Лабы / Лабораторная работа № 2 1 1

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Факультет инженерной экологии и городского хозяйства

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

Дисциплина: Техническая термодинамика

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗдУХА

Работу выполнил(а )

Студент(ка) группы

Номер зачетной книжки

Подпись___________Дата_____________

Руководитель работы Пономарев Н. С.

Проект защищён с оценкой____________

___________________________________

(Дата и подпись преподавателя)

Санкт-Петербург

2025

1. Цель работы. Закрепление знаний по разделу влажный воздух; определение экспериментальным путем на лабораторной установке параметров влажного воздуха; исследование процессов изменения параметров влажного воздуха с использованием h-d диаграммы.

2. Основные положения. Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов процессов сушки влажных материалов и изделий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха. 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:

, Па (1)

где В − барометрическое давление; р_в и р_п − парциальные давления, соответственно, сухого воздуха и водяного пара.

Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано как для сухого воздуха, так 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 следующем виде:

(2)

или для 1 кг рабочего тела:

(3)

где р − парциальное давление компонента, Па; V − объем газовой смеси, м³; m − масса газа, кг; R − характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг·град); Т − абсолютная температура, К; v − удельный объем газа, м³/кг.

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

Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1 м³ влажного воздуха. Так как объем водяного пара в 1 м³ влажного воздуха также составляет 1 м³, то можно сказать, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара в смеси ρ_п, кг/м³. Таким образом, абсолютная влажность представляет собой объемную концентрацию пара. Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к на­сыщению зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше движущая сила процесса сушки, определяемая разностью парциальных давлений паров воды над поверхностью материала и в окружающем воздухе. Влага переходит из материала в воздух до наступления состояния равно­весия. При насыщении воздух не поглощает влагу, и из­быточная влага начинает конденсироваться. Поэтому в процессе сушки очень важно знать способность воздуха к насыщению, которая характеризуется относительной влажностью φ.

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 и том же барометрическом давлении:

(4)

где ρ_п − плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м³; ρ_н − плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м³.

Из уравнения (3) 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 приблизительно 1,5%, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность воздуха при температуре t менее 100°С:

(5)

При температуре выше 100°С относительная влажность определяется по формуле:

(6)

где В − барометрическое давление, Па; , кг/м³.

Для абсолютно сухого воздуха, когда р_п = 0, отно­сительная влажность тоже равна нулю. Для воздуха, насыщенного водяными парами, р_п = р_н и φ = 1. Поэтому можно сказать, что относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.

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

, г/кг сух.воз., (7)

где m_п и m_в — соответственно массы водяного пара и сухого газа, кг. Используя уравнение состояния (2) для влажного воздуха, запишем:

, г/кг сух.воз. (8)

Величина В, входящая в формулу, определяется по показаниям барометра и должна иметь такую же размерность, как и давление насыщения (р_н). Влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяного пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха (φ = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает. При температуре более 100°С р_н = В, тогда формула (8) приобретает следующий вид:

, г/кг сух.воз., (9)

т. е. величина d при t > 100°С зависит только от φ.

Теплосодержание (h, кДж/кг сух.воз.) влажного воздуха, в котором содер­жится 1 кг сухого воздуха и d грамм влаги, можно представить как сумму теплосодержаний (энтальпий) сухого газа и перегретого водяного пара. Теплосодержание h влажного воздуха относится обычно к 1 кг сухого воздуха:

, кДж/кг, (10)

где h_в = 1,006t  энтальпия сухого воздуха, кДж/кг (1,006 кДж/(кг·С)  средняя удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении;

h_п = (2500+1,97t)  энтальпия водяного пара, равная сумме его теплосодержания при 0°С и тепла пере­грева от 0° до t (1,97  средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, кДж/(кг·С).

Таким образом, теплосодержание влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле:

, кДж/кг. (11)

Из этой формулы видно, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.

Температура точки росы является одной из характеристик влажного воздуха. По этой температуре можно определить относительную влажность воздуха. 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 (φ = 1). Парциальное давление водяного пара р_п равно давлению в состоянии насыщения р_н. Температуру точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциаль­ном давлении насыщения р_н или по h−d диаграмме влажного воздуха.

3. Схема и описание установки. Лабораторная установка приведена на рисунке 4. Внутри воздуховода 1 расположен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 2 и так называемого мокрого 3. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, 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 4 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компрессором 5 создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 6 по показаниям U-образного вакуумметра 7.

При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха t_с, а мокрый − температуру испаряющейся с поверхности ткани воды t_м. Причем, чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (t_с − t_м).

Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 8. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 9 и термометра 10. Результаты наблюдений заносятся в таблицу 11 на экране и дублируются в протоколе наблюдений (таблица 1).

Таблица 1

Протокол наблюдений

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна- чение	Единицы измерения	Номера опытов
				1	2	3	4	5	6
1	Температура сухого термометра	tс	°С	57,5	58,1	61	67,1	77,2	92,1
2	Температура мокрого термометра	tм	°С	29	29,2	29,8	31,1	33,2	35,9
3	Разрежение в «горле» воздухомера	Н	мм вод.ст.	918	918	918	918	918	918
4	Показания барометра	B	мбар	1013	1013	1013	1013	1013	1013
5	Температура окружающей среды	tокр	°С	23	23	23	23	23	23

4. Расчетные формулы и расчеты.

1. Атмосферное давление (p_атм, бар) находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:

2. Перепад давления (Δp, Па) воздуха в воздухомере:

где g = 9,81 м/сек² – ускорение свободного падения; H – показания вакуумметра («горло») воздухомера, в мм вод.ст.

3. Плотность воздуха (ρ_в, кг/м³) по состоянию в «горле» воздухомера:

где Дж/(кгК) – газовая постоянная воздуха; К  коэффициент пересчёта температуры из градусов С в градусы К.

4. Расход воздуха:

, кг/с.

5. Средняя скорость потока (w, м/с) определяется уравнением:

где м² – площадь проходного сечения для потока воздуха.

6. Плотность воздуха ρ в рассматриваемом сечении при атмосферном давлении найдем по формуле:

, кг/м³.

7. Определение относительной влажности (, %) по психрометрической формуле:

где р_м − давление насыщения водяного пара при измеренной температуре мокрого термометра; р_н − давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра.

Величины р_м и р_н находятся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или по рекуррентной формуле полинома при подстановке соответственно t_м и t_н:

Па

8. Поправочный коэффициент А, учитывающий влияние скорости воздуха, находится по формуле:

где p_атм − атмосферное давление, бар; w − скорость воздуха, м/с.

9. По формулам (8) или (9), в зависимости от температуры воздуха, определите влагосодержание d влажного воздуха.

10. Используя выражение (11) рассчитайте теплосодержание (энтальпию) h влажного воздуха.

11. Абсолютная влажность воздуха (ρ_п, кг/м³) определяется по уравнению состояния:

здесь и далее φ – относительная влажность в долях единицы; Дж/(кг·К) – характеристическая газовая постоянная водяного пара; р_н − давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра, Па.

12. Парциальное давление пара во влажном воздухе определяется по формуле:

Па.

13. По h−d диаграмме (раздаточный материал). Для нахождения относительной влажности на диаграмме следует найти точку пересечения изотерм t_с и t_м. Затем путем интерполяции между линиями φ = const определяется относительная влажность в %. Кроме того, по h−d диаграмме влажного воздуха в соответствии с найденным положением точки пересечения изотерм t_с и t_м, определяются: влагосодержание, теплосодержание, температура точки росы и парциальное давление водяного пара во влажном воздухе.

14. Результаты расчетов по формулам и найденные по h−d диаграмме влажного воздуха должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2 (Протокол результатов).

Таблица 2

Протокол результатов

№ п/п	Расчетная величина	Обозна- чение	Единицы измерен.	Номера опытов
				по расчету						по h−d диаграмме
				1	2	3	4	5	6		1	2	3	4	5	6
1	Атмосферное давление	pатм	бар	1,0088	1,0088	1,0088	1,0088	1,0088	1,0088		–	–	–	–	–	–
2	Перепад давления воздуха в воздухомере	Δp	Па	9005,580	9005,580	9005,580	9005,580	9005,580	9005,580		–	–	–	–	–	–
3	Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера	ρв	кг/м3	1,081	1,081	1,081	1,081	1,081	1,081		–	–	–	–	–	–
4	Расход воздуха	G	кг/с	0,0518	0,0518	0,0518	0,0518	0,0518	0,0518		–	–	–	–	–	–
5	Средняя скорость потока	w	м/с	27,529	27,579	27,820	28,328	29,169	30,410		–	–	–	–	–	–
6	Плотность воздуха в рассматриваемом сечении		кг/м3	0,1063	0,1061	0,1052	0,1033	0,1003	0,0962		–	–	–	–	–	–
7	Поправочный коэффициент	A	Па/°С	65,8190	65,8185	65,8164	65,8120	65,8051	65,7955		–	–	–	–	–	–
8	Давление насыщенного водяного пара при температуре сухого термометра	pн	Па	16 667,981	17 150,910	19 658,660	25 975,897	40 227,478	72 927,589		–	–	–	–	–	–
9	Давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра	pм	Па	3 756,126	3 799,084	3 930,625	4 229,794	4 756,462	5 519,551		–	–	–	–	–	–
10	Парциальное давление пара	рп	Па	1 880,285	1 896,928	1 877,154	1 860,562	1 861,040	1 821,843		2250	2265	2240	2375	2790	3100
11	Относительная влажность воздуха	φ	%	11,28	11,06	9,55	7,16	4,63	2,50		12,5	13	11	10	8	9
12	Влагосодержание	d	г/кг сух.воз.	11,764	11,870	11,744	11,638	11,641	11,391		14	14,4	14,1	15	17,7	20,3
13	Абсолютная влажность	ρп	кг/м3	0,0123	0,0124	0,0122	0,0118	0,0115	0,0108		–	–	–	–	–	–
14	Теплосодержание (энтальпия)	h	кДж/кг	88,587	89,482	92,136	98,136	108,536	123,198		94	95,8	99	106	119	132
15	Температура точки росы	tтр	°С	–	–	–	–	–	–		19	19,2	19,1	20,1	22,9	25,5