин ізотерми t_м=const з лінією φ=100%. З точки М проводять пряму t_м=const (лінія постійної температури мокрого термометра) до перетину з ізотермою t_п=const. Точка Q буде характеризувати стан повітря за заданими показами “сухого” (t_п) і “мокрого” (t_м) термометрів психрометра. Для більш точного визначення характеристики повітря необхідно ввести поправку на швидкість руху повітря в місці встановлення психрометра.

d_n d_o d_m d

Рис. 1.1. Зображення процесу зміни стану вологого повітря на h –d діаграмі

Визначення температури мокрого термометра

Вимірювання вологості повітря

Гігрометри («гігро» – вологий) – прилади визначення абсолютна і відносної вологості повітря.

Є кілька типів гігрометрів, заснованих на виключно різних принципах:

а) вагові – складаються із системи V-образних трубок, наповнених гігроскопичною речовиною, що поглинає вологу з повітря. (Гігроскопічність – це властивість матеріалів поглинати вологу з повітря з допомогою процесу хімічного з'єднання з водою або капілярної конденсації);

б) плівкові – мають чутливий елемент з органічної плівки, яка розтягується у разі підвищення вологості і стискається при її зниженні;

в) волосяні – засновані на властивості знежиренної людської волосини змінювати свою довжину при зміні вологості повітря, що дозволяє вимірювати відносну вологість від 30 до 100%.

>Гігрографи – прилади для безупинної реєстрації відносної вологості повітря. Залежно від тривалості обороту барабанагигрографи бувають добові і тижневі.

>Психрометри – прилади для виміру вологості повітря та її температури. Є кілька типів: стаціонарні,аспирационние, дистанційні.

Стаціонарний психрометр Августа призначений для виміру відносної вологості повітря на стаціонарних умовах.

Рис. 1.2. Стаціонарний психрометр Августа

Принцип дії цього приладу (рис. 1.2.) грунтується на різниці показань «сухого» (А) і «вологого» (Б) термометрів залежно від вологості навколишнього повітря.

Чутлива частина одного з термометрів обгорнена тканиною (батист) , кінець якої опускається в трубку з дистильованої водою . Отже, ртутний резервуар однієї з термометрів завше залишається змоченим, а інший – сухим. Вода з поверхні зволоженної тканини, випаровуюється із швидкістю залежно від вологості і швидкість руху повітря.

Процес випаровування води супроводжується мокрим ( вологим) тепловим потоком, що обумовлює зниження температури зволоженного термометру. Чим менше вологовміст повітря ( менше відносна вологість) тим активнішим є процес випаровування води і тим більша різниця між показаннями «сухого» і «вологого» термометрів. Відносну вологість повітря визначають за допомогою психрометричних таблиць по різниці між «сухим» і «вологим» термометрами.

Найбільш досконалим приладом визначення відносної вологості в стаціонарних і польових умовах є аспіраційний психрометрАссмана. Штучна вентиляція в приладі здійснюється пружинним вентилятором. Принцип дії цього психрометра аналогічний психрометру Августа.

Температура навколишнього середовища визначається за сухим термометром, а вологовміст за допомогою обох термометрів з використанням психрометричних таблиць або за формулою Шпрунга, яка відрізняється від відомої формули Реньо постійним психрометричним коефіцієнтом, який враховує постійний потік повітря при вимірюваннях. Формула Шпрунга

d - вологовміст повітря

d^II - вологовіміст насиченого повітря при температурі зволоженного термометра;

0,5-психрометричний коефіцієнт; t- температура сухого термометру; t_м -температура мокрого термометру; Р – барометричний тиск при дослідах.

Вологовміст насиченого повітря розраховується по одній із відомих формул або за допомогою таблиць.

Виміри розпочинаються через 3-5 хвилин після зволоження мокрого термометру та ввімкнення вентилятору.

Вимірювання швидкість руху повітря

Швидкість руху повітряного потоку при холодильної обробці та зберіганні СПГ вимірюють з допомогою немометрів,електроанемометрів,кататермометрів та інших. Потім, маючи середнє значення швидкості повітря на данному перерізі каналу визначають обємну витрату повітря.

V _в = 3600 ·f · v,

де V _в – обсяг повітря,м3/год; f – площа поперечного перерізу каналу, м²; v – середня швидкість повітря на каналі, м/с.

Порядок виконання роботи.

1.Зволожити дистилятом мокрий термометр Б.

2.Зафіксуйте температуру навколишнього середовища за допомогою термометру А

3.При стабілізації стовпчиків термометрів зафіксуйте температуру по сухому та мокрому термометру за занесіть різницю до таблиці.

4.За допомогою психрометричної таблиці знайдіть відносну вологість φ.

5.По температурі сухого термометру за допомогою таблиці знайдіть густину насиченої пари .

6. По температурі сухого термометру та відносній вологості за допомогою діаграми визначити температуру точки роси, вологовміст насиченого повітря та температуру по мокрому термометру.

7.Порівняти експериментальні дані та визначені за допомогою таблиць.

Заміри виконати три рази та визначити середні значення величин, які вимірюються.

Таблица 1.

	tc	tm	P	∆t	φ	tp	d-експ.	d-розр.
1
2
3
середнє

Контрольні питання .

1.Який склад атмосферного повітря.

2.Як визначається тиск атмосферного повітря.Закон Дальтона

3.Як розрахувати газову постійну волого повітря.

4.Що називається абсолютною вологістю

5.Що таке вологовміст вологого повітря

6.Що таке відносна вологість повітря.

7. Густина (об'ємна вага) вологого повітря

8. Питома теплоємність повітря (с)

9.Сухе або явне тепло – тепло

10.Приховане тепло - тепло, що йде на зміну агрегатного стану пари без зміни температури (наприклад, осушення).

11.Ентальпія (тепловміст) вологого повітря Iв - це кількість тепла, яке

12.Що називається точкою роси.

13.Пояснити сенс Температури сухого та волого термометрів.

14. Чи може випаровуватись дощова вода з калюжи, якщо її температура дорівнюється температурі повітря.

15.Як змінюється інтенсивність теплообміну у конденсаторі ( градірні) при зниженні відносної вологості.

16.У якому разі можно розглядати вологе повітря як систему із двох температурних джерел.

17. Чи можливо висушити білизну після прання при температурі -10 С, якщо початкова температура дорівнюється 20 ^оС.

18. Скільки води виділиться при охолодженні 1 кг повітря з температурою 40 ^оС та відносною вологістю 30 % до температури 20^о С.

19. Знайти мінімально можливу температуру води в калюжі , якщо температура повітря 25^оС,а відносна вологість 60 %

20. Знайти температуру точки роси для повітря при температурі 30 С та відносній вологості 50 %.