- 77-

8. Вологі гази і повітря

У природі не існує абсолютно сухих газів. Такі широко використовувані у техніці гази, як атмосферне повітря, природний газ, продукти згорання палива, завжди містять водяну пару.

Навіть незначна кількість водяної пари за певних умов може мати значний вплив на термодинамічні властивості газу. Якщо ж частина водяної пари значна або водяна пара зазнає зміни фазового стану, то парогазова суміш набуває особливих характеристик, що суттєво відрізняються від характеристик сухих газів.

Суміш сухого газу (повітря) і водяної пари називають вологим газом (повітрям). Вологий газ будемо розглядати як газову суміш ідеальних газів, для якої справедливий закон Клапейрона. Тоді тиск вологого газу Р можна записати як суму парціальних тисків сухого газу Р_г та водяної пари Р_п

P= Р_г + Р_п, Па. (97)

Стан водяної пари у вологому газі визначається її парціальним тиском Р_п і температурою Т_г = Т_п.

Максимально можливий парціальний тиск водяної пари (ВП) при заданій температурі називається тиском насичення Р_н. Якщо водяна пара у суміші з газом (повітрям) досягає значень Р_н і більше, то такий газ (повітря) називають насиченим, а водяна пара в ньому починає конденсуватись. Тиск насиченого газу Р′ визначається за формулою (97) за умови, що Р_п = Р_н : P′= Р_г + Р_н. Газ, у якому Р_п < Р_н , називається ненасиченим, а водяна пара знаходиться у ньому в перегрітому стані.

Якщо насичений газ (повітря) охолоджувати при Р=const, то при деякій температурі досягається стан, при якому Р_п =Р_н і розпочинається процес конденсації ВП. Така температура називається температурою точки роси t_р.

Таким чином, максимальний вміст водяної пари у вологому газі обмежений парціальним тиском ВП у стані насичення. Зі збільшенням температури тиск насичення Р_н підвищується. За величиною t_р згідно з таблицями водяної пари можна визначити як величину Р_н, так і максимально можливу кількість водяної пари, що міститься у вологому газі (повітрі) [3].

Величина точки роси t_р може визначатися експериментально за візуальним виявленням процесу конденсації водяної пари у газі на дзеркальній пластині, електролітичним або абсорбційним методом (ГОСТ 20060-83). Величину t_р установлюють також за параметрами вологого газу за допомогою діаграм стану газу.

При цьому необхідно врахувати, що домішки деяких газів мають суттєвий вплив на температуру точки роси. Так, точка роси продуктів згорання газового або рідкого палива при тиску Р=1 ата становить t_р= +56 ⁰С. Але за наявності у продуктах згорання SO₃ i SO₂, що утворюються при згоранні сірки у складі палива, точка роси збільшується. Наприклад, при концентрації SO₂ 1,3% об. t_р= +117⁰С, а при концентрації SO₂ 3,2% об. продукти згорання починають конденсуватись уже при температурі t_р= +152⁰С.

Уміст водяної пари у газі характеризується наступними параметрами:

– абсолютна вологість a,(кг/м³) – маса водяної пари, що міститься у м³ вологого газу (повітря), чисельно рівна густині водяної пари при заданій температурі

_п, кг/м³, (98)

де m_п − маса водяної пари, кг,(г); V_г − об’єм вологого газу, рівний об’єму водяної пари, V_г=V_п , м³; ρ_п − густина водяної пари.

Для стану насичення при будь-якій температурі рівняння (98) запишемо у вигляді

, кг/м³ , (99)

де a_н – абсолютна вологість у стані насичення, кг/м³; m_н – маса водяної пари у газі в стані насичення, кг; ρ_н – густина водяної пари у стані насичення (при Р=101 кПа і температурі t=100⁰С, a_н= ρ_н =0,598 кг/м³=598 г/м³);

– відносна вологість φ, част.од. (%) – відношення абсолютної вологості в ненасиченому заданому стані до абсолютної вологості у стані насичення

, част.од. (100)

Параметри газу в ненасиченому стані можна визначити за параметрами насичення відповідно до залежностей

a =a_н·φ, кг/м³; р = р_н·φ, Па; (101)

– вологовміст d, г/кг – відношення маси водяної пари до маси сухого газу в їх суміші

, г/кг,

після скорочення одержуємо

, г/кг. (102)

Із (102) можна зробити висновок, що зі збільшенням молекулярної маси газу його вологовміст зменшується.

Для визначення абсолютної вологості газу вираз (102) необхідно помножити на густину сухого газу ρ_г = μ_г / 22,4

, г/м³. (103)

Абсолютна вологість будь-якого газу при однакових температурах, відносній вологості і тиску матиме однакову величину. При збільшенні тиску

вологого газу величина абсолютної вологості й умісту водяної пари у газі буде зменшуватись. Тому при збільшенні тиску може відбуватись конденсація водяної пари у газі та його осушування. Так, якщо при температурі 20⁰С абсолютна вологість газу в насиченому стані при φ=100% і тиску 101кПа(1ат) a_н=17,3 г/м³, то при збільшенні тиску до 1013 кПа (10ат) максимально можлива кількість водяної пари, що може утримуватись у газі у насиченому стані, складає тільки a_н=1,9 г/м³, а при тиску 3090 кПа(30ат) - a_н= 0,7 г/м³.

За наявності в газі SO₃ i SO₂ ця величина буде значно меншою. Залежності (102) і (103) можуть бути записаними для стану насичення у вигляді

, кг/кг; (104)

, кг/м³ . (105)

У довідковій літературі наведені значення Р_н залежно від температури газу. Для вказаних параметрів насиченого стану газу його температура відповідає значенню температури точки роси t_р. У таблиці 11 наведені деякі з указаних параметрів.

Таблиця 11

Абсолютна вологість повітря (газу) a_н

залежно від температури [3]

№	Точка роси вологи t, 0С	Рн, Па	Кількість водяної пари у газі у стані насичення, г/м3, при величині тиску, ата
			1	2	5	10	20
1	-8	326,5	2,61	1,30	0,52	0,26	0,13
2	-5	420,3	3,36	1,67	0,67	0,33	0,17
3	0	609,1	4,87	2,43	0,97	0,48	0,24
4	2	705,2	5,65	2,81	1,12	0,56	0,28
5	5	869,0	6,97	3,47	1,38	0,69	0,35
6	8	1066,3	8,57	4,26	1,70	0,85	0,42
7	90	4232	31,82	18,7	7,0	3,3	1,8

Осушування газу можна здійснювати такими методами:

– розширенням газу при його дроселюванні. Внаслідок зниження температури газу при дроселюванні зменшується вміст водяної пари в насиченому стані, во-

дяна пара конденсується і видаляється із сепаратора після дроселя. Наприклад, згідно з діаграмами стану СН₄ при зменшенні тиску СН₄ від 200 до 100 ат його температура знижується від +27⁰С до –9⁰С, а вміст водяної пари з 32 г/м³ до 9 г/м³.Указане зменшення температури може привести до утворення в тру- бопроводах кристалогідратних пробок – кристалічних утворень, що приводять до закупорювання трубопроводів, по яких транспортуються вуглеводневі гази. У зв’язку з цим при використанні дросельного ефекту для осушування газу необхідно вводити антигідратні розчини метанолу або диетиленгліколю;

– адіабатним розширенням газу в турбодетандерах чи в розширювальних циліндрах компресорів. Охолодження газу при цьому достатньо ефективне і визначається залежністю (4 табл. 5). Охолодження газу приводить до конденсації водяної пари у ньому і відповідно до осушення;

– продуванням газу через твердий убирач вологи – силікагель, боксит алюмінію Al₂O₃ (адсорбція водяної пари);

– контактом газу з рідким убирачем вологи – хлористим кальцієм, літієм, диетиленгліколем із наступною їх регенерацією (абсорбція водяної пари);

– контактом газу (повітря) з холодоагентом – холодною водою, фреоном, аміаком чи іншим холодоагентом. Відведення від газу до холодоагента явної теплоти приводить до зменшення температури газу, зниження параметрів насичення Р_н, a_н і конденсації вологи.

При нагріванні газу без здійснення процесів вологообміну (сухому нагріванні) вміст вологи у газі не змінюється. У такому процесі буде лише зменшуватися відносна вологість φ і при подальшому охолодженні газу стан насичення буде відновлюватись.

Ентальпія вологого газу (повітря) масою (1+d) кг складається з ентальпії сухого газу (повітря) і_г та ентальпії водяної пари і_п

i = і_г + і_п d_п, кДж/кг. (106)

При розв´язанні практичних задач ентальпію вологого повітря обчислюють за приблизним виразом

i = 0,24t + 0,6d, кДж/кг.

Аналогічно визначається масова теплоємність вологого газу

С = С_г + С_пd, кДж/кг гр. (107)

Значення ентальпій та інших параметрів вологого повітря можна установити з діаграми стану і-d. Вона побудована для 1 кг повітря при Р = const = 745 мм.рт.ст. По осі абсцис відкладають вологовміст d, а по осі ординат – ентальпію, і в кДж/кг (див. рис. 15 і додаток 5).

Крива φ=100% на діаграмі є пограничною лінією, на якій знаходиться газ у стані насичення. Над кривою φ=100% знаходиться область вологого газу, а під нею – область насиченого газу, в стані конденсації. По осі ординат відкладено також парціальний тиск.

За допомогою і-d - діаграми виконують інженерні розрахунки процесів зміни стану повітря і природного газу при тиску, близькому до атмосферного.. І-d - діаграма дає також можливість визначити стан та параметри вологого повітря і газу.

Визначення температури точки роси і температури мокрого термометра за заданими параметрами стану повітря (газу)

За заданими параметрами вологого газу (φ₁,t₁,і₁) знаходять на і-d- діаграміт.1, що характеризує вихідний стан повітря. З т.1 проводять лінію „сухого”

Рис.15. І–d - діаграма стану вологого повітря

охолодження повітря 1-Р при d = const до перетину з кривою φ = 100%, що характеризує стан повітря у стані насичення. Ізотерма t_р, яка проходить через точку перетину Р, характеризує температуру точки роси t_р. Якщо температура на поверхні „сухого” охолоджувача нижча за t_р, то процес після перетину з кривою φ=100% уже не проходить по d = const, а по лінії φ=100% досягає точ-ки К, що близька до температури охолоджуючої поверхні. Процес P-К супроводжується конденсацією водяної пари з повітря. Кількість сконденсованої водяної пари визначається за залежністю

, кг/год, (108)

де d_р i d_к – відповідно вологовміст у початковій (Р) і кінцевій (К) точках процесу, г/кг; М_п – годинні витрати повітря через охолоджувач, кг/год.

Охолодження повітря при температурі охолоджуючої поверхні, рівній і більшій за t_р, проходить без випадання конденсату, тобто відбувається тільки теплообмін, без вологообміну d = const, t_р ≤ t₁.

Нагрівання повітря без вологообміну в калориферах зображається вертикальною лінією при d = const, що має напрямок, протилежний лінії охолодження (процес Р-1). Процес здійснюється при підведенні явного тепла, супроводжується збільшенням температури від t_р до t₁ і зменшенням відносної вологості від φ_р = 100% до φ₁ < 100%.

Кількість теплоти, підведеної у процесі P-К, визначається як для ізобарного процесу

, кДж/год, (109)

де і₁ і і_р− відповідно ентальпія в кінцевій і початковій точці процесу нагрівання повітря, кДж/кг, визначається згідно з і-d - діаграмою, М_П – годинні витрати повітря, кг/год.

Якщо температура охолоджуючої води буде дорівнювати температурі мокрого термометра t_м, то повітря при контакті з водою буде охолоджуватись, але ентальпія повітря збереже свою величину сталою, і= const. Це пояснюється тим, що явна теплота, яка віддається від повітря, витрачається на нагрівання і часткове випаровування води. Частина води, що перетворюється на водяну пару, переходить у повітря, зволожує його і повертає повітрю еквівалентну кількість втраченої теплоти, але вже у вигляді прихованої теплоти пароутворення,r ≈ 2500 кДж/кг вологи (див. розділ 6). Процес 1-М характеризує адіабатний процес зволоження води при температурі води t = t_м. Через точку М проходить ізотерма, що називається температурою мокрого термометра t_м.

Принцип такого адіабатного процесу широко використовується для зменшення температури припливного повітря в приміщеннях у теплий період року в пристроях кондиціювання повітря.

Таким чином, адіабатний процес зміни стану газу (повітря) проходить за умови, що тепло, необхідне для випаровування, забирається із самого повітря і надлишки такого тепла відсутні. Такий процес проходить також у технологічних процесах сушіння різних продуктів нагрітим повітрям. Якщо у процесі має місце надлишок теплоти або недостатнє вологовиділення, то промінь процесу відхиляється від і = const у напрямі ходу годинникової стрілки і при d = 0 зображається вертикальною прямою d = const. При надлишковому вологовиділенні d > 0 промінь процесу відхиляється в сторону, зворотну ходові годинникової стрілки. Напрямок процесу визначається величиною , нанесеною на поле діаграми. Коефіцієнт  називається променем тепловологісного відношення і визначається за залежністю

, (110)

де Q i W − відповідно виділення теплоти і вологи.