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).
I-d диаграмма влажного воздуха - диаграмма, широко используемая в расчетах систем вентиляции, кондиционирования , осушки и других процессов, связанных с изменением состояния влажного воздуха. Впервые была составлена в 1918 году советским инженером-теплотехником Леонидом Константиновичем Рамзиным.
Различные I-d диаграммы
I-d диаграмма влажного воздуха (Диаграмма Рамзина):
 Увеличить |
 Увеличить |
 Увеличить |
 Увеличить |
Описание диаграммы
I—d-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров. 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 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 pп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара pп.
Влажный воздух широко используется в различных областях промышленности, в том числе и на железнодорожном транспорте в системах нагрева, охлаждения, осушения или увлажнения воздуха. В последнее время перспективным направлением развития техники кондиционирования воздуха считается внедрение так называемого косвенно-испарительного метода охлаждения. Это объясняется тем, что такие устройства не содержат искусственно синтезированных хладагентов, кроме этого они бесшумны и долговечны, поскольку в них отсутствуют движущие и быстро изнашиваемые элементы. Для проектирования таких устройств необходимо располагать информацией о закономерностях теплотехнических процессов протекающих во влажном воздухе при изменении его параметров.
Теплотехнические расчеты, связанные с использованием влажного воздуха выполняются с помощью i-d диаграммы (см. рисунок 4), предложенной в 1918 году профессором А.К. Рамзиным.
Эта диаграмма выражает графическую зависимость основных параметров воздуха-температуры, относительной влажности, парциального давления, абсолютной влажности и теплосодержания при заданном барометрическом давлении. Для ее построения на вспомогательной оси 0-d в масштабе, с интервалом, соответствующим 1 грамму откладывают влагосодержание d и через полученные точки проводят вертикальные линии. По оси ординат в масштабе откладывают энтальпию i с интервалом в 1 кДж/кг сухого воздуха. При этом вверх от точки 0, соответствующей температуре влажного воздуха t=0 0 С (273К) и влагосодержанию d=0, откладывают положительные, а вниз – отрицательные значения энтальпии.
Через полученные точки на оси ординат проводят линии постоянных энтальпий под углом 135 0 к оси абсцисс. На полученную таким образом сетку наносят линии изотерм и линии постоянных относительных влажностей. Для построения изотерм воспользуемся уравнением для теплосодержания влажного воздуха:
Его можно записать в следующем виде:
, (1.27)
где t и С св – соответственно температура (0 С) и теплоемкость сухого воздуха (кДж/кг 0 С);
r – скрытая теплота парообразования воды (в расчетах принимается
r = 2,5кДж/г).
Если принять, что t=const, то уравнение (1.27) будет прямой линией, а это означает, что изотермы в координатах i–d представляют собой прямые линии и для их построения необходимо определить только две точки, характеризующие два крайних положения влажного воздуха.
Рисунок 4. i – d диаграмма влажного воздуха
Для построения изотермы соответствующей значению температуры t=0°С (273K) вначале с помощью выражения (1.27) определим положение координаты теплосодержания (i 0) для абсолютно сухого воздуха (d=0). После подстановки соответствующих значений параметров t=0 0 C (273K) и d=0 г/кг выражение (1.27) видно, что точка (i 0) лежит в начале координат.
. (1.28)
Для полностью насыщенного воздуха при температуре t=0°С (273K) и =100% из справочной литературы, например находим соответствующее значение влагосодержания d 2 =3,77 г/кг сух. возд. и из выражения (1.27) находим соответствующее значение энтальпии: (i 2 = 2,5 кДж/г). В системе координат i-d наносим точки 0 и 1 и через них проводим прямую линию, которая и будет изотермой влажного воздуха при температуре t=0 0 С (273K) .
Аналогичным путем можно построить любую другую изотерму, например, для температуры плюс 10 0 С(283). При этой температуре и =100% по справочным данным находим парциальное давление полностью насыщенного воздуха равное Р п =9,21 мм. рт. ст. (1,23кПа), далее и из выражения (1.28) находим значение влагосодержание (d=7,63 г/кг), а из выражения (1.27) определим значение теплосодержание влажного воздуха (i=29,35 кДж/г).
Для абсолютно сухого воздуха ( =0%), при температуре T=10 о С (283К) после подстановки значений в выражение (1.27) получим:
i= 1,005*10= 10,05 кДж/г.
На диаграмме i-d находим координаты соответствующих точек, и проведя через них прямую получим линию изотермы для температуры плюс 10 0 С (283К). Аналогичным образом строится семейство других изотерм, а соединив все изотермы для =100% (на линии насыщения) получим линию постоянной относительной влажности =100%.
В результате выполненных построений получена диаграмма i-d, которая приведена на рисунке 4. Здесь на оси ординат нанесены значения температур влажного воздуха, на оси абсцисс - значения влагосодержания. Наклонные линии показывают величины теплосодержания (кДж/кг). Кривые, расходящиеся пучком из центра координат, выражают величины относительной влажности φ.
Кривая φ=100% называется кривой насыщения; выше ее водяные пары в воздухе находятся в перегретом состоянии, а ниже - в состоянии перенасыщения. Наклонная линия, идущая от центра координат, характеризует парциальное давление водяного пара. Величины парциального давления нанесены справа на оси ординат.
Пользуясь диаграммой i - d, можно при заданной температуре и относительной влажности воздуха определить остальные его параметры - теплосодержание, влагосодержание и парциальное давление. Например, для заданных температуры плюс 25°С (273K) и относительной влажности и φ=40% на диаграмме i - d находим точку А. Перемещаясь от нее по вертикали вниз, на пересечении с наклонной линией находим парциальное давление Р п =9 мм рт. ст. (1,23кПа) и далее на оси абсцисс - влагосодержание d А =8 г/кг сухого воздуха. На диаграмме также видно, что точка А лежит на наклонной линии, выражающей теплосодержание i А = 11 кДж/кг сухого воздуха.
Процессы, протекающие при подогреве или охлаждении воздуха без изменения влагосодержания, изображаются на диаграмме вертикальными, прямыми линиями. На диаграмме видно, что при d=const в процессе нагревания воздуха относительная влажность его уменьшается, а при охлаждении - увеличивается.
С помощью диаграммы i – d можно определять параметры смешиваемых частей влажного воздуха для этого строят так называемый угловой коэффициент луча процесса. Построение луча процесса (см. рисунок 5) начинается от точки с известными параметрами, в данном случае это точка 1.
Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определить при помощи i-х - диаграммы, разработанной Л.K. Рамзиным (1918 г.). Диаграмма i-х (рис. 1, 2) построена для постоянного давления р = 745 мм рт. ст. (около 99 кН/м 2), которое, по многолетним статистическим данным, принято как среднегодовое для центральных районов бывшего СССР.
На оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии i, а на наклонной оси абсцисс - влагосодержание х. Угол между осями координат - 135°, но для удобства пользования значения влагосодержания х спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат.
На диаграмме имеются линии:
- · постоянного влагосодержания (х = const) - вертикальные прямые, параллельные оси ординат;
- · постоянной энтальпии (i = const) - прямые, параллельные оси абсцисс, т.е. направленные под углом 135° к оси ординат;
- · постоянных температур, или изотермы (t = const);
- · постоянной относительной влажности (ц = const);
- · парциальных давлений водяного пара (р) во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.
Рис. 1. Диаграмма влажного воздуха i - х (а)
Линии постоянных температур, или изотермы, задаются при данной температуре t = const двумя произвольными значениями х 1 и х 2 . Затем вычисляют значение i, соответствующее каждому значению х. Полученные точки (х 1 , i 1) и (х 2 , i 2) наносят на диаграмму и проводят через них прямую, которая является изотермой t = const.
Линии постоянной относительной влажности выражают зависимость между х и р при ц = const. Принимая при данном ц = const несколько произвольных температур t 1 , t 2 , t 3 для каждой из них находят по таблицам водяного пара соответствующие значения р и вычисляют отвечающее ему значение х. Точки с известными координатами (t 1 , х 1), (t 2 , х 2), (t 3 , х 3) и т.д. соединяют кривой, которая является линией ц = const.
Рис. 2.
При температурах t > 99,4 °С величина ц не зависит от температуры (так как при этом р = 745 мм рт. ст., для которого построена диаграмма) и практически является величиной постоянной. Поэтому линии ц = const при 99,4 °С имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх.
Линия ц = 100 % соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Выше этой линии расположена рабочая площадь диаграммы, отвечающая ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента.
Линии парциального давления, проведенные в нижней части диаграммы, позволяют определить парциальное давление, если известно положение точки на диаграмме, соответствующей состоянию воздуха.
По диаграмме i-x по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.
Используя систему уравнений, включающую зависимости 4.9, 4.11, 4.17, а также функциональную связь Р н = f (t ), Л.К. Рамзин построил J -d диаграмму влажного воздуха, которая широко применяется в расчетах систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Эта диаграмма представляет собой графическую зависимость между основными параметрами воздуха t , , J , d и Р п при определенном барометрическом давлении воздуха Р б.
Построение J -d диаграммы подробно описано в работах .
Состояние влажного воздуха характеризуется точкой, нанесенной на поле J -d диаграммы, ограниченном линией d = 0 и кривой = 100%.
Положение точки задается любыми двумя параметрами из пяти, указанных выше, а также температурами точки росы t р и мокрого термометра t м . Исключение составляют сочетания d - Р п и d - t р, т.к. каждому значению d соответствует только одно табличное значение Р п и t р, и сочетание J - t м.
Схема определения параметров воздуха для заданной точки 1 приведена на рис. 1.
Пользуясь J -d диаграммой в прил. 4 и схемой на рис. 1, решим конкретные примеры для всех 17 возможных сочетаний заданных начальных параметров воздуха, конкретные значения которых указаны в табл. 7.
Схемы решений и полученные результаты показаны на рис. 2.1 ... 2.17. Известные параметры воздуха выделены на рисунках утолщенными линиями.
5.2. Угловой коэффициент луча процесса на j-d диаграмме
Возможность быстрого графического определения параметров влажного воздуха является важным, но не основным фактором при использовании J -d диаграммы.
В результате нагревания, охлаждения, осушения или увлажнения влажного воздуха изменяется его тепло-влажностное состояние. Процессы изменения изображаются на J -d диаграмме прямыми линиями, которые соединяют точки, характеризующие начальные и конечные состояния воздуха.
Рис. 1. Схема определения параметров влажного воздуха на J -d диаграмме
Таблица 7
|
Номер рисунка |
Известные параметры воздуха |
||||||
|
t 1 , °C |
кДж/кг с.в. |
Р п1 , кПа |
t р1 , °C |
t м1 , °C |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Эти линии называются лучами процессов изменения состояния воздуха. Направление луча процесса на J -d диаграмме определяется угловым коэффициентом . Если параметры начального состояния воздуха J 1 и d 1 , а конечного – J 2 и d 2 , то угловой коэффициент выражается отношением J /d , т.е.:
.
(5.1)
Величина углового коэффициента измеряется в кДж/кг влаги.
Если в уравнении (29) числитель и знаменатель умножить на массовый расход обрабатываемого воздуха G , кг/ч, то получим:
,
(5.2)
где Q п - полное количество тепла, переданное при изменении состояния воздуха, кДж/ч;
W - количество влаги, переданное в процессе изменения состояния воздуха, кг/ч.
В зависимости от соотношения J и d угловой коэффициент может изменять свой знак и величину от 0 до .
На рис. 3 показаны лучи характерных изменений состояния влажного воздуха и соответствующие им значения углового коэффициента.
1. Влажный воздух с начальными параметрами J 1 и d 1 нагревается при постоянном влагосодержании до параметров точки 2, т.е. d 2 = d 1 , J 2 > J 1 . Угловой коэффициент луча процесса равен:
Рис. 3. Угловой коэффициент на J -d диаграмме
Такой процесс осуществляется, например, в поверхностных воздухонагревателях, когда температура и энтальпия воздуха возрастают, относительная влажность уменьшается, но влагосодержание остается постоянным.
2. Влажный воздух одновременно нагревается и увлажняется и приобретает параметры точки 3. Угловой коэффициент луча процесса 3 > 0. Такой процесс протекает, когда приточный воздух ассимилирует тепло- и влаговыделения в помещении.
3. Влажный воздух увлажняется при постоянной температуре до параметров точки 4, 4 > 0. Практически такой процесс осуществляется при увлажнении приточного или внутреннего воздуха насыщенным водяным паром.
4. Влажный воздух увлажняется и нагревается с повышением энтальпии до параметров точки 5. Так как энтальпия и влагосодержание воздуха увеличиваются, то 5 > 0. Обычно такой процесс происходит при непосредственном контакте воздуха с отепленной водой в камерах орошения и в градирнях.
5. Изменение состояния влажного воздуха происходит при постоянной энтальпии J 6 = J 1 = const. Угловой коэффициент такого луча процесса 6 = 0, т.к. J = 0.
Процесс изоэнтальпийного увлажнения воздуха циркуляционной водой широко используется в системах кондиционирования. Он осуществляется в камерах орошения или в аппаратах с орошаемой насадкой.
При контакте ненасыщенного влажного воздуха с мелкими каплями или тонкой пленкой воды без отвода или подвода тепла извне, вода в результате испарения увлажняет и охлаждает воздух, приобретая температуру мокрого термометра.
Как следует из уравнения 4.21, в общем случае угловой коэффициент луча процесса при изоэнтальпийном увлажнении не равен нулю, т.к.
,
где с w = 4,186 - удельная теплоемкость воды, кДж/кг°С.
Действительный изоэнтальпийный процесс, при котором = 0 возможен только при t м = 0.
6. Влажный воздух увлажняется и охлаждается до точки 7. В этом случае угловой коэффициент 7 < 0, т.к. J 7 – J 1 0, a d 7 – d 1 > 0. Такой процесс протекает в форсуночных камерах орошения при контакте воздуха с охлажденной водой, имеющей температуру выше точки росы обрабатываемого воздуха.
7. Влажный воздух охлаждается при постоянном влагосодержании до параметров точки 8. Так как d = d 8 – d 1 = 0, a J 8 – J 1 < 0, то 8 = -. Процесс охлаждения воздуха при d = const происходит в поверхностных воздухоохладителях при температуре поверхности теплообмена выше температуры точки росы воздуха, когда нет конденсации влаги.
8. Влажный воздух охлаждается и осушается до параметров точки 9. Выражение углового коэффициента в этом случае имеет вид:
Охлаждение с осушкой происходит в камерах орошения или в поверхностных воздухоохладителях при контакте влажного воздуха с жидкой или твердой поверхностью, имеющей температуру ниже точки росы.
Отметим, что процесс охлаждения с осушкой при непосредственном контакте воздуха и охлажденной воды ограничен касательной, проведенной из точки 1 к кривой насыщения = 100%.
9. Глубокая осушка и охлаждение воздуха до параметров точки 10 происходит при прямом контакте воздуха с охлажденным абсорбентом, например, раствором хлористого лития в камерах орошения или в аппаратах с орошаемой насадкой. Угловой коэффициент 10 > 0.
10. Влажный воздух осушается, т.е. отдает влагу, при постоянной энтальпии до параметров точки 11. Выражение углового коэффициента имеет вид
.
Такой процесс можно осуществить с помощью растворов абсорбентов или твердых адсорбентов. Заметим, что реальный процесс будет иметь угловой коэффициент 11 = 4,186t 11 , где t 11 - конечная температура воздуха по сухому термометру.
Из рис. 3. видно, что все возможные изменения состояния влажного воздуха располагаются на поле J -d диаграммы в четырех секторах, границами которых являются линии d = const и J = const. В секторе I процессы происходят с увеличением энтальпии и влагосодержания, поэтому значения > 0. В секторе II происходит осушение воздуха с увеличением энтальпии и значения < 0. В секторе III процессы идут с уменьшением энтальпии и влагосодержания и > 0. В секторе IV происходят процессы увлажнения воздуха с понижением энтальпии, поэтому < 0.