11.3. Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом сушильный агент играет роль тепло- и массоносителя. Влажный газ является смесью сухого газа и водяного пара.

В дальнейшем под влажным газом будем подразумевать только влажный воздух, учитывая, что физические свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно.

Влажный воздух как влаго- и теплоноситель, характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара (в кг), содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Можно считать, что пар занимает весь этот объем и поэтому абсолютная влажность равна плотности пара ρ_n (кг/м³) при температуре влажного воздуха и парциальном давлении P_n.

Относительной влажностью или степенью насыщения воздуха φ называется отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного воздуха ρ_n при данных условиях (температуре и общем барометрическом давлении) к максимально возможной массе водяного пара в 1 м³ воздуха ρ_n:

,

поскольку ρ_n и ρ_H по уравнению Менделеева-Клапейрона выражаются как

и , (11.4)

где Р_п и P_н - парциальное давление соответственно пара в данных условиях и насыщенного пара; μ_п - масса 1 кг/моль водяного пара, равная 18∙10^-3 кг/моль; R - универсальная газовая постоянная, равная 8314 (кДж)/кмоль∙град., или 1,99 ккал/кмоль∙град.

Подставляя эти значения в уравнения для φ, получим:

. (11.5)

Значения Р_Н водяного пара для температур менее 100 °С берутся из стандартных таблиц давления водяного пара при данной температуре воздуха.

Если температура воздуха выше температуры кипения (насыщения), то максимально возможное давление водяного пара будет равно общему или барометрическому давлению Р_δ. В этих условиях

. (11.6)

С ростом температуры Рн растет и поэтому φ уменьшается вплоть до t = 100 °C. Далее P_n = P_δ = const и, следовательно, φ также постоянна. В процессе сушки воздух отдает тепло, охлаждается и забирает влагу. Величина φ увеличивается вплоть до φ = 1, т.е. до насыщения воздуха.

Поскольку объем воздуха в процессе сушки изменяется с изменением его температуры, то пользоваться в расчетах значением его абсолютной влажности неудобно.

Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

, (11.7)

где m_n, и m_c.в - масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг; ρ_c.в - плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м³.

Связь между φ и x устанавливается с помощью уравнения Менделеева-Клапейроиа:

, (11.8)

где M_с.в - масса 1 кг/моль абсолютно сухого воздуха, равная 29∙10^-3 г/моль.

По закону Дальтона P_c.в равно разности общего давления влажного воздуха Р и парциального давления пара в нем

,

но так как P_n = φP_Н, получим:

. (11.9)

Теплофизический параметр влажного воздуха – энтальпия, или теплосодержание J влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха (t °С), как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха С_с.вt и водяного пара xi_n (Дж/кг).

, (11.10)

где С_с.в - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха, которая может быть принята приближенно равной 1000 Дж/ кг∙град или 0,24 ккал/кг∙град; i_n - энтальпия водяного пара.

Из этого уравнения хорошо видно, что воздух при сушке может отдавать тепло только за счет охлаждения (уменьшается член С_с.вt, так как влагосодержание воздуха х при сушке возрастает, поэтому произведение xi_n должно возрастать).

Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Обозначим энтальпию водяного пара при 0 °С через r₀ (r₀ = 2493∙10³ Дж/кг или 595 ккал/кг) и примем среднюю удельную теплоемкость перегретого водяного пара С_n = 1,97∙10³ Дж/кг∙град. Тогда энтальпия перегретого пара (0,47 кал/кг∙град.) будет определятся как

. (11.11)

Подставив значения i_n и C_с.в в основное уравнение, получим

. (11.12)

11.4. J - X - диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определять с помощью J - x диаграммы, впервые разработанной Л.К.Рамаиным. Диаграмма J - x построена для постоянного давления Р = 745 мм рт.ст. (рис.11.4).

Д

Рис.11.4. Диаграмма J - x для влажного воздуха

иаграмма имеет угол 135° между осями координат, причем по оси ординат отмечены в определенном масштабе энталъпииJ, а на наклонной оси абсцисс - влагосодержание х, значения которых для удобства пользования диаграммой спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат.

На диаграмме нанесены:

1. линии постоянного влагосодержания (x = const) - вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

2. линии постоянной энтальпии (J = const) - прямые, параллельные оси абсцисс, т.е. идущие под углом в 135° к оси абсцисс;

3. линии постоянных температур, или изотермы (t = const);

4. линии постоянной относительной влажности (φ = const);

5. линия парциальных давлений водяного пара P_n во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на кривой оси ординат диаграммы.

Линия φ = l00% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией φ = 100%, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет.

На диаграмме J - x любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить еще два его параметра.