Диаграмма влажного воздуха дает графическое представление о связи параметров влажного воздуха и является основной для определения параметров состояния воздуха и расчета процессов тепловлажностной обработки.
В I-d диаграмме (рис. 2) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d г/кг сухого воздуха, а по оси ординат − энтальпия I влажного воздуха. На диаграмме нанесены вертикальные прямые постоянного влагосодержания (d = const). За начало отсчета принята точка О, в которой t = 0 °С, d = 0 г/кг и, следовательно, I = 0 кДж/кг. При построении диаграммы использована косоугольная система координат для увеличения области ненасыщенного воздуха. Угол между направлением осей 135° или 150°. Для удобства пользования под углом 90º к оси энтальпий проводят условную ось влагосодержаний. Диаграмма строится для постоянного барометрического давления. Пользуются I-d диаграммами, построенными для атмосферного давления р б = 99,3 кПа (745 мм.рт.ст) и атмосферного давления р б = 101,3 кПа (760 мм.рт.ст).
На диаграмму нанесены изотермы (t с = const) и кривые относительной влажности (φ = const). Уравнение (16) показывает, что изотермы в I-d диаграмме − прямые линии. Все поле диаграммы линией φ = 100% разделено на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного воздуха. На линии φ = 100% находятся параметры насыщенного воздуха. Ниже этой линии располагаются параметры состояния насыщенного воздуха, содержащего взвешенную капельную влагу (туман).
Для удобства работы в нижней части диаграммы строится зависимость, наносят линию парциального давления водяного пара р п от влагосодержания d. Шкала давлений располагается с правой стороны диаграммы. Каждая точка на I-d диаграмме соответствует определенному состоянию влажного воздуха.
Определение параметров влажного воздуха по I-d диаграмме. Метод определения параметров показан на рис. 2. Положение точки А определяется двумя параметрами, например, температурой t А и относительной влажностью φ А. Графически определяем: температуру сухого термометра t с, влагосодержание d А, энтальпию I А. Температура точки росы t р определяется как температура точки пересечения линии d А = const с линией φ = 100 % (точка Р). Параметры воздуха в состоянии полного насыщения влагой определяются на пересечении изотермы t А с линией φ = 100 % (точка Н).
Процесс увлажнения воздуха без подвода и отвода теплоты будет проходить при постоянной энтальпии I А = const (процесс А-М). На пересечения линии I А = const с линией φ = 100 % (точка М) находим температуру мокрого термометра t м (линия постоянной энтальпии практически совпадает с изотермой
t м = const). В ненасыщенном влажном воздухе температура мокрого термометра меньше температуры сухого термометра.
Парциальное давление водяного пара p П находим, проведя из точки А линию d А = const до пересечения с линией парциального давления.
Разность температур t с – t м = Δt пс называется психрометрической, а разность температур t с – t р гигрометрической.
I-d-диаграмма влажного воздуха была разработана русским ученым, профессором Л.К. Рамзиным в 1918 г. На западе аналогом I-d-диаграммы является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма. I-d-диаграмма применяется в расчетах систем кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления и позволяет быстро определить все параметры воздухообмена в помещении.
I-d-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров. Использование диаграммы позволяет наглядно отобразить вентиляционный процесс, избегая сложных вычислений по формулам.
Основные свойства влажного воздуха
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью сухого воздуха с водяным паром. Эту смесь называют влажным воздухом. Влажный воздух оценивают по следующим основным параметрам:
- Температура воздуха по сухому термометру tc, °C - характеризует степень его нагрева;
- Температура воздуха по мокрому термометру tм, °C - температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении начальной энтальпии воздуха;
- Температура точки росы воздуха tp, °C - температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания;
- Влагосодержание воздуха d, г/кг – это количество водяного пара в г (или кг), приходящееся на 1 кг сухой части влажного воздуха;
- Относительная влажность воздуха j, % – характеризует степень насыщенности воздуха водяными парами. Это отношение массы водяных паров, содержащихся в воздухе, к максимально возможной их массе в воздухе при тех же условиях, то есть температуре и давлении, и выраженное в процентах;
- Насыщенное состояние влажного воздуха – состояние, при котором воздух насыщен водяными парами до предела, для него j = 100 %;
- Абсолютная влажность воздуха е, кг/м 3 — это количество водяных паров в г, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха. Численно абсолютная влажность воздуха равна плотности влажного воздуха;
- Удельная энтальпия влажного воздуха I, кдж/кг – количество теплоты, необходимое для нагревания от 0 °С до данной температуры такого количества влажного воздуха, сухая часть которого имеет массу 1 кг. Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров;
- Удельная теплоемкость влажного воздуха с, кДж/(кг.К) – теплота, которую надо затратить на один килограмм влажного воздуха, чтобы повысить температуру его на один градус Кельвина;
- Парциальное давление водяных паров Рп, Па – давление, под которым находятся водяные пары в влажном воздухе;
- Полное барометрическое давление Рб, Па – равно сумме парциальных давлений водяного пара и сухого воздуха (согласно закону Дальтона).
Описание I-d-диаграммы
По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сухой части воздуха. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой: чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы. Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const. В нижней части I-d-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание d, г/кг, с упругостью водяного пара Рп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара Рп. Все поле диаграммы разделено линией j = 100 % на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха. Линия j = 100 % соответствует состоянию воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже расположена область пересыщенного состояния воздуха (область тумана). Каждая точка на I-d-диаграмме соответствует определенному тепловлажностному состоянию Линия на I-d-диаграмме соответствует процессу тепловлажностной обработки воздуха. Общий вид I-d-диаграммы влажного воздуха представлен ниже во вложенном файле PDF пригоден для печати в форматах А3 и А4.
Построение процессов обработки воздуха в системах кондиционирования и вентиляции на I-d-диаграмме.
Процессы нагрева, охлаждения и смешивания воздуха
На I-d-диаграмме влажного воздуха процессы нагрева и охлаждения воздуха изображаются лучами по линии d-const (рис. 2).
Рис. 2. Процессы сухого нагрева и охлаждения воздуха на I-d-диаграмме:
- В_1, В_2,– сухой нагрев;
- В_1, В_3 – сухое охлаждение;
- В_1, В_4, В_5 – охлаждение с осушением воздуха.
Процессы сухого нагрева и сухого охлаждения воздуха на практике осуществляют, применяя теплообменники (воздухонагреватели, калориферы, воздухоохладители).
Если влажный воздух в теплообменнике охлаждается ниже точки росы, то процесс охлаждения сопровождается выпадением конденсата из воздуха на поверхности теплообменника, и охлаждение воздуха сопровождается его осушкой.
Учитывая, что является основным объектом вентиляционного процесса, в области вентиляции приходится часто определять те или другие параметры воздуха. Чтобы избежать многочисленных вычислений, их определяют обычно по специальной диаграмме, которая носит название Id диаграммы. Она позволяет быстро определить все параметры воздуха по двум известным. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс. Пример Id диаграммы приведен на следующей странице. Аналогом Id диаграммы на западе является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма.
Оформление диаграммы в принципе может быть несколько различным. Типовая общая схема Id диаграммы показана ниже на рисунке 3.1. Диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной системе координат Id, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных представляют параллельные прямые, обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержаний (в принципе, углы между линиями энтальпии и влагосодержания может быть и другим). Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. В такой системе координат линии постоянных температур представляют из себя прямые линии, идущие под небольшим наклоном к горизонтали и слегка расходящиеся веером.
Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0% и 100%, между которыми нанесены линии других значений равных относительных влажностей с шагом 10%.
Шкала температур обычно располагается по левой кромке рабочего поля диаграммы. Значения энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой Ф= 100. Значения парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке рабочего поля, иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой кромке. В последнем случае на диаграмме добавочно строят вспомогательную кривую парциальных давлений.
Определение параметров влажного воздуха на Id диаграмме.
Точка на диаграмме отражает некое состояние воздуха, а линия – процесс изменения состояния. Определение параметров воздуха, имеющего некое состояние, отображаемое точкой А, показано на рисунке 3.1.hd-диаграмма влажного воздуха (рис. 14.1), предложенная в 1918 г.
Рис.14.1. hd-диаграмма влажного воздуха
Л. К. Рамзиным, широко используется для решения практических задач в тех областях, где рабочим телом служит влажный воздух. По оси ординат откладывают энтальпию h, кДж/кг влажного воздухa, а по оси абсцисс влагосодержание d,г/кг с.в. Для удобства (сокращение площади диаграммы) ось абсцисс направлена под углом 135° к оси ординат. На данной диаграмме вместо наклонной оси абсцисс проведена горизонтальная линия, на которой нанесены действительные значения d.На hd-диаграмме линии h = const - это циклонные линии, а линии d = const - вертикальные прямые.
Из уравнения
следует, что в координатах hd изотермы изображаются прямыми линиями. Кроме того, на диаграмму наносят кривые φ = const.
Кривая φ = 100%делит поле на две области и является своего рода пограничной кривой: φ < 100% характеризует область ненасы-щенного влажного воздуха (в воздухе содержится перегретый пар); φ > 100% - область, в которой влага находится в воздухе час-тично в капельном состоянии;
φ - 100% характеризует насыщен-ный влажный воздух.
За начало отсчета параметров влажного воздуха выбирают точку 0,для которой Т = 273,15 К, d = 0, h = 0.
Любая точка на hd-диаграмме определяет физическое состоя-ние воздуха. Для этого должны быть заданы два параметра (например, φ и t или h u d). Изменение состояния влажного воз-духа изобразится на диаграмме линией процесса. Рассмотрим ряд примеров.
1) Процесс нагревания воздуха происходит при постоянном влагосодержании, так как количество пара в воздухе в данном случае не изменяется. На hd-диаграмме этот процесс изображается лини-ей 1-2 (рис.14.2). В данном процессе повышаются температура и энтальпия воздуха, и уменьшается его относительная влажность.
Рис. 14.2 Изображение на hd- диаграмме характерных процессов изменения состояния воздуха
2) Процесс охлаждения воздуха на участке над кривой φ-100%также протекает при постоянном влагосодержании (процесс 1-5). Если продолжать процесс охлаждения до точки 5" -неположенной на кривой φ-100%,то в этом состоянии влажный воздух будет насыщенным. Температура в точке 5 есть температу-ра точки росы. Дальнейшее охлаждение воздуха (ниже точки 5) приводит к конденсации части водяного пара.
3) В процессе адиабатного осушения воздуха конденсация влага
происходит за счет теплоты влажного воздуха без внешнего тепло-обмена. Этот процесс протекает при постоянной энтальпии (процесс 1-7), причем влагосодержание воздуха уменьшается, а температура его увеличивается.
4) Процесс адиабатного увлажнения воздуха, сопровождающий-ся увеличением влагосодержания воздуха и уменьшением его темпе-ратуры, изображен на диаграмме линией 1-4.
Процессы адиабатного увлажнения и осушения воздуха широко используются для обеспечения заданных параметров микроклима-та в сельскохозяйственных производственных помещениях.
5) Процесс осушения воздуха при постоянной температуре изображается линией 1-6, а процесс увлажнения воздуха при постоян-ной температуре - линией 1-3.
Влажный воздух - это смесь сухого воздуха c водяным паром. Свойства влажного воздуха характеризуются следующими основными параметрами: температура по сухому термометру t, барометрическое давление P б, парциальное давление водяного пара P п, относительная влажность φ, влагосодержание d, удельная энтальпия i, температура точки росы t р, температура мокрого термометра t м, плотность ρ.
i-d диаграмма представляет собой графическую зависимость между основными параметрами воздуха t, φ, d, i при определённом барометрическом давлении воздуха P б и используется для визуализации результатов расчёта процессов обработки влажного воздуха.
i-d диаграмма впервые была составлена в 1918 году советским инженером-теплотехником Л. К. Рамзиным.
Диаграмма построена в косоугольной системе координат, что позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха и делает диаграмму удобной для графических построений. По оси ординат диаграммы отложены значения удельной энтальпии i, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси i, отложены значения влагосодержания d. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений удельной энтальпии i=const и влагосодержания d=const. На диаграмму нанесены также линии постоянных значений температуры t=const, которые не параллельны между собой, а чем выше температура влажного воздуха, тем больше изотермы отклоняются вверх. На поле диаграммы нанесены также линии постоянных значений относительной влажности φ=const.
Относительной влажностью называется отношение парциального давления водяного пара, содержащегося во влажном воздухе заданного состояния, к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре.
Влагосодержание - это масса водяного пара во влажном воздухе, приходящаяся на 1 кг массы сухой его части.
Удельная энтальпия - это количество теплоты, содержащееся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесённое к 1 кг сухого воздуха.
i-d диаграмма кривой φ=100% разбита на две области. Вся область диаграммы, лежащая выше этой кривой, характеризует параметры ненасыщенного влажного воздуха, а ниже - область тумана.
Туман является двухфахной системой, состоящей из насыщенного влажного воздуха и взвешенной влаги в виде мельчайших капель воды или частичек льда.
Для расчёта параметров влажного воздуха и построения i-d диаграммы используются четыре основных уравнения:
1) Давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью воды (t > 0) или льда (t ≤ 0), кПа:
где α в, β в - постоянные для воды, α в = 17,504, β в = 241,2 °С
α л, β л - постоянные для льда, α л = 22,489, β л = 272,88 °С
2) Относительная влажность φ, %:
где P б - барометрическое давление, кПа
4) Удельная энтальпия влажного воздуха i, кДж/кг с.в.:
Температура точки росы - это температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания.
Для отыскания температуры точки росы на i-d диаграмме через точку, характеризующую состояние воздуха, нужно провести линию d=const до пересечения с кривой φ=100%. Температура точки росы является предельной температурой, до которой можно охладить влажный воздух при постоянном влагосодержании без выпадения конденсата.
Температура мокрого термометра - это температура, которую принимает ненасыщенный влажный воздух с начальными параметрами i 1 и d 1 в результате адиабатного тепло- и массообмена с водой в жидком или твёрдом состоянии, имеющей постоянную температуру t в =t м после достижения им насыщенного состояния, удовлетворяющего равенству:
где c в - удельная теплоёмкость воды, кДж/(кг·°C)
Разность i н - i 1 обычно невелика, поэтому процесс адиабатного насыщения часто называют изоэнтальпийным, хотя в действительности i н = i 1 только при t м = 0.
Для отыскания температуры мокрого термометра на i-d диаграмме через точку, характеризующую состояние воздуха, нужно провести линию постоянной энтальпии i=const до пересечения с кривой φ=100%.
Плотность влажного воздуха определяется по формуле, кг/м 3:
где T - температура в градусах Кельвина
Количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха, можно рассчитать по формуле, кВт:
Количество теплоты, отводимое от воздуха при охлаждении, кВт:
где i 1 , i 2 - удельная энтальпия в начальной и конечной точках соответственно, кДж/кг с.в.
G с - расход сухого воздуха, кг/с
где d 1 , d 2 - влагосодержание в начальной и конечной точках соответственно, г/кг с.в.
При смешении двух потоков воздуха влагосодержание и удельную энтальпию смеси определяют по формулам:
На диаграмме точка смеси лежит на прямой 1-2 и делит её на отрезки, обратно пропорциональные смешиваемым количествам воздуха:
|
Возможен случай, когда точка смеси 3* окажется ниже линии φ=100%. В этом случае процесс смешения сопровождается конденсацией части содержащегося в смеси водяного пара и точка смеси 3 будет лежать на пересечении линий i 3* =const и φ=100%.
На представленном сайте на странице "Расчёты" можно рассчитать до 8 состояний влажного воздуха с построением лучей процессов на i-d диаграмме.
Чтобы определить начальное состояние, нужно указать два параметра из четырёх (t, φ, d, i) и расход сухого воздуха L с *. Расход задаётся в предположении плотности воздуха 1,2 кг/м 3 . Отсюда определяется массовый расход сухого воздуха, используемый в дальнейших вычислениях. В выходную таблицу выводятся фактические значения объёмного расхода воздуха, соответствующие реальной плотности воздуха.
Новое состояние можно вычислить, определив процесс и задав конечные параметры.
На диаграмме отображаются следующие процессы: нагрев, охлаждение, адиабатическое охлаждение, пароувлажнение, смешение и общий процесс, определяемый двумя любыми параметрами.
| Процесс | Обозначение | Описание |
| Нагрев | O | Вводится заданная конечная температура, либо заданная тепловая мощность. |
| Охлаждение | C | Вводится заданная конечная температура, либо заданная холодильная мощность. Этот расчет основан на допущении, что температура поверхности охладителя остается неизменной, и начальные параметры воздуха стремятся в точку с температурой поверхности охладителя при φ=100%. Как будто происходит смешение воздуха начального состояния с полностью насыщенным воздухом у поверхности охладителя. |
| Адиабатическое охлаждение | A | Вводится заданная конечная относительная влажность, либо влагосодержание, либо температура. |
| Пароувлажнение | P | Вводится заданная конечная относительная влажность, либо влагосодержание. |
| Общий процесс | X | Вводятся значения двух параметров из четырёх (t, φ, d, i), являющиеся конечными для заданного процесса. |
| Смешение | S | Этот процесс определяется без задания параметров. Используются два предыдущих значения расхода воздуха. Если при смешении достигается максимально допустимое влагосодержание, то происходит адиабатическая кондесация водяных паров. В результате вычисляется количество сконденсированной влаги. |
ЛИТЕРАТУРА:
1. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства: Учеб. пособие. - СПб.: СПбГАХПТ, 1998. - 146 c.
2. Справочное пособие АВОК 1-2004. Влажный воздух. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2004. - 46 с.
3. ASHRAE Handbook. Fundamentals. - Atlanta, 2001.