Тема 1.8 Вологе повітря

Лекція 7

Вологе повітря. Абсолютна і відносна вологості повітря. Характеристики вологого повітря. Діаграма. Графічне зображення термодинамічних процесів із вологим повітрям на діаграмі та їх розрахунок

План

1 Атмосферне повітря. Основні поняття і визначення.

2 Абсолютна і відносна вологості повітря.

3 Характеристики вологого повітря.

4 діаграма.

5 Графічне зображення термодинамічних процесів із вологим повітрям на діаграмі та їх розрахунок.

1 Атмосферне повітря використовується в різних технологічних процесах, наприклад: для сушіння вологих матеріалів в сушильних установках, для охолодження циркуля-ційної води на теплових електростанціях при оборотній системі водопостачання, в установках кондиціювання повітря тощо.

Вологе повітря є механічною сумішшю сухого повітря і водяної пари. В цю су-міш входять наступні гази, що мають такі об’ємні відсотки (%): азот ( ) – 78, кисень ( ) – 21, інертні гази (аргон, неон, криптон тощо) і вуглекислий газ – приблизно 1, останні компоненти – водяна пара, пил, мікроорганізми, сірчаний газ та ін. Гази, що входять до склад повітря, розподілені в ньому рівномірно і кожний із них зберігає свої властивості в суміші.

Практично вологе повітря використовується при тисках, близьких до атмо-сферного, тому і водяну пару, і сухе повітря з достатньою точністю можна вважати ідеальними газами. У зв’язку з цим при всіх розрахунках із вологим повітрям можна застосовувати раніше отримані співвідношення для суміші ідеальних газів, закони ідеальних газів і рівняння стану Менделеєва – Клапейрона.

По закону Дальтона тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків

, (1.92)

де і - відповідно парціальні тиски повітря і водяної пари; - тиск суміші,

тобто вологого повітря, дорівнює барометричному тиску.

Чим більше в суміші водяної пари, тим більше його

парціальний тиск . Найвищим його значенням буде

тиск насичення .

Різні стани водяної пари в вологому повітрі на -

діаграмі зображені на рисунку 1.16. Так, якщо при тем-

пературі вологого повітря парціальний тиск пари

менше тиску насичення , пара в суміші буде знаходи-

тися в перегрітому стані і зображуватися точкою 2.

Суміш сухого повітря і перегрітої пари називається

ненасиченим вологим повітрям.

Рисунок 2.16 – Стан водяної пари в вологому повітрі

Якщо при тій же температурі вологого повітря парціальний тиск пари буде дорівнювати тиску насичення , то в суміші буде знаходитися суха насичена пара і стан її на діаграмі визначається точкою 1. Суміш сухого повітря і сухої насиченої пари називається насиченим вологим повітрям. Охолоджуючи ненасичене вологе повітря при , його можна перетворити в насичене. В той момент температура вологого повітря стане рівною температурі насичення пари при його парціальному тиску .

Ізобарний процес охолодження пари в вологому повітрі на діаграмі показано відрізком , а стан насичення – точкою . При подальшому охолодженні насичено-го вологого повітря водяна пара, котра міститься в ньому, буде конденсуватися і виді-лятися у вигляді роси. Температура, при якій вологе повітря становиться насиченим, називається температурою точки роси і позначається . При збільшенні парціаль-ного тиску пари в вологому повітрі температура точки роси також підвищується.

2 В практичних умовах використання вологого повітря в ньому можуть міститься різні кількості водяної пари. Тому для характеристики стану вологого повітря введені поняття абсолютної і відносної вологості.

Кількість водяної пари в кг , яка міститься в 1 вологого повітря, називається абсолютною вологістю. Абсолютна вологість повітря дорівнює щільності пари при її парціальному тиску і при температурі вологого повітря . Тоді з рівняння стану отримують

, (1.93)

де , , - відповідно щільність, парціальний тиск і газова постійна пари;

- температура вологого повітря.

Найбільша щільність водяної пари досягається в насиченому вологому по-вітрі при тій же температурі

. (1.94)

Через те що , то .

Відношення (1.95)

називається відносною вологістю повітря. Це є відношенням дійсної абсолютної вологості повітря до максимально можливої в насиченому повітрі при тій же темпера-турі.

При постійній температурі тиски змінюються пропорційно щільностям (закон Бойля – Маріота), тому можна записати

. (1.96)

Відносна вологість вимірюється за допомогою приладу, який називається псих-рометром.

При зміні стану вологого повітря кількість сухого повітря в суміші звичайно не змінюється, а кількість водяної пари або зменшується, або збільшується внаслідок ви-паровування вологи. У зв’язку з цим теплові розрахунки з вологим повітрям прий-нято відносити до 1 кг сухого повітря.

3 До параметрів вологого повітря відносяться:

а) вологовміст – відношення маси водяної пари , яка міститься в суміші, до маси сухого повітря або відношення щільності водяної пари до щільності сухого повітря , взятих при їх же парціальних тисках і при температурі вологого повітря

. (1.97)

По рівнянню стану

, ;

після підстановки значень і в рівняння (1.97) отримують

(1.98)

б) Ентальпія вологого повітря визначається як ентальпія суміші, що складається з 1 кг сухого повітря і кг водяної пари

(1.99)

Ентальпія 1 кг водяної пари, яка, як правило, знаходиться в перегрітому стані при тисках, близьких до атмосферного, може бути визначена по емпіричній формулі

(1.100)

в) Щільність вологого повітря знаходять з рівняння стану

, (1.101)

де - параметри вологого повітря.

4 Дослідження термодинамічних процесів і визначення параметрів вологого повітря найбільш просто можна здійснити за допомогою діаграми, яка запропонована в 1918 р. проф. Л.К. Рамзіним. Діаграма побудована для барометричного тиску , але може бути використана і при невеликих відхиленнях тисків від прийнятого. Для збільшення площі робочої частини діаграми, тобто розширення області ненасиченого вологого повітря, діаграма побудована в косокутних коорди-натах із кутом між осями. По осі ординат відкладаються значення ентальпій повітря , а по осі абсцис – вологовміст , обидві величини відносяться до 1 кг сухого повітря.

Лінії розташовуються вертикально, а шкала абсцис в деякому масштабі перенесена на допоміжну горизонтальну пряму, котра проходить через початок коор-динат. Лінії є прямими, нахиленими під кутом до горизонталі (рису-

нок 1.17). На рисунку 1.17 приведено схематичне зображення основних ліній діаграми. Лінія ( ), яка характеризує стан вологого насиченого повітря, ділить діаграму на дві частини: зверху розташована область ненасиченого вологого повітря, котра є робочою частиною діаграми, а нижче – область пересиченого вологого повітря, яка не має практичного значення.

В області ненасиченого вологого повітря зображуються ізотерми і лінії відносної вологості . Ізотерми є прямими, які піднімаються вгору під деяким кутом до горизонталі; кут нахилу ізотерм збільшується з підвищенням температури. Лінії є плавними кривими з випуклостями, що повернені вгору, які розходяться.

В нижній частині діаграми наноситься лінія парціальних тисків водяної пари, котра міститься в вологому повітря.

Рисунок 1.17 – Координатна система Рисунок 1.18 – Схематичне зображення

вологого повітря діаграми вологого повітря

діаграма дозволяє по відомих і знайти значення і , а по значенню знайти значення . Визначення цих величин показано на діаграмі для стану повітря, що зображується точкою .

5 На діаграмі можна зображувати процеси нагрівання, охолодження, змішування потоків, сушки матеріалів повітрям, а також їх розраховувати за допомогою неї.

Процеси нагрівання повітря (в калориферах або повітропідігрівачах).

Нехай 1 кг повітря з початковими параметрами і (або

) підігрівається до температури . Спочатку на діаграмі

точка А (рисунок 2.19) як точка перетину ізотерми з

лінією (або ). Під час нагрівання повітря

вологовміст незмінний, тобто . Точка В, яка характери-

зує кінцевий стан вологого повітря, може бути побудована як

точка перетину і .

Для точки А за допомогою діаграми визначають енталь-

пію , а для точки В - і . Відрізок АВ – це графічне зобра-

ження процесу нагрівання повітря. Для визначення кількості

Рисунок 1.19 – Зображення на

діаграмі процесу нагрівання повітря

теплоти, необхідної для нагріву 1 кг повітря від до використовують формулу

, (1.102)

а для довільної маси повітря

, (1.103)

Процеси охолодження повітря (в охолоджувачах, кондиціонерах).

Процеси охолодження протилежні процесам нагріву, але принцип їх побудови однаковий. Нехай 1 кг повітря з параметрами і (або ) охолоджується до . Спочатку на діаграмі будується точка С (рисунок 1.20) як точка перетину ліній і (або ). При охолодженні також вологовміст незмінний, тобто . Точка Д, що характеризує параметри повітря в кінці процесі охолод-ження, будується як точка перетину ліній і .

Якщо в кінці процесу охолодження вологе повітря залишається ненасиченим, на діаграмі цей процес зображується відрізком СД. Кількість теплоти, яку віддає 1 кг по-

вітря при охолодженні, визначається за формулою

, (1.104)

а для кг повітря

, (1.105)

Якщо повітря охолоджується до стану насичення, цей процес зображується від-різком СЕ (точка Е лежить на лінії ). Ізотерма, яка проходить через точку Е -

це температура точки роси , тоді

, (1.106)

, (1.107)

Процеси охолодження СД і СЕ протікають без зміни волого-

вмісту, тобто при .

При подальшому охолодженні насиченого вологого по-

вітря водяна пара, яка в ньому міститься, буде конденсуватися і

Рисунок 1.20 – Зображення на

діаграмі процесу охолодження повітря

виділятися у вигляді роси. Процес конденсації пари – крива лінія ЕК. Положення точки К на діаграмі визначається як точка перетину і . Кількість вологи, яка сконденсувалася з 1 кг вологого повітря при охолодженні

, (1.108)

з кг вологого повітря

, (1.109)

а кількість теплоти, що відводиться від повітря під час охолодження з конденсацією пари

, (1.110)

, (1.111)

Процеси змішування потоків вологого повітря (в кондиціонерах).

В камеру змішування надходять два потоки вологого повітря: перший в кількос-ті (кг або кг/с) з параметрами , , другий в кількості з параметрами , . Необхідно визначити параметри повітря після змішування двох потоків - , , і . Ця задача може бути розв’язана двома способами:

• графічним;

• комбінованим (графічно – математичним).

Перший спосіб

По вихідних даних будують точки 1 і 2 як точки перетину ліній і (рисунок 1.21). Відрізок 1-2 - графічне зображення процесу змішування потоків. Положення точки 3 (яка характеризує параметри повітря після змішування потоків) знаходять наступним чином. Відрізок 1-2 ділять на рівних частин (відріз-ків). Від точки 1 відкладають кількість відрізків, пропорційну , а від точки 2 – кіль-кість відрізків, пропорційну . Для точки 3 по діаграмі визначають , , і .

Другий спосіб

Після побудови на діаграмі відрізку 1-2 для точок 1 і 2 визначають , та , . Потім записують рівняння балансу теплоти

, (1.112)

і рівняння балансу вологи

, (1.113)

де - коефіцієнт рециркуляції (або змішування).

Після визначення по формулах і на відрізку 1 - 2 по цих значеннях буду-ють точку 3. Для неї за допомогою діаграми визначають і .

Рисунок 1.21 – Зображення на діаграмі

процесу змішування двох потоків повітря

РОЗДІЛ 2 ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ