2339

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. П.А. Лисин (ОмГАУ); канд. техн. наук, доц. И.И. Малахов (ОИВТ [филиал] ФГБОУ ВО «СГУВТ»)

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия.

Галдин, Владимир Дмитриевич.

Г15 Влажный воздух. Состав и свойства : учебное пособие / В.Д. Галдин. –

Омск : СибАДИ, 2018. 64 с. ISBN 978-5-00113-066-6.

Рассмотрены основные законы термодинамики идеальных газов и смесей, свойства сухого воздуха, воды и льда. Даны примеры расчета параметров влажного воздуха.

Предназначено для студентов всех форм обучения бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство», при выполнении практических работ, курсового проектирования и самостоятельной работы по дисциплинам «Насосы, вентиляторы, компрессоры», «Отопление», «Вентиляция», «Кондиционирование».

Подготовлено на кафедре «Городское строительство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости».

УДК 697.9 ББК 38.762.3

Введение

Атмосферный воздух – это газообразная оболочка земли с постоянно убывающей по высоте концентрацией химически несвязанных компонентов, главным образом азота и кислорода. У поверхности земли состав воздуха по основным компонентам практически не изменяется.

Под действием воздуха и воды совершаются важнейшие геологические процессы на поверхности Земли, формируется погода и климат.

Воздух является источником кислорода, необходимого для нормального существования подавляющего числа живых организмов. Кислород в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии.

Для жизнедеятельности человека большое значение имеют температура, влажность, движение воздуха. Для обычно одетого человека, выполняющего лёгкую работу, оптимальная температура воздуха 18 20 0С. Чем тяжелее работа, тем ниже должна быть температура воздуха. Благодаря совершенным механизмам терморегуляции человек легко переносит изменения температуры и может приспособиться к различным климатическим условиям. Оптимальная для человека относительная влажность воздуха 40 60%. Сухой воздух при всех условиях переносится хорошо. Повышенная влажность воздуха действует неблагоприятно: при высокой температуре она способствует перегреванию, а при низкой температуре переохлаждению организма.

Движение воздуха вызывает увеличение теплоотдачи организма. Поэтому при высокой температуре (до 37 °С) ветер способствует предохранению человека от перегревания, а при низкой переохлаждению организма. Особенно неблагоприятна для человека комбинация ветра с низкой температурой и высокой влажностью.

Рост масштабов хозяйственной деятельности увеличивает загрязнение воздуха. Развитие промышленности, энергетики, транспорта приводит к повышению содержания в воздухе углекислого газа и ряда других вредных газов. Металлургические и химические предприятия и ТЭЦ загрязняют воздух сернистым газом, окислами азота, сероводородом, галогенами и их соединениями.

Промышленные предприятия, ТЭЦ, автотранспорт, лесные пожары, пыльные бури, возникающие в результате эрозии почв при непра-

~3 ~

вильном землепользовании, повышают концентрацию твёрдых частиц (пыли и дыма) в воздухе настолько, что это существенно понижает солнечную радиацию, дошедшую до поверхности земли в районе больших городов.

Загрязнение воздуха приводит к ухудшению условий жизни человека, животных и растений и иногда может достигать масштабов, что приводит к увеличению заболеваемости и смертности населения. Особую опасность представляют радиоактивные загрязнения воздуха, вследствие постоянных движений воздушных масс они носят глобальный характер. Некоторые загрязнения воздуха вызывают профессиональные заболевания. Влияние загрязнений воздуха на условия жизни весьма велико. В России приняты законы об охране природы, предусматривающие необходимость санитарного контроля над состоянием воздуха и ответственность руководителей промышленных предприятий за тщательную очистку и обезвреживание промышленных газов до их выброса в атмосферу.

Благодаря содержащемуся в воздухе кислороду, последний используется как химический агент в различных процессах. Сюда относятся: горение топлива с целью получения теплоты и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, парогенераторах, выплавка металлов из руд, промышленное получение многих химических соединений.

Воздух является важнейшим промышленным сырьём для получения кислорода, азота, инертных газов. Он широко используется в качестве рабочего вещества в компрессорах, в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах.

Физические свойства воздуха используют в тепло- и звукоизоляционных материалах, в электроизоляционных устройствах; упругие свойства воздуха в пневматических шинах; сжатый воздух служит рабочим веществом для совершения механической работы (пневматические машины, струйные и распылительные аппараты, перфораторы и т.д.).

В дальнейшем мы будем говорить о воздухе как о рабочем веществе систем кондиционирования воздуха.

Под кондиционированием воздуха подразумевается создание и автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздушной среды. К таким параметрам относятся: температура, влажность, чистота, скорость движения и др.

~4 ~

Кондиционирование воздуха в производственных, общественных и жилых помещениях должно обеспечивать микроклиматические условия, которые бы способствовали сохранению здоровья людей, повышению производительности их труда, улучшению качества продукции, интенсификации производственного процесса.

Важный вклад в исследование и развитие систем кондиционирования воздуха сделали В. Н. Богословский и О. Я. Кокорин [3, 10], Б. В. Баркалов и Е. Е. Карпис [4], В. М. Ладыженский [11], А. В. Нестеренко [12], А. А. Рымкевич [13] и ряд других ученых [1, 2, 5, 8]. В этой области выполнен большой объем теоретических и экспериментальных работ и созданы методики термодинамического расчета систем [7, 9, 14, 15].

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара, и он может быть перегретым или насыщенным. Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром. Влажность воздуха характеризуется количеством водяного пара, содержащегося в нем.

В дальнейшем под термином «влажный воздух» будем понимать гомогенную смесь сухого воздуха и водяного пара, или гетерогенную смесь, включающую и взвешенные в воздухе капли воды, и кристаллы льда. Анализ термодинамических свойств влажного воздуха ограничим диапазоном температур (от – 50 до + 50 0C) и давлений (от 95 до 115 кПа), которые могут иметь место при комфортном кондиционировании воздуха.

~5 ~

Воздух является основной рабочей средой процессов кондиционирования. Свойства воздуха определяются его составом, тепловлажностным состоянием и содержанием вредных газов, паров и пыли. Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Смесь сухого воздуха с водяным паром (воздухопаровая смесь) называется влажным воздухом. Рассмотрим компонентный состав влажного воздуха.

1.СУХОЙ ВОЗДУХ

Сухой воздух представляет собой газовую смесь химически индифферентных друг другу газов. В табл. 1 приведен рекомендуемый [8] состав чистого атмосферного сухого воздуха, полученный сопоставлением результатов химических анализов, пробы которых взяты в различных местах и в разное время, соответствующий стандартному составу, принятому международным соглашением в 1947 г.

Анализ табл. 1 показывает, что на долю азота и кислорода приходится 99,037% объема и 98,67% массы сухого воздуха.

~6 ~

В атмосферном воздухе кроме чистого воздуха присутствуют и другие газовые примеси, концентрация которых зависит от метеорологических условий, топографии местности, расположения крупных промышленных предприятий и т. д.

Состав воздуха может меняться: в крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах; в горах пониженное содержание кислорода, вследствие того что кислород тяжелее азота, его плотность с высотой уменьшается быстрее.

Уравнение состояния сухого воздуха. Идеально газовое состоя-

ние характеризуется отсутствием сил взаимодействия между молекулами (практически настолько малым значением этих сил, что их влиянием можно пренебречь). При высоких температурах и низких давлениях, когда расстояния между молекулами велики, при расчетах можно принимать реальные газы за идеальные.

Все компоненты сухого воздуха при атмосферном или близком к нему давлении и диапазоне температур – 50 … + 50 0С полностью подходят под понятие идеального газа. Поэтому для сухого воздуха термическое уравнение состояния имеет следующий вид:

где p, , Т, RСВ – давление, удельный объем, температура и газовая постоянная сухого воздуха.

Поведение сухого воздуха описывается законами Дальтона.

1. Смесь идеальных газов также является идеальным газом, т.к. между молекулами газовой смеси отсутствуют силы взаимодействия. Для воздуха верно соотношение

2.Каждый газ в воздухе занимает весь объем смеси. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Поэтому молекулы одного газа могут находиться между молекулами другого.

3.Давление сухого воздуха равно сумме парциальных давлений рi отдельных газов:

n

pCB p1 p2 pn pi .

1

~7 ~

Под парциальным давлением понимают такое давление, которое имел бы газ, входящий в состав смеси, если бы он находился в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.

Методы задания состава сухого воздуха. Состав воздуха может быть задан по абсолютному массовому составу, т.е. заданы массы отдельных газов в воздухе: G1, G2 , , Gn . Масса воздуха

Если разделить (3) на G, получим состав воздуха по относительному массовому составу:

G1 G2 Gn 1

G G G

или

g1 g2 gn 1,

где g1 G1 /G – относительная массовая доля первого газа в воздухе (массовая концентрация).

Задание воздуха по объемному составу основывается на понятии "приведенного" объема каждого газа в воздухе. Каждый газ в воздухе занимает весь объем смеси V, имеет свое парциальное давление и температуру воздуха Т. Для первого газа в воздухе уравнение состояния имеет вид

p1V G1R1T.

Если сжать этот газ так, что его давление станет равно давлению воздуха р (при той же температуре), то в этом состоянии

pV1 G1R1T,

где V1 – приведенный объем первого газа в воздухе. Поэтому

V1 Vp1 / p.

~8 ~

Для второго газа

V2 Vp2 / p.

Сложив эти равенства почленно, получим

Так как p1 p2 pn p, то

V1 V2 Vn V.

Сумма приведенных объемов газов в смеси равна объему смеси. Если разделить предыдущее соотношение на V:

V1 V2 Vn 1,

V V V

то r1 V1 /V представит собой относительную объемную долю первого газа в смеси (объемную концентрацию первого газа).

r1 r2 rn 1.

Формулы для перехода от массового состава к объемному и наоборот имеют следующий вид:

где СВ – мольная масса сухого воздуха.

~9 ~

Согласно [8] мольная масса воздуха СВ = 28,964 кг/кмоль. Газовая постоянная RСВ сухого воздуха подсчитывается из соот-

ношения

СВ RСВ = 831 4,41 Дж/(кмоль К),

после предварительного определения СВ . RСВ = 287,06 Дж/(кг К). Проверкой правильности расчетов могут служить соотношения

g1 g2 gn 1, r1 r2 rn 1.

Парциальное давление компонентов сухого воздуха:

Правильность подсчетов можно проверить по соотношению

p1 p2 pn p.

Удельный объем сухого воздуха можно определить из уравнения идеального газа (1):

RCBT / p.

Плотность ρ 1/ p/(RCBT).

Из уравнений следует, что и сухого воздуха зависят от температуры и давления.

В табл. 2 приведены значения плотности сухого воздуха для различных значений температур при рСВ = 100 кПа.

В общем случае удельные теплоемкости идеальных газов cP и cV представляют сложные функции температуры. Однако для сухого воздуха в диапазоне температур – 50 … + 50 0С эта зависимость не-

~10 ~