Влагосодержание

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим. Если сухому воздуху показать каплю воды, он мгновенно её испарит и станет влажным. Итак, влагосодержание - это отношение массы воды к массе сухого воздуха, в котором эта вода испарилась. Однако, продолжим: вторую каплю он также испарит, но немного медленнее. Третья капля испарится ещё медленнее. Наконец, на N-ной капле воздух “устанет” вбирать в себя воду. Он насытится ею, “напьется водой”. Это будет насыщенный влажный воздух. Влагосодержанием d воздуха называют количество водяных паров, выражаемое в граммах, содержащееся в 1 кг сухого воздуха.

Парциальное давление водяного пара

Влажный воздух в своём составе имеет водяной пар. Парциальным давлением водяного пара влажного воздуха называется то давление, которое обретет водяной пар в замкнутом объёме, если из этого объема убрать весь сухой воздух. Очевидно, что в воздухе водяного пара совсем мало (об этом нам говорит влагосодержание, которое измеряется величинами порядка 0.005…0.03 кг/кг), а, значит, при исчезновении сухого воздуха из некого объёма, оставшийся пар будет вполне вольготно себя чувствовать в предоставленном объеме, следовательно, иметь низкое давление. Это означает, что и парциальное давление водяного пара достаточно низко. Действительно, оно измеряется тысячами Паскалей, а ведь атмосферное давление воздуха равно примерно ста тысячам Паскалей. Снова вернемся к поглощаемым каплям.

Движущей силой процесса испарения служит именно разность парциальных давлений. У капли воды оно равно некоторой величине, а у сухого воздуха - нулю. Процесс испарения максимально активен. Далее, парциальное давление водяного пара растет, процесс замедляется и заканчивается в условиях их равенства. Водяным паром во влажном воздухе достигнуто давление насыщения. Оно же называется давлением насыщенного водяного пара.

Энтальпия

Далее, любое вещество обладает некоторой энергией. Очевидно, его энергия тем больше, чем выше температура. Для сухого воздуха это единственный параметр, определяющий энтальпию. Однако для влажного воздуха следует учесть, что при той же температуре он включает в себя и энергию испаренной влаги - энтальпия влажного воздуха зависит и от температуры и от влагосодержания. Причем при той же температуре в зависимости от влагосодержания разброс энтальпий может быть огромен - и 100 и 200 и 300% - чем выше температура, тем выше. Это невооруженным глазом видно из I-d-диаграммы: чем выше температура, тем выше рассматриваемая изотерма и тем больше наклонных изоэнтальп её пересекает. Итак, энтальпия влажного воздуха - это сумма энтальпий сухого воздуха и водяного пара, причем первая пропорциональна температуре (коэффициент пропорциональности - теплоемкость сухого воздуха), а вторая пропорциональна влагосодержанию.

Относительная влажность

Следующий вопрос: как определить, насколько имеющийся влажный воздух насыщен водяным паром? Другими словами, каково отношение текущего давления водяного пара к давлению насыщения? На этот вопрос в точности отвечает относительная влажность, разве что для удобства измеряется она в процентах, а потому упомянутое отношение умножается на 100%. Итак, относительная влажность - это отношение текущего давления водяного пара к максимально возможному для данной температуры.

Относительную влажность измеряют в долях единицы или в процентах.

Для измерения относительной влажности воздуха наиболее распространенным прибором является психрометр. Он состоит из двух термометров, укрепленных рядом на одном штативе. Шарик одного термометра, называемого мокрым, окутан гигроскопической материей, свободный конец которой опущен в резервуар с водой. Второй термометр, называемый сухим, измеряет температуру окружающей среды.

Принцип его действия состоит в следующем. При испарении воды с поверхности материи вокруг мокрого термометра создается слой насыщенного воздуха и термометр показывает температуру насыщения при парциальном давлении насыщенного пара. Влагосодержание насыщенного воздуха зависит от его парциального давления. Сухой термометр измеряет температуру перегретого пара, находящегося в отдаленных от мокрого термометра слоях влажного воздуха и имеющего меньшее влагосодержание. Благодаря разности парциальных давлений и влагосодержаний между соседними слоями насыщенного и ненасыщенного воздуха происходит диффузия влаги из насыщенного в ненасыщенный воздух. Убыль влаги компенсируется ее испарением с открытой поверхности, и воздух вокруг мокрого термометра вновь становится насыщенным. Очевидно, чем выше разность влагосодержаний в насыщенных и ненасыщенных слоях воздуха, тем соответственно выше разность в показаниях температур сухого и мокрого термометров. Если температура сухого термометра равна температуре мокрого, то воздух полностью насыщен паром и относительная влажность равна 100%.

Температуру, при которой влажный воздух имеет относительную влажность, равную 100%, называют точкой росы. В точке росы воздух полностью становится насыщенным водяным паром. Пар в таком воздухе является также насыщенным. В ненасыщенном влажном воздухе пар находится в перегретом состоянии.

Процессы изменения параметров влажного воздуха

Оборудование, так или иначе связанное в своей работе с влажным воздухом, меняет его параметры - увеличивает температуру, добавляет в него влагу или осушает и т.д. Для проектирования и расчета режимов работы этого оборудования необходимо знать основные характеристики и методы реализации процессов изменения параметров влажного воздуха.

Выделяют следующие процессы:

• Нагрев,

• Охлаждение,

• Увлажнение,

• Осушение,

• Смешение потоков,

• Контакт с поверхностью воды.

Необязательно, но может пригодиться

Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара.

Если смесь состоит из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, то его называют насыщенным влажным воздухом.

В этом случае во влажном воздухе находится максимально возможное для данной температуры количество водяного пара. При охлаждении этого воздуха, будет происходить конденсация водяного пара. Парциальное давление водяного пара в этой смеси равно давлению насыщения при данной температуре.

Если влажный воздух содержит при данной температуре водяной пар в перегретом состоянии, то он будет называться ненасыщенным.

Так как в нем находится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, то он способен к дальнейшему увлажнению.

Поэтому такой воздух используют в качестве сушильного агента в различных сушильных установках.

По закону Дальтона общее давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, входящих в его состав:Р = Р_В + Р_П , (6.9)

где: Р_В – парциальное давление сухого воздуха; Р_П - парциальное давление водяного пара.

Максимальное значение Р_П при данной температуре влажного воздуха t представляет собой давление насыщенного водяного пара - Р_Н.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяных паров, находящихся в 1 м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре воздуха – t_н .

Отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре называется относительной влажностью воздуха

j = с_п / с_н или j = с_п / с_н ·100% , (6.10)

Для сухого воздуха j = 0, для ненасыщенного j < 1, для насыщенного j = 1(100%).

Если водяной пар считать как идеальный газ, то по закону Бойля-Мариотта отношение плотностей можно заменить отношением давлений. Тогда:

j = r_П / Р_Н или r = Р_П / Р_Н ·100% . (6.11)

Плотность влажного воздуха слагается из масс, содержащихся в 1 м³ сухого воздуха и водяных паров:

r = r_в + r_п = P_B/(R_B·T) + j/n^'' . (6.12)

Молекулярная масса влажного воздуха определяют по формуле:

m = 28,95 – 10,934j P_Н/P (6.13)

Значения Р_Н и n^'' при температуре воздуха t берутся из таблицы водяного пара, j – по данным психрометра, P - по барометру.

Влагосодержание – представляет собой отношение массы пара к массе сухого воздуха:

d = М_П / М_В , (6.14)

где: М_П, М_В – соответственно массы пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

Связь между влагосодержанием с относительной влажностью:

d = 0,622 j·Р_Н·/(Р - j·Р_Н). (6.15)

Газовая постоянная:

R = 8314/м = 8314/(28,95 – 10,934·m·Р_Н/P). (6.16)

Объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

V_ВЛ.В = R·T/P. (6.17)

Удельный обьем влажного воздуха:

n = V_ВЛ.В/(1 + d). (6.17)

Удельная массовая теплоемкость паровоздушной смеси:

с_см = с_В + d·с_П . (6.18)