ТОТ (лекции) / ТД(лекц_я 6)

.

Вологе повітря та його характеристики. В техніці часто використовуються суміші газів з парами, які при певних умовах легко конденсуються. Найбільш характерним прикладом парогазових сумішей є атмосферне повітря, в якому завжди знаходяться водяні пари. Суміш сухого повітря з водяною парою називається вологим повітрям. Знання властивостей вологого повітря має особливо велике значення для проектування і експлуатації сушильних та вентиляційно-зволожуючих установок. В атмосферному повітрі, як правило, пар знаходиться під невеликим парціальним тиском і в перегрітому стані. Тому вологе повітря можна розглядати як суміш ідеальних газів, за виключенням того, що при певних умовах в ній відбувається конденсація водяної пари (фазове перетворення).

Згідно до закону Дальтона тиск вологого повітря, яке дорівнює барометричному р_бар, являє собою суму парціальних тисків сухого повітря р_с.п і водяної пари р_п, тобто

р_бар = р_с.п + р_п. (6.29)

Стан перегрітої пари в суміші характеризується на p-v-діаграмі точкою А (рис. 6.8).

Суміш сухого повітря і перегрітої пари називається ненасиченим вологим повітрям. При заданих температурі і тиску вологого повітря завжди існує такий стан, коли в ньому міститься максимально можлива у цих умовах кількість водяної пари. Цьому стану на р-v діаграмі буде відповідати точка В, де водяна пара є сухою насиченою. При цьому густина водяної пари буде максимальною і дорівнювати густині сухої насиченої пари ρ_н при заданій температурі вологого повітря t,тобто . Суміш сухого повітря і сухої насиченої водяної пари називається насиченим вологим повітрям. Таким чином, точка В на рис. 6.8 відповідає максимально можливій кількості водяної пари у вологому повітрі при даній температурі і є границею насичення.

Процес насичення може відбуватися і при незмінній кількості водяної пари, якщо охолоджувати насичене вологе повітря при постійному парціальному тиску пари р_п (процес А-С). В точці С пара стає насиченою, і при подальшому незначному зниженні її температури утворюється туман (відбувається випадіння роси). Температура, до якої необхідно охолоджувати вологе повітря при постійному тиску, щоб воно стало насиченим, називається температурою точки роси . Отже, температура точки роси в будь-якому стані вологого повітря дорівнює температурі насичення, що відповідає даному парціальному тиску пари, і визначається за таблицями для насиченої пари.

Щоб охарактеризувати пароповітряну суміш, потрібно знати її склад. Про склад вологого повітря судять за його вологістю і вологовмістом. Розрізняють абсолютну і відносну вологість. Абсолютною вологістю повітря, або масовою концентрацією водяної пари у повітрі, називається кількість водяної пари, що приходиться на 1м³ вологого повітря, тобто

(6.30)

Оскільки об’єм вологого повітря дорівнює об’єму пари , абсолютна вологість повітря чисельно дорівнює густині водяної пари , що вміщується в ньому.

Відношення абсолютної вологості до максимально можливої абсолютної вологості = , що відповідає температурі насичення , характеризує ступінь насичення і називається відносною вологістю повітря,тобто

. (6.31)

Відносна вологість може змінюватися від φ = 0 (сухе повітря) до φ = 100 % (вологе насичене повітря), тобто 0 ≤ φ ≤ 1, і характеризує ступінь насичення повітря водяною парою по відношенню до стану повного насичення при тій же температурі. З урахуванням того, що пара, яка знаходиться у повітрі, розглядається як ідеальний газ, відношення густин на ізотермі АВ можна замінити відношенням тисків:

(6.32)

Парціальний тиск в стані насичення знаходять з таблиць для насиченої пари за температурою. Парціальний тиск р_п також визначають за цими таблицями, знаючи температуру точки роси . Оскільки в процесах з вологим повітрям (підігрів, охолодження) кількість сухого повітря не змінюється, доцільно всі питомі величини відносити до 1 кг сухого повітря. Маса водяної пари, що приходиться на 1 кг сухого повітря, називається вологовмістом:

. (6.33)

При введеному припущені про ідеальність водяної пари та сухого повітря можна записати:

р_пV_п = m_пR_пT_п; р_с.пV_с..п = m_с.пR_с.пT_с.п.

Вважаючи, що V_п= V_с..п і T_п = T_с.п, одержимо

d = m_п/m_с.п= R_с.пр_п./(R_пр_с.п) = 287р_п/(462р_с.п) = 0,622 р_п/р_с.п. (6.34)

Якщо врахувати, що р_бар = р_с.п+ р_п і р_п = , то

. (6.35)

Значення d, виражені в кілограмах пари на 1 кг сухого повітря, малі; тому в практичних розрахунках воловміст d виражають в грамах вологи на кілограм сухого повітря, тобто

(6.36)

Густину вологого повітря можна визначити як суму густин пари і сухого повітря при їх парціальних тисках:

.

Враховуючи, що , отримаємо

=(1+) (6.37)

Ентальпію вологого повітря відносять до 1 кг сухого повітря або до (1+d) кг вологого повітря і визначають як суму ентальпій 1 кг сухого повітря і d кг водяної пари:

. (6.38)

При температурах і тисках, що застосовуються в сушильних установках, приблизно можна вважати питому теплоємність сухого повітря = 1 кДж/(кг ∙ К), а питому ентальпію водяної перегрітої пари кДж/кг. При малих тисках питома теплота пароутворення r = 2500 кДж/кг, питома теплоємність перегрітої пари = 1,9 кДж/кг і вираз (6.38) приймає вигляд

H = t+ (2500+1,9t) d. (6.39)

Діаграма H – d вологого повітря. Визначення параметрів вологого повітря, дослідження процесів з ним значно спрощується і стають наочними, якщо використовувати Н – d-діаграму вологого повітря, запропоновану в 1918 р. проф. Л. К. Рамзіним (рис. 6.9).

Рис. 6.9. H – d діаграма вологого повітря

Для зручності (збільшення площі діаграми) вісь абсцис спрямована під кутом 135˚ до осі ординат. Тому лінії Н =const виявляються нахиленими під кутом 45˚ до горизонту. Щоб скоротити розміри діаграми, значення вологовмісту d з вісі абсцис знесені на горизонтальну умовну вісь О - О′. На діаграму наносять сітку ізотерм, побудовану за формулою (6.39). Ці ізотерми являють собою прямі лінії, кутовий коефіцієнт яких визначається рівнянням = 2500+1,9t. На кожній ізотермі знаходять точки з однаковими значеннями відносної вологості повітря φ. З’єднавши їх, отримують сітку кривих φ = const. Крива φ = 100 % зображує стан волого насиченого повітря і є граничною. Вона поділяє область ненасиченого вологого повітря (зверху) і область перенасиченого повітря (знизу), в якому волога частково знаходиться в крапельному (або твердому – сніг, лід) стані.

Н – d діаграму будують звичайно для тиску волого повітря р_бар ≈ 99 кПа, що відповідає середньому річному барометричному тиску. Лінії φ = const піднімаються до ізотерми 99,4˚С (температура насичення при р = 99 кПа), після чого стають майже вертикальними, бо при > відносна вологість повітря φ залежить тільки від вологовмісту d. Дійсно, при > парціальний тиск пари р_п = φ р_бар.Тоді

d = 0, 622 φ р_бар/ ( р_бар+ φ р_бар) = 0,662φ/ (1-φ),

або

φ = d/ (d+0,662).

Отже, при d = const і φ = const. В нижній частині діаграми по формулі (6.34) побудована лінія парціального тиску р_п = ƒ (d).

Стан вологого повітря (точка А) можна визначити за будь-якими двома параметрам (φ і t або р_п і t), після чого легко знайти Н і d. Для цього ж стану можна встановити і температуру точки роси, для чого слід з точки А провести вертикаль (d = const) до перетину з лінією φ = 100 % . Тоді ізотерма, яка проходить через точку перетину, буде відповідати температурі точки роси t_р. Початковими для визначення параметрів стану вологого повітря по Н – d діаграмі служать показники сухого і мокрого термометрів, які в комплекті утворюють прилад, який називається психрометром.

Ртутна кулька мокрого термометра обернена тканиною, змоченою водою. При обдуванні цього термометра повітрям відбувається випаровувуння води з поверхні вологої тканини, внаслідок чого її температура буде знижуватися до тих пір, доки не встановиться рівновага за рахунок припливу теплоти з навколишніх шарів повітря. Встановлена температура буде більше температури точки роси, але менша температури навколишнього повітря (сухого термометра). Цю встановлену температуру води називають температурою мокрого термометра (t_м). Різниця між температурами сухого (t_с) і мокрого (t_м) термометрів є мірою кількості водяної пари в суміші. Якщо повітря насичене водяною парою, то t_с = t_м. Залежність вологовмісту повітря d від температур t_с і t_м встановлюється експерементально і складаються спеціальні психрометричні таблиці або діаграми.

Якщо припустити, що температура вологої поверхні (випаровуваної вологи) дорівнює 0 ˚С, то випаровування буде відбууватися тільки за рахунок теплоти вологого повітря, температура якого знижується, а вологовміст збільшується. Проте ентальпія вологого повітря залишиться незмінною (Н = const), так як частина її, затрачена на випаровування вологи, повертається назад до вологого повітря, з випареною вологою, тобто даний процес протікає без зовнішнього теплообміну. В цьому сенсі процес насичення повітря можна вважати адіабатним. Тому температура, яку набуває повітря в кінці процесу насичення (φ = 100 %), називається температурою адіабатного насичення t_а. При вказаних припущеннях ця температура дуже близька до температури мокрого термометра.

Отже, на Н – d діаграмі процес адіабатного зволоження буде протікати по лінії Н = const ( процес С-К на рис. 6.9). Межою адіабатного зволоження повітря буде температура, яка співпадає з його повним насиченням (φ = 100 %).

Якщо випаровування проходить з поверхні рідини, температура якої t_р > 0 ˚С, то цей процес пробігає не по лінії Н = const, а по лінії t_м = const, яка являється геометричним місцем точок з однаковою температурою мокрого термометра. Лінії t_м = const проходять більш полого за лінії Н = const, методика їх побудови викладається в спеціальних посібниках.

Показання психрометра дають змогу по Н – d діаграмі встановити відносну вологість та інші характеристики вологого повітря. Для цього необхідно за показаннями мокрого термометра знайти ізотерму t_м, яка на перехрещенні з кривою φ = 100 % дасть точку К. Провівши з цієї точки пряму Н = const до перетину з ізотермою t_с, отримаємо шукану точку, яка відповідає стану вологого повітря, яка і визначає всі параметри вологого повітря (φ, d, Н, р_п) в приміщені.

Основні процеси з вологим повітрям ( нагрівання, охолодження, адіабатне зволоження ) та їх зображення на H-d діаграмі. Н – d діаграма широко застосовується при розрахунках процесів, що забезпечують сушку різних матеріалів і виробів, кондиціювання повітря, вентиляцію і опалення.

Процес підігріву повітря на Н – d діаграмі зображується вертикальною лінією d = const, оскільки кількість водяної пари в повітрі при його підігріві не змінюється (лінія АВ на рис. 6.9). Стан вологого повітря після підігріву (точка В) можна встановити по температурі повітря за підігрівачем. Процес охолодження повітря протікає також без змін його вологовмісту, якщо при охолодженні повітря не стає насиченим (лінія СD на рис.6.9). Якщо охолодження повітря відбувається до стану повного насичення з φ = 100 % (лінія СЕ), то перетин лінії d = const з лінією φ = 100 % (точка Е) встановлює температуру точки роси. Подальше охолодження повітря нижче точки роси (лінія ЕF) приводить до конденсації частини водяної пари, тобто до осушення вологого повітря. Кількість вологи, що конденсується, визначається різницею вологовмісту в точках Е і F.

Конвективне сушіння. Процес видалення вологи з матеріалу шляхом підведення до нього теплоти називається сушкою. Здійснюється він в сушильних установках, з яких найбільше розповсюдження отримали конвективні сушарки, де теплота до матеріалу від газоподібного теплоносія передається конвекцією. В якості теплоносія використовуються звичайно попередньо нагріте повітря. Основними елементами конвективної сушарки (рис. 6.10, а) є вентилятор 1 для подавання повітря, калорифер 2 – пристрій для нагрівання повітря і сушильна камера 3, в якій відбувається процес випаровування вологи з матеріалу або виробу.

Розглянемо процеси, що протікають в так званій теоретичній сушарці, що не має втрат теплоти до зовнішнього середовища і на нагрівання матеріалу. З попереднього відомо, що процес підігріву повітря у калорифері протікає при d = const і зображається вертикальною прямою 1-2 (6.10, б). Різниця ентальпій кінцевої та початкової точок Н₂ - Н₁ відповідає витратам теплоти на підігрів (1+d) кг вологого повітря. Після калорифера вологе повітря поступає до сушильної камери, де воно використовується для випаровування вологи з матеріалу і при цьому зволожується. Процес адіабатного зволоження повітря в сушильній камері теоретично протікає по лінії Н = const (лінія 2-3). При цьому різниця вологовмісту кінцевої та початкової точок d₃ - d₂ визначає кількість вологи, випареної 1 кг сухого повітря. Маса сухого повітря (в кілограмах) для випаровування 1 кг вологи становить

m_c.п = 1000/(d₃ - d₂), (6.40)

а витрата теплоти (в кілоджоулях на кілограм випареної вологи) визначається виразом

q = m_с.п (Н₂ - Н₁). (6.41)

Рис. 6.10. Схема конвективної сушарки (а) і процеси в теоретичній сушарці на Н – d діаграмі (б)