Тема 2.8 Вологе повітря

План

1. Атмосферне повітря. Основні поняття і визначення.

2. Абсолютна і відносна вологості повітря.

3. Характеристики вологого повітря.

4. діаграма.

5. Графічне зображення термодинамічних процесів із вологим повітрям на діаграмі та їх розрахунок.

1 Атмосферне повітря використовується в різних технологічних процесах, наприклад: для сушіння вологих матеріалів в сушильних установках, для охолодження циркуля-ційної води на теплових електростанціях при оборотній системі водопостачання, в установках кондиціювання повітря тощо.

Вологе повітря є механічною сумішшю сухого повітря і водяної пари. В цю су-міш входять наступні гази, що мають такі об’ємні відсотки (%): азот ( ) – 78, кисень ( ) – 21, інертні гази (аргон, неон, криптон тощо) і вуглекислий газ – приблизно 1, останні компоненти – водяна пара, пил, мікроорганізми, сірчаний газ та ін. Гази, що входять до склад повітря, розподілені в ньому рівномірно і кожний з них зберігає свої властивості в суміші.

Практично вологе повітря використовується при тисках, близьких до атмо-сферного, тому і водяну пару, і сухе повітря з достатньою точністю можна вважати ідеальними газами. У зв’язку з цим при всіх розрахунках з вологим повітрям можна застосовувати раніше отримані співвідношення для суміші ідеальних газів, закони ідеальних газів і рівняння стану Менделєєва – Клапейрона.

По закону Дальтона тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків

, (2.104)

де і - відповідно парціальні тиски повітря і водяної пари; - тиск суміші,

тобто вологого повітря, дорівнює барометричному тиску.

Чим більше в суміші водяної пари, тим більше його

парціальний тиск . Найвищим його значенням буде

тиск насичення .

Розглянемо різні стани водяної пари в вологому

повітрі, використовуючи - діаграму пари, яка зобра-

жена на рисунку 2.16. Так, якщо при температурі воло-

гого повітря парціальний тиск пари менше тиску на-

сичення , пара в суміші буде знаходитися в перегрі-

тому стані і зображатися точкою 2. Суміш сухого по-

вітря і перегрітої пари називається ненасиченим

Рисунок 2.16 – Стан водяної вологим повітрям.

пари в вологому повітрі

Якщо при тій же температурі вологого повітря парціальний тиск пари буде дорівнювати тиску насичення , то в суміші буде знаходитися суха насичена пара і стан її на діаграмі визначається точкою 1. Суміш сухого повітря і сухої насиченої пари називається насиченим вологим повітрям. Охолоджуючи ненасичене вологе повітря при , його можна перетворити в насичене. В той момент температура вологого повітря стане рівною температурі насичення пари при його парціальному тиску .

Ізобарний процес охолодження пари в вологому повітрі на діаграмі показаний відрізком , а стан насичення – точкою . При подальшому охолодженні насичено-го вологого повітря водяна пара, котра міститься в ньому, буде конденсуватися і виді-лятися у вигляді роси. Температура, при якій вологе повітря становиться насиченим, називається температурою точки роси і позначається . При збільшенні парціаль-ного тиску пари в вологому повітрі температура точки роси також підвищується.

2 В практичних умовах використання вологого повітря в ньому можуть міститься різні кількості водяної пари. Тому для характеристики стану вологого повітря введені поняття абсолютної і відносної вологості.

Кількість водяної пари в кг , яка міститься в 1 вологого повітря, називається абсолютною вологістю. Із визначення витікає, що абсолютна вологість повітря дорів-нює щільності пари при її парціальному тиску і при температурі вологого по-вітря . Тоді з рівняння стану отримують

, (2.105)

де , , - відповідно щільність, парціальний тиск і газова постійна пари;

- температура вологого повітря.

Найбільша щільність водяної пари досягається в насиченому вологому по-вітрі при тій же температурі

(2.106)

Через те що , то .

Відношення

(2.107)

називається відносною вологістю повітря. Отже, це і є відношення дійсної абсолют-ної вологості повітря до максимально можливої абсолютної вологості в насиченому повітрі при тій же температурі.

При постійній температурі тиски змінюються пропорційно щільностям (закон Бойля – Маріота), тому можна записати

(2.108)

Відносна вологість вимірюється за допомогою приладу, який називається псих-рометром.

При зміні стану вологого повітря кількість сухого повітря в суміші звичайно не змінюється, а кількість водяної пари або зменшується, або збільшується внаслідок ви-паровування вологи. У зв’язку з цим теплові розрахунки з вологим повітрям прийнято відносити до 1 кг сухого повітря.

3 До параметрів вологого повітря відносяться:

а) вологовміст вологого повітря – це відношення маси водяної пари , яка міс-титься в суміші, до маси сухого повітря або, що те ж, відношення щільності водя-ної пари до щільності сухого повітря , взятих при їх же парціальних тисках і при температурі вологого повітря:

(2.109)

По рівнянню стану

, ;

після підстановки значень і в рівняння (2.109) отримують

(2.110)

Останнє рівняння шляхом нескладних перетворень приводиться до вигляду

, (2.111)

який дозволяє визначити парціальний тиск водяної пари в залежності від волого- вмісту.

б) Ентальпія вологого повітря визначається як ентальпія суміші, що складається з 1 кг сухого повітря і кг водяної пари:

(2.112)

Ентальпія 1 кг водяної пари, яка, як правило, знаходиться в перегрітому стані при тисках, близьких до атмосферного, може бути визначена по емпіричній формулі

(2.113)

в) Щільність вологого повітря знаходять з рівняння стану

, (2.114)

де - параметри вологого повітря.

4 Дослідження термодинамічних процесів і визначення параметрів вологого повітря найбільш просто можна здійснити за допомогою діаграми, яка запропонована в 1918 р. проф. Л.К.Рамзіним. Діаграма побудована для барометричного тиску , але може бути використана і при невеликих відхиленнях тисків від прийнятого. Для збільшення площі робочої частини діаграми, тобто розширення області ненасиченого вологого повітря, діаграма побудована в косокутних коорди-натах із кутом між осями. По осі ординат відкладаються значення ентальпій воло-гого повітря , а по осі абсцис – вологовміст , обидві величини відносяться до 1 кг сухого повітря.

Лінії розташовуються вертикально, а шкала абсцис в деякому масштабі перенесена на допоміжну горизонтальну пряму, котра проходить через початок коор-динат. Лінії є прямими, нахиленими під кутом до горизонталі (рисунок 21). На рисунку 22 приведено схематичне зображення основних ліній діаграми. Лінія ( ), яка характеризує стан вологого насиченого повітря, ділить діаграму на дві частини: зверху розташована область ненасиченого вологого повітря, котра є робо-чою частиною діаграми, а нижче – область пересиченого вологого повітря, яка не має

практичного значення.

В області ненасиченого вологого повітря зображуються ізотерми і лінії відносної вологості . Ізотерми є прямими, які піднімаються вгору під деяким кутом до горизонталі; кут нахилу ізотерм збільшується з підвищенням температури. Система ізотерм наноситься шляхом використання рівняння (2.113) . Лінії є плавними кривими з випуклостями, що повернені вгору, які розходяться. Вони побудовані за до-

Рисунок 2.17 – Координатна система Рисунок 2.18 – Схематичне зображення

вологого повітря діаграми вологого повітря

помогою рівняння (2.108). В нижній частині діаграми наноситься лінія парціальних тисків водяної пари, котра міститься в вологому повітря, для чого використовується рівняння (2.110).

діаграма дозволяє по відомих і знайти значення і , а по значенню знайти значення . Визначення цих величин показано на діаграмі для стану повітря, що зображується точкою .

5 На діаграмі можна зображувати процеси нагрівання, охолодження, змішування потоків, сушки матеріалів повітрям, а також їх розраховувати за допомогою неї.

Процеси нагрівання повітря (в калориферах або повітропідігрівачах).

Нехай 1 кг повітря з початковими параметрами і (або ) підігрівається до температури . Спочатку на діаграмі будується точка А (рисунок 2.19) як точка пере-тину ізотерми з лінією (або ). Під час нагрівання повітря вологовміст незмінний, тобто . Точка В, яка характеризує кінцевий стан вологого повітря, може бути побудована як точка перетину і .

Для точки А за допомогою діаграми визнача

ють ентальпію , а для точки В - і .

Відрізок АВ – це графічне зображення проце-

су нагрівання повітря. Для визначення кількос-

ті теплоти, необхідної для нагріву 1 кг повітря

від до використовують формулу

, (2.115)

а для довільної маси повітря

, (2.116)

Рисунок 2.19 – Зображення на

діаграмі процесу нагрівання повітря

Процеси охолодження повітря (в охолоджувачах, кондиціонерах).

Процеси охолодження протилежні процесам нагріву, але принцип їх побудови однаковий. Нехай 1 кг повітря з параметрами і (або ) охолоджується до . Спочатку на діаграмі будується точка С (рисунок 2.20) як точка перетину ліній і (або ). При охолодженні також вологовміст незмінний, тобто . Точка Д, що характеризує параметри повітря в кінці процесі охолодження, будується як точка перетину ліній і .

Якщо в кінці процесу охолодження вологе повітря залишається ненасиченим, на діаграмі цей процес зображується відрізком СД. Кількість теплоти, яку віддає 1 кг по-

вітря при охолодженні, визначається за формулою

, (2.117)

а для кг повітря

, (2.118)

Якщо повітря охолоджується до стану насичення, цей процес зображується від-різком СЕ (точка Е лежить на лінії ). Ізотерма, яка проходить через точку Е -

це температура точки роси , тоді

, (2.119)

, (2.120)

Процеси охолодження СД і СЕ протікають без зміни волого-

вмісту, тобто при .

При подальшому охолодженні насиченого вологого по-

вітря водяна пара, яка в ньому міститься, буде конденсуватися і

виділятися у вигляді роси. Процес конденсації пари – це крива

Рисунок 2.20 – Зображення на

діаграмі процесу охолодження

повітря

лінія ЕК. Положення точки К на діаграмі визначається як точка перетину і . Кількість вологи, яка сконденсувалася з 1 кг вологого повітря при охолод-женні

, (2.121)

з кг вологого повітря

, (2.122)

а кількість теплоти, що відводиться від повітря під час охолодження з конденсацією пари

, (2.123)

, (2.124)

Процеси змішування потоків вологого повітря (в кондиціонерах).

В камеру змішування надходять два потоки вологого повітря: перший в кількос-ті (кг або кг/с) з параметрами , , другий в кількості з параметрами , . Необхідно визначити параметри повітря після змішування двох потоків, тобто , , і . Ця задача може бути розв’язана двома способами:

• графічним;

• комбінованим (графічно – математичним).

Перший спосіб.

По вихідних даних будують точки 1 і 2 як точки перетину ліній і (рисунок 2.21). Ці точки з’єднують. Відрізок 1-2 - це графічне зображення процесу змішування двох потоків. Положення точки 3 (яка характеризує параметри повітря після змішування потоків) знаходять наступним чином. Відрізок 1-2 ділять на рівних частин (відрізків). Від точки 1 відкладають кількість відрізків, що пропорційна , а від точки 2 – кількість відрізків, пропорційну . Для точки 3 по діаграмі визначають , , і .

Другий спосіб.

Після побудови на діаграмі відрізку 1-2 для точок 1 і 2 визначають , та , . Потім записують рівняння балансу теплоти

, (2.125)

і рівняння балансу вологи

, (2.126)

де - коефіцієнт рециркуляції (або змішування).

Після визначення по формулах і на відрізку 1 - 2 по цих значеннях буду-ють точку 3. Для неї за допомогою діаграми визначають і .

Рисунок 2.21 – Зображення на діаграмі

процесу змішування двох потоків повітря