1457

Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета:

h1 h2a h1;

qH qH1 qH 2.

Контрольные вопросы

11

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

1.Цель работы. Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и процессов изменения параметров влажного воздуха.

2.Основные положения. В общем случае влажный воздух – это

гетерогенная смесь сухого воздуха, водяного пара и находящихся во взвешенном состоянии капель воды и кристаллов льда. Если во влажном воздухе отсутствуют капли воды и кристаллы льда, то влажный воздух является гомогенной парогазовой смесью сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также процессов сушки влажных материалов и изделий.

Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.

Закон Дальтона формулируется так: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, как если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси:

р = рСВ + рП ,

где р – барометрическое давление; рСВ, рП – парциальное давление сухого воздуха и водяного пара.

Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано для сухого воздуха и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в виде

р V = m R T,

или для 1 кг рабочего вещества:

р v = R T,

где р – парциальное давление компонента, Па; V – объем газовой смеси, м3;

m – масса газа, кг;

R – газовая постоянная рабочего вещества, Дж/(кг К); T – абсолютная температура, К;

13

v – удельный объем газа, м3/кг.

Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено через абсолютную, или относительную влажность, или через влагосодержание.

Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1м3 влажного воздуха.

Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем его способность к насыщению зависит от температуры. При насыщении воздух не поглощает влагу и избыточная влага начинает конденсироваться. Способность воздуха к насыщению характеризуется относительной влажностью .

Относительная влажность – это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха или газа к концентрации водяного пара насыщенного воздуха или газа при одинаковых температурах и давлениях, т.е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре

итом же барометрическом давлении:

П ,

Н

где П – плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м3; Н – плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м3.

Относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что водяной пар является идеальным газом, составляет ~ 1,5 %, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность влажного воздуха при температуре менее 100 ОС:

П рП .

Н рН

Для абсолютно сухого воздуха, когда рП = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для влажного воздуха, насыщенного водяными парами, рП = рН и = 1. Поэтому можно сказать, что

14

относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.

Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящихся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха.

d1000 МП , г/кг сух. возд.,

МВ

где МП и МВ – массы водяного пара и сухого газа, кг.

Используя уравнение состояния для влажного воздуха, можно записать:

p pH

Давление р, входящее в формулу, зависит от географического положения местности (для центральных частей России р = 745 мм рт. ст.). Влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяного пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха ( = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает.

Энтальпию влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму энтальпий сухого газа и перегретого водяного пара. Энтальпия влажного воздуха, кДж/кг, обычно относится к 1 кг сухого воздуха:

d h hB hП 1000 ,

где hB = 1,006 t – энтальпия сухого воздуха, кДж/кг;

1,006 кДж/(кг К) – средняя теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении;

hП = 2500 + 1,97 t – энтальпия водяного пара, равная сумме его

теплосодержания при 0 ОС и теплоты перегрева от 0 ОС до t;

1,97 кДж/(кг К) – средняя теплоемкость перегретого водяного пара. Таким образом, энтальпия влажного воздуха, кДж/кг, на 1 кг

сухого воздуха определяется по формуле

h = 1,006 t + 0,001 d (2500 + 1,97 t).

15

Анализ формулы показывает, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.

Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным. При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы ( = 1). Температуры точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении рН или по h-d-диаграмме влажного воздуха.

Схема и описание установки. Лабораторная установка (рис. 2.1) представляет собой прозрачный пластмассовый воздуховод 1, внутри которого установлен психрометр, состоящий из двух ртутных термометров: сухого 5 и «мокрого» 4.

6

3 9

11

Рис. 2.1. Схема установки: 1 – воздуховод; 2 – компрессор; 3 – баллончик с водой; 4 – мокрый термометр; 5 – сухой термометр; 6 – электронагреватель; 7 – автоклав; 8 – поворотная заслонка; 9 – труба «Вентури»; 10 – пьезометр; 11 – барометр; 12 – термометр

16

Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды.

Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компенсатором создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 9 по показаниям U-образного вакуумметра 10.

При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tС, а мокрый – температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tМ.

Причем чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tC – tМ). Переход одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6. В работе предусмотрена возможность изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также изменение влагосодержания путем впрыскивания в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. Результаты наблюдений вносятся в протокол (табл. 2.1).

17

4. Расчетные формулы и расчеты.

1. Приступая к вычислениям, необходимо рассчитать истинное значение температуры мокрого термометра, ОС, по формуле

tM ' tM tC tM , 100

где tМ – показание мокрого термометра в психрометре, ОС;

– ошибка в процентах от измеренной психрометрической разности (tC – tМ), определяемая по графику рис. 2.1 в зависимости от скорости потока воздуха;

tС – температура по сухому термометру, ОС.

18

Рис. 2.2. График для определения величины ошибки к показаниям мокрого термометра при разной скорости воздуха

2. Атмосферное давление, Па, находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

3. Перепад давления воздуха, Па, в воздухомере:

р g h.

где = 1000 кг/м3 – плотность воды в U-образном вакуумметре; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;

h – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод. ст.

19