Атмосферный воздух практически всегда является влажным за счёт испарения в атмосферу воды с открытых водоёмов, а также вследствие горения органических топлив с образованием воды и т.п. Нагретый атмосферный воздух очень часто используется для сушки различных материалов в сушильных камерах и в других технологических процессах. Относительное содержание водяных паров в воздухе также является одной из важнейших составляющих климатического комфорта в жилых помещениях и в помещениях для длительного хранения продовольственных товаров и промышленных изделий. Эти обстоятельства определяют важность изучения свойств влажного воздуха и расчёта процессов сушки.
Здесь мы рассмотрим термодинамическую теорию влажного воздуха в основном с целью научиться рассчитывать процесс сушки влажного материала, т.е. научиться рассчитывать расход воздуха, который бы обеспечивал необходимую скорость сушки материала при заданных параметрах сушильной установки, а также с целью рассмотреть вопросы анализа и расчёта установок климатизации и кондиционирования воздуха.
Водяной пар, который присутствует в воздухе, может находиться либо в перегретом состоянии, либо в насыщенном. При определённых условиях водяной пар в воздухе может конденсироваться; тогда влага выпадает в виде тумана (облака), либо происходит запотевание поверхности – выпадение росы. Тем не менее, несмотря на фазовые переходы, находящийся во влажном воздухе водяной пар может с большой точностью рассматриваться как идеальный газ вплоть до состояния сухого насыщенного. В самом деле, например, при температуре t = 50 о С насыщенный водяной пар имеет давление p s = 12300 Па и удельный объём . Имея в виду, что газовая постоянная для водяного пара
т.е. при этих параметрах даже насыщенный водяной пар с ошибкой не более 0.6% ведёт себя как идеальный газ.
Таким образом, мы будем рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов с той лишь оговоркой, что в состояниях, близких к насыщению параметры водяного пара будут определяться по таблицам или диаграммам.
Введём некоторые понятия, характеризующие состояние влажного воздуха. Пусть в объёме пространства 1 м 3 находится влажный воздух в равновесном состоянии. Тогда количество сухого воздуха в этом объёме будет по определению плотностью сухого воздуха ρ св (кг/м 3), а количество водяного пара соответственно ρ вп (кг/м 3). Это количество водяного пара называется абсолютной влажностью влажного воздуха. Плотность влажного воздуха будет, очевидно,
При этом следует иметь в виду, что плотности сухого воздуха и водяного пара должны вычисляться при соответствующих парциальных давлениях, таким образом, что
т.е. мы считаем справедливым закон Дальтона для влажного воздуха.
Если температура важного воздуха равна t , то
Часто вместо плотности водяных паров , т.е. вместо абсолютной влажности, влажный воздух характеризуют так называемым влагосодержанием d , которое определяют как количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Для определения влагосодержания d выделим во влажном воздухе некоторый объём V 1 , такой чтобы масса сухого воздуха в нём составляла 1 кг, т.е. размерность V 1 в нашем случае есть м 3 /кг св. Тогда количество влаги в этом объёме будет d кг вп /кг св. Очевидно, что влагосодержание d связано с абсолютной влажностью ρ вп. В самом деле, масса влажного воздуха в объёме V 1 равна
Но поскольку объём V 1 мы выбрали так, чтобы в нём содержался 1 кг сухого воздуха, то очевидно . Второе же слагаемое есть по определению влагосодержание d , т.е.
Считая сухой воздух и водяной пар идеальными газами, получим
С учётом находим связь влагосодержания с парциальным давлением водяных паров в воздухе
Подставляя сюда численные значения , имеем окончательно
Поскольку водяной пар всё-таки не является идеальным газом в том смысле, что его парциальное давление и температура значительно ниже критических, влажный воздух не может содержать произвольное количество влаги в виде пара. Проиллюстрируем это на диаграмме p–v водяного пара (см. рис. 1).
Пусть начальное состояние водяных паров во влажном воздухе изображается точкой С. Если теперь при постоянной температуре t С добавлять во влажный воздух влагу в виде пара, например, путём испарения воды с открытой поверхности, то точка, изображающая состояние водяного пара, будет перемещаться вдоль изотермы t С =const влево. Плотность водяного пара во влажном воздухе, т.е. его абсолютная влажность, будет возрастать. Это увеличение абсолютной влажности будет продолжаться до тех пор, пока водяной пар при заданной температуре t С не станет сухим насыщенным (состояние S). Дальнейшее увеличение абсолютной влажности при заданной температуре невозможно, так как водяной пар начнёт конденсироваться. Таким образом, максимальное значение абсолютной влажности при заданной температуре есть плотность сухого насыщенного пара при этой температуре, т.е.
Отношение абсолютной влажности при заданной температуре и максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре называется относительной влажностью влажного воздуха, т.е. по определению имеем
Возможен также другой вариант конденсации паров во влажном воздухе, а именно изобарное охлаждение влажного воздуха. Тогда остаётся постоянным и парциальное давление водяного пара в воздухе. Точка C на диаграмме p–v будет смещаться влево вдоль изобары вплоть до точки R. Далее начнётся выпадение влаги. Такая ситуация очень часто осуществляется летом в течение ночи при охлаждении воздуха, когда на холодных поверхностях выпадает роса, а в воздухе образуется туман. По этой причине температура в точке R, при которой начинает выпадать роса, называется точкой росы и обозначается t R . Она определяется как температура насыщения, соответствующая заданному парциальному давлению пара
Энтальпия влажного воздуха в расчёте на 1 кг сухого воздуха вычисляется суммированием
при этом учитывается, что энтальпии сухого воздуха и водяного пара отсчитываются от температуры 0 о С (точнее от температуры тройной точки воды, равной 0.01 о С).
В атмосферном воздухе всегда содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такая смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Кроме водяного пара, влажный воздух может содержать мельчайшие капельки воды (в виде тумана) или кристаллы льда (снег, ледяной туман). Водяной пар во влажном воздухе может быть в насыщенном или перегретом состоянии. Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называют насыщенным влажным воздухом. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом. При невысоких (близких к атмосферному) давлениях, с достаточной для технических расчетов точностью, можно рассматривать и сухой воздух, и водяной пар как идеальные газы. При расчетах процессов с влажным воздухом обычно рассматривается 1 кг сухого воздуха. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси пара. Поэтому все удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха (а не к смеси).
Термодинамические свойства влажного воздуха характеризуются следующими параметрами состояния: температурой сухого термометра t с; влагосодержанием d, энтальпией I, относительной влажностью φ. Кроме того, в расчетах используют и другие параметры: температуру мокрого термометра t м, температуру точки росы t р, плотность воздуха ρ, абсолютную влажность е, парциальное давление водяного пара р п.
Температура − термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. В настоящее время применяют различные температурные шкалы: Цельсия (t, ºС), Кельвина (T, К), Фаренгейта (f, ºF) и др. Соотношения между показаниями по этим шкалам определяются по следующим уравнениям:
T К = t ºС +273,
t ºС = 5/9 (f ºF − 32),
f ºF = 9/5 t ºС +32.
Давление атмосферного воздуха р б (Па) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р с.в и водяного пара р п (закон Дальтона):
р б = р с.в + р п. (1)
Парциальное давление водяного пара, находящегося в атмосферном воздухе, определяют по формуле:
р п = φ·р н, (2)
где φ - относительная влажность воздуха, %;·р н – давление насыщения, определяется по таблицам насыщенного водяного пара при соответствующей температуре, Па.
Плотность атмосферного воздуха равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара:
ρ = ρ с.в + ρ п. (3)
Применяя уравнение состояния идеального газа: , получим:
(4)
где R с.в = 287 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная сухого воздуха;
R п = 463 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная водяного пара.
При атмосферном давлении р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха равна:
. (5)
При t = 0 ºС и р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха ρ с.в = 1,293 кг/м 3 .
Плотность атмосферного воздуха равна:
. (6)
Из уравнения (6) видно, что атмосферный (влажный) воздух легче сухого воздуха при тех же температурах и давлениях, а увеличение содержания водяного пара в воздухе уменьшает его плотность. Так как различие в значениях ρ с.в и ρ незначительно, то в практических расчетах принимают ρ ≈ ρ с.в.
Влажность. Различают абсолютную влажность,влагосодержание и относительную влажность.
Абсолютная влажность е − это масса водяного пара (кг), содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха. Абсолютная влажность может быть выражена в виде плотности пара в смеси при своем парциальном давлении и температуре смеси и определяется по формуле:
. (7)
Максимально возможная абсолютная влажность соответствует состоянию насыщения и называется влагоемкостью.
Используя уравнение состояния идеального газа, получим:
Относительная влажность воздуха φ равна отношению абсолютной влажности воздуха ρ п к максимально возможной абсолютной влажности ρ н (влагоемкости) при данной температуре. Она показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения. Для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений компонентов.
Относительная влажность определяется по формуле:
. (10)
При φ < 100% воздух ненасыщенный, при φ = 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным.
Степень насыщения воздуха Ψ есть отношение влагосодержаний ненасыщенного и насыщенного воздуха и определяется по формуле:
. (11)
Теплоемкость влажного воздуха обычно относится к (1 + d) кг влажного воздуха и определяется по формуле:
с в = с с.в + d·с п, (12)
где с с.в и с п − удельная теплоемкость при постоянном давлении соответственно сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг·К).
Для интервала температур от минус 50 °С до 50 °С удельные теплоемкости сухого воздуха и пара можно считать постоянными: с с.в = 1,006 кДж/(кг·К), с п = 1,86 кДж/(кг·К).
Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, и определяется по формуле:
I = i с.в + d·i п (13)
где i с.в − удельная энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; i п − удельная энтальпия водяного пара, содержащегося во влажном воздухе кДж/кг.
Энтальпии сухого воздуха и водяного пара определяются по формулам:
i с.в = с с.в ·t = 1,006·t, (14)
i п = r + с п ·t . (15)
где r − скрытая теплота парообразования при парциальном давлении водяного пара в смеси, кДж/кг.
Скрытая теплота парообразования r для значений t Н от 0 °С до 100 °С может быть выражена формулой:
r = 2500 − 2,3 t н.
При расчете энтальпии смесей всегда очень важно иметь одно и то же начало отсчета энтальпий каждого компонента. За начало отсчета примем энтальпию при t = 0 ºС и d = 0. Для атмосферного воздуха энтальпия определяет количество теплоты, которое нужно подвести к воздуху, сухая часть которого имеет массу 1 кг, чтобы изменить его состояние от начального (I = 0 кДж/кг) до данного. Энтальпия может быть положительной и отрицательной.
Подстановка полученных соотношений в формулу (13) приводит ее к виду:
Температура точки росы t р − это температура воздуха, до которой необходимо охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация водяного пара.
Температура мокрого термометра . Для измерения влажности часто применяют прибор, называемый психрометром. Он состоит из двух термометров − сухого и мокрого. Мокрый термометр отличается тем, что чувствительный элемент обернут тканью, смоченной водой. Сухой термометр показывает температуру влажного воздуха, его показания называют температурой сухого термометра t с. Мокрый термометр показывает температуру воды, содержащейся в мокрой ткани. При обдувании мокрого термометра воздухом происходит испарение воды с поверхности мокрой ткани. Поскольку на испарение влаги затрачивается теплота парообразования, температура влажной ткани будет понижаться, поэтому такой термометр всегда показывает более низкую температуру, чем сухой термометр. При наличии разности температур между воздухом и водой возникает тепловой поток от воздуха к воде. Когда теплота, получаемая водой от воздуха, становится равной теплоте, затрачиваемой на испарение, увеличение температуры воды прекращается. Эту равновесную температуру называют температурой мокрого термометра t м. Если в некоторый объем воздуха поступает вода при температуре t м, то за счет испарения части этой воды через некоторое время воздух становится насыщенным. Такой процесс насыщения называется адиабатным. При этих условиях вся теплота, подводимая от воздуха к воде, расходуется только на испарение, а затем вновь возвращается с паром обратно в воздух.
I-d диаграмма влажного воздуха
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.
Для сушки материалов в качестве теплоносителей и влагоносителей чаще всего используется нагретый в калорифере воздух или смешанные с воздухом топочные газы. Учитывая,что смесь топочных газов с атмосферным воздухом по своим теплофизическим свойствам мало отличается от нагретого влажного воздуха, будем рассматривать важнейшие характеристики влажного воздуха.
Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара. Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами:
Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг,
Относительная влажность , или степени насыщения воздуха () называется отношение массы водяного пара в 1м 3 влажного воздуха () к максимально возможной массе водяного пара в 1м 3 воздуха (плотности насыщенного пара) при тех же условиях (t, P).
При увеличении температуры (плотность насыщенного пара) возрастает быстрее, чем(плотность пара), т.о. при нагревании относительная влажность уменьшается.
Влагосодержание - это количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха.
где и-масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг.
Согласно уравнению Менделеева-Клайперона,
Подставляя эти значения в формулу для (x) влагосодержания, получим
Молекулярная масса паров воды (18)
Молекулярная масса сухого воздуха (29)
Отношение18/29=0,622
По закону Дальтона,
общее давление газовой смеси (Р) будет
равно сумме парциальных давлений
компонентов, т.е. для нашего случая
,
учитывая, что,
тогда
,
где - давление насыщения
Барометрическое давление
Теплосодержание или энтальпия влажного воздуха выражается суммой энтальпий 1кг сухого воздуха () и водяных паров () содержащихся в нем.
т.к. теплоемкость
воздуха
,
а теплоемкость водяного пара
.
Водяной пар находится в процессе сушки
в перегретом состоянии в смеси с воздухом,
тогда
Энтальпия перегретого пара при 0 0 С (=2493 кДж/кг)
Температура сухого термометра - обозначается буквой (или),это та температура, которая вокруг нас.
Температура мокрого термометра - температура адиабатического насыщения (т.е. без теплообмена с окружающей средой) или это температура испарения воды со свободной поверхности (обозначается ).
Потенциал сушки - обозначается (ж) это разность между температурой воздуха () и температурой мокрого термометра (), характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала.
Температура точки росы () -это температура насыщения воздуха при постоянном влагосодержании.
Парциальное давление влаги - это давление, которое бы создавали пары влаги, если бы эти пары занимали объем,занимаемый паро-воздушной смесью.
Основные приборы, с помощью которых измеряют параметры воздуха: (барометры, термометры, психрометры, гигрометры, самопишущие приборы- барографы, термографы).
Состояние влажного воздуха определяется совокупностью параметров: температурой воздуха t в, относительной влажностью в %, скоростью движения воздуха V в м/с, концентрацией вредных примесей С мг/м 3 , влагосодержанием d г/кг, теплосодержанием I кДж/кг.
Относительная влажность в долях или в% показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения и равна отношению давления Р п водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению Р п. н. водяного пара в насыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре и барометрическом давлении:
d= или d=623, г/кг, (1.2)
где В - барометрическое давление воздуха, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха Р С.В. и водяного пара Р П.
Парциальное давление водяных паров, находящихся в насыщенном состоянии, зависит от температуры:
КДж/кг, (1.4)
где с В - теплоемкость сухого воздуха, равная 1,005 ;
с П - теплоемкость водяного пара, равная 1,8 ;
r - удельная теплота парообразования, равная 2500 ;
I = 1,005t + (2500 + 1,8t) d * 10 -3 , кДж/кг. (1.5)
I-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов изменения состояния воздуха. Точка росы и мокрого термометра. Угловой коэффициент и связь его с поступлением тепла и влаги в помещение
I-d диаграмма влажного воздуха - это основной инструмент для построения процессов изменения его параметров. I-d диаграмма основана на нескольких уравнениях: теплосодержания влажного воздуха:
I = 1,005 * t + (2500 + 1,8 * t) * d/1000, кДж/кг (1.6)
в свою очередь давление водяных паров:
давление водяных паров, насыщающих воздух:
Па (Формула Фильнея), (1.9)
а - относительная влажность воздуха, %.
В свою очередь в формулу 1.7 входит барометрическое давление Р бар, разное для различных районов строительства, следовательно, для точного построения процессов требуется I-d диаграмма для каждого района.
I-d диаграмма (рис.1.1) имеет косоугольную систему координат для увеличения рабочей площади, приходящейся на влажный воздух и лежащей выше линии = 100%. Угол раскрытия может быть разным (135 - 150є).
I-d диаграмма связывает воедино 5 параметров влажного воздуха: тепло и влагосодержание, температуру, относительную влажность и давление водяных паров насыщения. Зная два из них, по положению точки можно определить все остальные.
Основными характерными процессами на I-d диаграмме являются:
Нагрев воздуха по d = const (без увеличения влагосодержания) рис.1.1, точки 1-2. В реальных условиях это нагрев воздуха в калорифере. Увеличивается температура и теплосодержание. Уменьшается относительная влажность воздуха.
Охлаждение воздуха по d = const. Точки 1-3 на рис.1.1 Этот процесс происходит в поверхностном воздухоохладителе. Уменьшается температура и теплосодержание. Увеличивается относительная влажность воздуха. Если продолжить охлаждение, то процесс дойдет до линии = 100% (точка 4) и, не пересекая линию, пойдет вдоль нее, выделяя влагу из воздуха (точка 5) в количестве (d 4 -d 5) г/кг. На этом явлении основана осушка воздуха. В реальных условиях процесс не доходит до = 100%, а окончательная относительная влажность зависит от начальной величины. По данным профессора Кокорина О.Я. для поверхностных воздухоохладителей:
max = 88% при начальном нач = 45%
max = 92% при начальном 45% < нач 70%
max = 98% при начальном нач > 70%.
На I-d диаграмме процесс охлаждения и осушки обозначается прямой линией, соединяющей точки 1 и 5.
Однако встреча с = 100% линии охлаждения по d = const имеет свое собственное название - это точка росы. По положению этой точки легко определяется температура точки росы.
Изотермический процесс t = const (линия 1-6 на рис 1.1). Все параметры возрастают. Увеличивается и тепло, и влагосодержание, и относительная влажность. В реальных условиях это увлажнение воздуха паром. То небольшое количество явного тепла, которое вносится паром, обычно не учитывается при построении процесса, т.к оно незначительно. Однако такое увлажнение достаточно энергоемко.
Адиабатный процесс I = const (линия 1-7 на рис.1.1). Снижается температура воздуха, увеличивается влагосодержание и относительная влажность. Процесс осуществляется при непосредственном контакте воздуха с водой, проходя либо через орошаемую насадку, либо через форсуночную камеру.
При глубине орошаемой насадки 100 мм можно получить воздух с относительной влажностью = 45% при начальной - 10%, насадка глубиной 200 мм дает = 70%, а 300 мм - = 90% (по данным блоккамер сотового увлажнения фирмы ВЕЗА). Проходя через форсуночную камеру, воздух увлажняется до величины = 90 - 95%, но со значительно большими энергозатратами на распыление воды, чем в орошаемых насадках.
Продолжив линию I = const до = 100%, мы получим точку (и температуру) мокрого термометра, это равновесная точка при контакте воздуха с водой.
Однако в аппаратах, где происходит контакт воздуха с водой, особенно по адиабатическому циклу, возможно возникновение болезнетворной флоры, и поэтому такие аппараты запрещены для использования в ряде медицинских и продовольственных отраслей.
В странах с жарким и сухим климатом аппараты на основе адиабатического увлажнения весьма распространены. Так, например, в Багдаде при дневной температуре в июне - июле 46єС и относительной влажности 10% такой кулер позволяет снизить температуру приточного воздуха до 23єС и при 10-20-кратном воздухообмене в помещении достигнуть внутренней температуры 26єС и относительной влажности 60-70%.
При сложившейся методике построения процессов на I-d диаграмме влажного воздуха наименование реперных точек получили следующую аббревиатуру:
Н - точка наружного воздуха;
В - точка внутреннего воздуха;
К - точка после нагрева воздуха в калорифере;
П - точка приточного воздуха;
У - точка воздуха, удаляемого из помещения;
О - точка охлажденного воздуха;
С - точка смеси воздуха двух различных параметров и масс;
ТР - точка росы;
ТМ - точка мокрого термометра, которая и будет сопровождать все дальнейшие построения.
При смешивании воздуха двух параметров линия смеси пойдет по прямой, соединяющей эти параметры, а точка смеси будет лежать на расстоянии, обратно пропорциональном массам смешиваемого воздуха.
КДж/кг, (1.10)
Г/кг. (1.11)
При одновременном выделении в помещение избыточного тепла и влаги, что обычно бывает при нахождении в помещении людей, воздух будет нагреваться и увлажняться по линии, называемой угловым коэффициентом (или лучом процесса, либо тепловлажностным отношением) е:
КДж/кгН 2 О, (1.12)
где?Q n - суммарное количество полного тепла, кДж/ч;
W - суммарное количество влаги, кг/ч.
При?Q n = 0 е = 0.
При?W = 0 е > ? (рис.1.2)
Таким образом, I-d диаграмма по отношению к внутреннему воздуху (или к другой точке) разбивается на четыре квадранта:
Iе от? до 0 - это нагрев и увлажнение;
IIе от 0 до - ? - охлаждение и увлажнение;
IIIе от - ? до 0 - охлаждение и осушка;
IVе от 0 до? - нагрев и осушка - в вентиляции и кондиционировании не используется.
Для точного построения луча процесса на I-d диаграмме, следует взять значение е в кДж/гН 2 О, и отложить на оси влагосодержание d = 1, или 10 г, а на оси теплосодержание в кДж/кг соответствующее е и полученную точку соединить с точкой 0 I-d диаграммы.
Процессы, не являющиеся основными, называются политропическими.
Изотермический процесс t = const характеризуется значением е = 2530 кДж/кг.
Рис.1.1
Рис.1.2 I-d диаграмма влажного воздуха. Основные процессы
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары, в отличие от других составляющих смеси, могут находиться в воздухе, как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Содержание водяных паров в воздухе изменяется, как в процессе влажностной обработки его в приточных вентиляционных системах и кондиционерах, так и при ассимиляции воздухом выделений влаги в помещении. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит (по объёму): около 75% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов- аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и других. Указанные компоненты газовой смеси воздуха составляют его сухую часть, прочая часть воздушной массы это водяные пары.
Воздух рассматривается как смесь идеальных газов , что позволяет использовать законы термодинамики для получения расчётных формул.
Согласно закону Дальтона, каждый газ смеси, составляющий воздух, занимает свой объём, имеет своё парциальное давление
P i ,
и имеет одинаковую температуру с другими газами этой смеси.
Внимание! Важное определение:
Сумма парциальных давлений каждого из составляющих смеси равна полному барометрическому давлению воздуха.
B = Σ Р i , Па.
Рассмотрим понятие, что такое парциальное давление ?
Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав этой смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объёме и при той же температуре, что и в смеси.
В расчётах вентиляции влажный воздух мы рассматриваем как бинарную смесь, т.е. смесь двух газов, которая состоит из водяных паров и сухой части воздуха. Сухую часть воздуха мы условно принимаем однородным газом.
Таким образом, барометрическое давление равно сумме парциальных давлений сухого воздуха P с.в. и водяного пара P п , т.е.,
B = P с.в. +P п
При обычных условиях в помещении, когда давление водяного пара Р п приблизительно равно 15 мм. рт. ст., доля второго члена P с.в. в формуле барометрического давления, учитывающая разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составляет всего 0,75% величины плотности сухого воздуха ρ с.в. . Поэтому в наших инженерных расчётах считается, что
ρ возд. = ρ с.в.
ρ возд. = ρ с.в.
При изменении влажности воздуха в вентиляционных процессах масса его сухой части остаётся неизменной. Исходя из этого, принято относить массу водяных паров, содержащихся в воздухе, к 1 кг. сухой части воздуха.
Перейдём непосредственно к тем физическим величинам, которые определяют параметры влажного воздуха. Именно совокупность этих параметров определяет состояние влажного воздуха:
это величина, характеризующая степень нагретости тела . Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. В настоящее время используется температурная шкала Цельсия и термодинамическая шкала температур Кельвина, которая основана на втором законе термодинамики. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется соотношение, а именно:
T, K = 273,15 + t °C
Важно отметить, что параметром состояния является абсолютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу Цельсия, т.е.
dT = dt.
Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нём водяного пара. Массу водяного пара в граммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг.
Величина d равна:
где: B
– барометрическое давление, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха.
P с.в.
и водяного пара P п
;
P п
– парциальное давление водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе.
Величина φ равна отношению парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе P п. к парциальному давлению водяного пара в насыщенном влажном воздухе P н.п. при одной и той же температуре и барометрическом давлении, т.е.,
При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом , а водяные пары, содержащиеся в этом воздухе, находятся в насыщенном состоянии.
Если φ < 100%, то воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии и его называют ненасыщенным влажным воздухом .
Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его величину определяют экспериментальным путём и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Pн.п. в Па или в мм. рт. ст . от температуры в t °C .
Например, для области положительных температур от 0°C и выше давление насыщенного водяного пара в Па, приблизительно выражается зависимостью:
P н.п. = 479 + (11,52 + 1,62 t) 2 , Па
Пользуясь понятием относительной влажности φ , влагосодержание воздуха можно определить как
Для вентиляционных процессов диапазон температур это величина постоянная и равна
С с.в. = 1,005 кДж/(кг ×°C).
В обычных для вентиляционных процессов в диапазоне температур эту величину можно считать постоянной и равной
С п = 1,8 кДж/(кг × °C).
J с.в. = С с.в. × t ,
где: t – температура воздуха, в °C.
Энтальпию сухого воздуха J с.в. при t = 0°C принимают равной 0.
для воды при t = 0°C равна 2500 кДж/кг .
в воздухе при произвольной температуре t , составляет
J п = 2500 + 1,8 t.
складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара.
Энтальпия J влажного воздуха, отнесённая к 1 кг сухой части влажного воздуха, в кДж/кг , при произвольной температуре t и произвольном влагосодержании d , равна:
где: 1,005
– C с.в. теплоёмкость сухого воздуха, _кДж/(кг×°С)
;
2500
– r
удельная теплота парообразования, кДж/(кг×°С)
;
1,8
– C п
теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг×°С)
.
Если воздух передаёт явное тепло , он нагревается, т.е. его температура повышается. При нагревании влажного воздуха энтальпия изменяется в результате изменения температуры сухой части воздуха и водяных паров. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой от внешних источников (изотермическое увлажнение паром), ему передаётся скрытая теплота парообразования. Энтальпия влажного воздуха при этом также возрастает, потому что к энтальпии сухой части воздуха прибавляется энтальпия водяного пара. Температура воздуха при этом почти не меняется, что и послужило причиной введения этого термина — скрытая теплота.
В общем случае, энтальпия влажного воздуха состоит из явной и скрытой теплоты, поэтому энтальпию иногда называют полной теплотой.
Для дальнейших расчётов систем вентиляции и кондиционирования нам потребуются следующие основные параметры влажного воздуха:
- температура t в , °С ;
- влагосодержание d в , г/кг ;
- относительная влажность φ в , % ;
- теплосодержание J в , кДж/кг ;
- концентрация вредных примесей С , мг/м 3 ;
- скорость движения V в , м/сек.