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.
I-d диаграмма влажного воздуха была составлена профессором Леонидом Константиновичем Рамзиным в 1918 г. Она графически связывает 5 параметров влажного воздуха:
· удельное теплосодержание (энтальпию) I в ,
· температуру t ,
· относительную влажность φ ,
· парциальное давление водяных паров p п .
Зная любые два из этих параметров, можно определить все остальные.
Диаграмма составляется для определённого барометрического давления.
На оси ординат (по вертикали) откладываются значения теплосодержания (энтальпии) I с сухого воздуха, на оси абсцисс (по горизонтали) – влагосодержание d . Линии постоянного теплосодержания (энтальпии) I=const (адиабаты) проходят под углом 135º к оси ординат. Линии постоянного влагосодержания d =const проходят параллельно оси ординат.
Также наносятся кривые линии постоянных относительных влажностей φ =const и под углом к оси ординат линии изотерм t=const.
Линии φ =0 и d =0 совпадают, поскольку одинаково характеризуют полное отсутствие влаги в воздухе.
Через точку пересечения линий с параметрами d =0 и t =0 проходит линия I=0. Значения теплосодержания (энтальпии) выше этой линии – положительные, ниже – отрицательные.
Линия φ=100% делит диаграмму на две части. Выше линии – область влажного ненасыщенного воздуха. Сама линия φ =100% соответствует насыщенному воздуху – «кривая насыщения ». Ниже линии – область перенасыщенного воздуха, «зона тумана », где вода находится в воздухе во взвешенном состоянии в жидкой или твёрдой фазе.
I-d диаграммы и схемы определения параметров влажного воздуха для точки А.
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА
И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА I-d ДИАГРАММЕ
При рассмотрении процессов изменения состояния влажного воздуха принимается следующее допущение : свойства воздуха изменяются во всём его объёме одновременно .
На самом деле это не так, поскольку слои, наиболее близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Исходя из этого, следует, что в качестве действующих принимаются средние значения параметров воздуха для всего объёма.
Обработка влажного воздуха – т. е. изменение его параметров, производится специальными устройствами. Ниже приводится описание только назначения и принципа действия таких устройств, без рассмотрения их конструкции, разновидностей и монтажа.
К элементарным устройствам, являющимся инструментами воздействия на параметры воздуха, относятся:
· калорифер
· оросительная (форсуночная) камера (водяной увлажнитель)
· паровой увлажнитель (парогенератор)
КАЛОРИФЕР
Калорифер – этотеплообменноеустройство, изменяющее температуру воздуха без влияния на влагосодержание.
Сухой нагрев
Процесс наблюдается только в теплообменнике (калорифере).
Нагрев воздуха происходит при неизменном влагосодержании (d = const), т. к. влага никуда не уходит, и ниоткуда не добавляется, поскольку обрабатываемый воздух контактирует только с сухой поверхностью теплообменника (калорифера). Изменяется только количество явной теплоты.
При этом процессе не меняется влагосодержеание, увеличиваются температура и энтальпия, и падает относительная влажность (t 2 >t 1 ,I 2 >I 1 ,φ 2 <φ 1 , d 2 =d 1 =const).
Теплозатраты на нагрев воздуха в калорифере:
Q К = ∆I∙G , кДж/ч = , Вт, где
∆I – разность теплосодержаний кДж/кг воздуха после и до калорифера соответственно;
G – расход воздуха, проходящего через калорифер, кг/ч
Сухое охлаждение
Охлаждение воздуха происходит при неизменном влагосодержании (d=const), т. к. влага никуда не уходит, и ниоткуда не добавляется, поскольку воздух контактирует только с сухой поверхностью теплообменника (калорифера). Изменяется только количество явной теплоты.
При этом не меняется влагосодержание, снижается температура и теплосодержание (энтальпия), и возрастает относительная влажность (t 2 <t 1 ,I 2 <I 1 ,φ 2 >φ 1 , d 2 =d 1 =const).
Затраты холода в калорифере определяются в порядке, аналогичном расчётам теплозатрат. При этом отрицательное значение теплозатрат будет означать затраты не тепла, а холода.
Точка росы
Если в ходе сухого охлаждения процесс по линии d = const достигает линии относительной влажности φ = 100%, то при дальнейшем снижении температуры из воздуха начинает выделяется влага, т. к. происходит конденсация паров воды.
Точка росы – состояние насыщенного воздуха (φ =100%) при данном влагосодержании d . Она находится в точке пересечения линий d =const и φ =100%. Изотерма, проходящая через эту точку, соответствует температуре точки росы t ТР .
Суть процесса состоит в том, что при охлаждении воздуха, содержащего водяные пары в неизменном количестве, наступает такая температура, при которой пар не может удерживаться воздухом и переходит в жидкое состояние.
Охлаждение с осушкой
Если температура поверхности теплообменника (калорифера) t пов ниже температуры точки росы, то при дальнейшем понижении температуры воздуха процесс после достижения точки росы далее проходит уже вдоль линии φ =100%. При этом пар конденсируется и, соответственно – уменьшается влагосодержание воздуха. Также, в ходе процесса уменьшается и энтальпия, а относительная влажность достигает предельно возможной величины 100% (t 2 <t 1 ,I 2 <I 1 ,φ 1 <φ 2 ≈100%, d 2 <d 1 ).
Количество влаги, удалённой из каждого килограмма воздуха, определяется как разница значений влагосодержания в точке росы и в конечной точке процесса Δd =d 2 – d ТР, d ТР = d 1 . Расход воды, сконденсирующейся в калорифере, определяется по формуле: W = G .
Следует отметить, что на практике процесс может идти не строго по линии φ =100%, а вдоль неё, при значениях φ порядка 95%. При этом конечная температура воздуха будет несколько выше температуры поверхности теплообменника (калорифера).
Определение относительной влажности по психрометру
Относительная влажность наиболее точно определяется с помощью психрометра, состоящего из двух термометров, чувствительный элемент одного из которых обернут тканью, постоянно смачиваемой водой. Испарение воды с поверхности ткани происходит за счет внутренней энергии воды и чувствительного элемента «мокрого» термометра, температура которого поэтому понижается. В результате тепло- и массообмена окружающего воздуха с влажной тканью устанавливается тепловое равновесие, которому соответствует температура, показываемая «мокрым» термометром t м . Она будет меньше температуры «сухого» термометра t , показывающего действительную температуру влажного воздуха.
Интенсивность испарения, а следовательно, и снижение температуры «мокрого» термометра t м по сравнению с температурой воздуха, показываемой «сухим» термометром, т.е. t - t м , тем больше, чем дальше состояние водяных паров во влажном воздухе от состояния насыщения.
По психрометрическим таблицам (Приложение), зная t м и психрометрическую разность температур t - t м , на пересечении строки t м и столбца t - t м можно определить относительную влажность воздуха .
Параметры влажного воздуха обычно определяют графическим путем с помощью Hd- диаграммы (рис. 2). Особенностью этой диаграммы является расположение оси абсцисс под углом 135° к оси ординат. Точки с оси абсцисс спроецированы на горизонтальную (условную) ось.
Кривая является пограничной, соответствующей состояниям насыщенного влажного воздуха. Область над этой кривой соответствует состояниям ненасыщенного влажного воз-
 |
|||||
 |
духа, область под кривой является областью насыщенного влажного воздуха, появления росы, «тумана».
По Hd- диаграмме можно определить температуру точки росы, если т. 1 вертикально (охлаждение) спроецировать на кривую . Изотерма, которая пройдет через эту точку пересечения, соответствует температуре t росы .
Для определения парциального давления водяного пара р п по заданному влагосодержанию под кривой построена линия . Значения р п указаны на правой ординате диаграммы в мм рт.ст.
Процесс нагревания влажного воздуха. Пусть влажный воздух в состоянии т. 1 с начальной температурой t 1 и относительной влажностью нагревается в калорифере (электронагревателе) до t 2 . На Hd -диаграмме этот процесс изображается прямой 1-2 (см. рис. 2), через точки 1 и 2 которой проходят изотермы соответственно t 1 и t 2 . Процесс нагревания влажного воздуха осуществляется при , т.к. в процессе нагревания содержание влаги во влажном воздухе не меняется.
По изменению энтальпии нагреваемого воздуха Н 2 - Н 1 можно по уравнению Первого закона термодинамики определить количество подведенной теплоты (при ):
, кДж/час. (10)
Процесс сушки. Если пренебречь тепловыми потерями, то можно считать, что процесс сушки материалов нагретым воздухом в сушильной камер происходит при . На Hd- диаграмме такой процесс изображается прямой 2-3΄ (см. рис. 2). Постоянство энтальпии влажного воздуха объясняется тем, что тепло, необходимое для испарения влаги, берется из потока воздуха и возвращается в него вместе с испарившейся влагой.
В сушилке, работающей с потерями тепла в окружающую среду, процесс сушки будет происходить не по кривой 2-3΄ (при ), а по кривой 2-3. Положение точки 3 определяется по измеренным в опыте t 3 и . По изменению влагосодержания воздуха до и после сушильной камеры d 1 и d 3 можно рассчитать массу влаги, отведенной от высушиваемого материала нагретым воздухом:
, г влаги/час. (11)
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.
Определять параметры влажного воздуха, а также решать ряд практических вопросов, связанных с сушкой различных материалов, весьма удобно графическим путем с помощью i-d диаграммы, впервые предложенным советским ученым Л. К. Рамзиным в 1918 году.
Строится для барометрического давления 98 кПа. Практически диаграммой можно пользоваться во всех случаях расчета сушилок, так как при обычных колебаниях атмосферного давления значения i и d изменяются мало.
Диаграмма в координатах i-d представляет собой графическую интерпретацию уравнения энтальпии влажного воздуха. Она отражает связь основных параметров влажного воздуха. Каждая точка на диаграмме выделяет некоторое состояние с вполне определёнными параметрами. Для нахождения любой из характеристик влажного воздуха достаточно знать только два параметра его состояния.
I-d диаграмма влажного воздуха построена в косоугольной системе координат. На оси ординат вверх и вниз от нулевой точки (i = 0, d = 0) откладывают значения энтальпии и проводят линии i = const параллельно оси абсцисс, то есть под углом 135 0 к вертикали. При этом изотерма 0 о С в ненасыщенной области располагается почти горизонтально. Что же касается масштаба для отсчета влагосодержания d, то для удобства его сносят на горизонтальную прямую, проходящую через начало координат.
На i-d диаграмму наносят также кривую парциального давления водяного пара. С этой целью используют уравнение:
Р п = В*d/(0,622 + d),
Hешая которое для переменных значений d получаем, что, например при d=0 Р п =0, при d=d 1 Р п =Р п1 , при d=d 2 Р п =Р п2 и т.д. Задаваясь определенным масштабом для парциальных давлений, в нижней части диаграммы в прямоугольной системе осей координат по указанным точкам строят кривую Р п =f(d). После этого на i-d диаграмму наносят кривые линии постоянной относительной влажности (φ = const). Нижняя кривая φ = 100% характеризует состояние воздуха, насыщенного водяным паром (кривая насыщения ).
Также на i-d диаграмме влажного воздуха строятся прямые линии изотерм (t = const), характеризующие процессы испарения влаги с учетом дополнительного количества теплоты, вносимой водой, имеющей температуру 0 о С.
В процессе испарения влаги энтальпия воздуха остается постоянной, так как теплота, отбираемая от воздуха для подсушивания материалов, возвращается обратно к нему вместе с испаренной влагой, то есть в уравнении:
i = i в + d*i п
Уменьшение первого слагаемого будет компенсироваться увеличением второго слагаемого. На i-d диаграмме этот процесс проходит по линии (i = const) и носит условное название процесса адиабатного испарения . Пределом охлаждения воздуха является адиабатная температура мокрого термометра, которую находят на диаграмме как температуру точки на пересечении линий (i = const) с кривой насыщения (φ = 100%).
Или другими словами, если из точки А (с координатами i = 72 кДж/кг, d = 12,5 г/ кг сух. возд., t = 40 °C, V = 0,905 м 3 /кг сух. воз. φ = 27%), выделяющей некоторое состояние влажного воздуха, провести вниз вертикальный луч d = const, то он будет представлять собой процесс охлаждения воздуха без изменения его влагосодержания; значение же относительной влажности φ при этом постепенно нарастает. При продолжении этого луча до пересечения с кривой φ = 100% (точка "В" с координатами i = 49 кДж/кг, d = 12,5 г/ кг сух. возд., t = 17,5 °C, V = 0,84 м 3 /кг сух. воз. j = 100%), мы получаем наименьшую температуру t p (она называется температурой точки росы ), при которой воздух с данным влагосодержанием d ещё способен сохранять пары в неконденсированном виде; дальнейшее понижение температуры приводит к выпадению влаги либо во взвешенное состояние (туман), либо в виде росы на поверхностях ограждений (стенах вагона, продуктах), или инея и снега (трубах испарителя холодильной машины).
Если воздух в состоянии А увлажнять без подвода или отвода тепла (например, с открытой водной поверхности), то процесс характеризующийся линией АС, будет происходить без изменения энтальпии (i = const). Температура t м на пересечении этой линии с кривой насыщения (точка "С" с координатами i = 72 кДж/кг, d = 19 г/ кг сух. возд., t = 24 °C, V = 0,87 м 3 /кг сух. воз. φ = 100%) и есть температура мокрого термометра .
С помощью i-d удобно анализировать процессы, происходящие при смешивании потоков влажного воздуха.
Также i-d диаграмма влажного воздуха широко применятся для расчетов параметров кондиционирования воздуха, под которым понимают совокупность средств и способов воздействия на температуру и влажность воздуха.