I-d диаграмма влажного воздуха была создана в 1918 году Л.К. Рамзиным. Плодами труда этого русского учёного пользуются до сих пор. Его диаграмма в настоящее время остаётся верным и надёжным инструментом при расчётах основных свойств влажного воздуха.
Так как расчёт изменения состояния атмосферного воздуха связан с проведением сложных вычислений, то обычно пользуются более простым и удобным методом. Т.е. применяют Рамзина, которую ещё называют психрометрической диаграммой.
В координатах i-d диаграммы нанесены зависимости основных параметров влажного воздуха. Это температура, влагосодержание, относительная влажность, энтальпия. При заданном барометрическом давлении по оси ординат откладывают энтальпию на 1 кг сухого воздуха (кДж/кг). По оси абсцисс откладывают влагосодержание воздуха в г на 1 кг сухого воздуха.
Система координат i-d диаграммы является косоугольной. Угол между осями равен 135º. Такое расположение осей позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха. Таким образом, диаграмма становится более удобной для графических построений.
Линии постоянной энтальпии I=const проходят под углом 135º к оси ординат. Линии постоянного влагосодержания d=const проходят параллельно оси ординат.
Образованная линиями I=const и d=const сетка состоит из параллелограммов. На них строят линии изотерм t=const и линии постоянных относительных влажностей φ=const.
Стоит отметить, что хоть изотермы и представляют собой прямые линии, но они вовсе не параллельны между собой. Угол их наклона к горизонтальной оси различен. Чем ниже температура, тем более параллельны изотермы между собой. Линии температур, изображённые на диаграмме, соответствуют значениям по сухому термометру.
Кривую с относительной влажностью φ=100 % строят исходя из данных таблиц насыщенного воздуха. Выше этой кривой на диаграмме располагается область ненасыщенного влажного воздуха. Соответственно ниже этой кривой расположена область перенасыщенного влажного воздуха. Влага насыщенного воздуха, характеризующаяся данной областью, находится в жидком или твёрдом состоянии. Т.е. представляет собой туман. Данная область диаграммы не используется в расчётах характеристик влажного воздуха, поэтому её построение опускается.
Все точки диаграммы характеризуют конкретное состояние влажного воздуха. Чтобы определить положение любой точки нужно знать два параметра состояния влажного воздуха из четырёх - I, d, t или φ.
Влажный воздух в любой точке i-d диаграммы характеризуется определённым влаго- и теплосодержанием. Все точки расположенные выше кривой φ=100 %, характеризуют такое состояние влажного воздуха, при котором водяной пар в воздухе находится в перегретом состоянии. Точки, расположенные на кривой φ=100 %, так называемой кривой насыщения, характеризуют насыщенное состояние водяного пара в воздухе. Все точки, распложенные ниже кривой насыщения, характеризуют состояние, при котором температура влажного воздуха ниже температуры насыщения. Следовательно, в воздухе будет находиться влажный пар. Это означает, что влага в воздухе будет состоять из смеси сухого пара и капелек воды.
При решении практических задач i-d диаграмма применяется не только для вычисления параметров состояния воздуха. С её помощью также строят изменения его состояния при процессах нагревания, охлаждения, увлажнения, осушения, а также их произвольном сочетании. В расчётах часто используются такие параметры воздуха как температура точки росы t р и температура мокрого термометра t м. Оба параметра могут быть построены на i-d диаграмме.
Температура точки росы t р - это температура, соответствующая значению до которого должен быть охлаждён влажный воздух, чтобы стать насыщенным при постоянном влагосодержании (d=const). На i-d диаграмме температура точки росы t р определяется следующим образом. Берётся точка, характеризующая заданное состояние влажного воздуха. Из неё проводим параллельно оси ординат прямую до пересечения с кривой насыщения φ=100 %. Та изотерма, которая будет пересекать эту кривую в полученной точке, и будет показывать температуру точки росы t р при заданном влагосодержании воздуха.
Температура мокрого термометра t м - это температура при которой влажный воздух, охлаждаясь становится насыщенным при постоянном влагосодержании. Для определения температуры мокрого термометра на i-d диаграмме делают следующее. Через точку, характеризующую заданное состояние влажного воздуха проводят линию постоянной энтальпии I=const до пересечения с кривой насыщения φ=100 %. Значение температуры мокрого термометра будет соответствовать изотерме, проходящей через точку пересечения.
На i-d диаграмме все процессы перехода воздуха из одного состояния в другое изображаются кривыми, проходящими через точки, характеризующие начальное и конечное состояние влажного воздуха.
Как применять i-d диаграмму влажного воздуха? Как уже говорилось выше для определения состояния воздуха нужно знать любые два параметра диаграммы. Например, возьмем какую-либо температуру по сухому термометру и какую-либо температуру по мокрому термометру. Найдя точку пересечения линий этих температур, получим состояние воздуха при заданных температурах. Таким образом, данная точка чётко характеризует состояние воздуха. Аналогично примеру, по этим температурам можно найти состояние воздуха в любой точке i-d диаграммы.
Нашли ошибку? Выделите её и нажмите Ctrl+Enter . Будем благодарны за помощь.
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.
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.
При более строгом определении под следует понимать отношение парциальных давлений водяных паров рп, находящихся в ненасыщенном влажном воздухе к их парциальному давлению в насыщенном воздухе при той же температуре
Для области температур, характерных для кондиционирования воздуха
Плотность влажного воздуха
ρ
равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара
где - плотность сухого воздуха при данных температуре и давлении, кг/м 3 .
Для вычисления плотности влажного воздуха можно воспользоваться другой формулой:
Из уравнения видно, что с увеличением парциального давления пара при неизменных давлении p (барометрическом) и температуре T плотность влажного воздуха уменьшается. Поскольку это уменьшение незначительно, на практике принимают .
Степень насыщения влажного воздуха ψ - отношение его влагосодержания d к влагосодержанию насыщенного воздуха при той же температуре: .
Для насыщенного воздуха .
Энтальпия влажного воздуха I (кДж/кг) - количество тепла, содержащееся в воздухе, отнесенное к 1кг сухого или (1+d) кг влажного воздуха.
За нулевую точку принимают энтальпию сухого воздуха (d = 0) с температурой t = 0°С. Поэтому энтальпия влажного воздуха может иметь положительные и отрицательные значения.
Энтальпия сухого воздуха 
где - массовая теплоемкость сухого воздуха.
Энтальпия водяного пара включает количество теплоты, необходимое для превращения воды в пар при t =0 o C и количество теплоты, затраченной на нагрев полученного пара до температуры t o C. Энтальпия d кг водяного пара содержащегося в 1кг сухого воздуха: ,
2500 - скрытая теплота парообразования (испарения) воды при t=0 o C;
- массовая теплоемкость водяных паров.
Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпии 1кг сухого воздуха и энтальпии d кг водяных паров:
где 
- теплоемкость влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха.
Когда воздух находится в состоянии тумана, в нем могут быть взвешенные капли влаги d вод и даже кристаллы льда d л . Энтальпия такого воздуха в общем виде
Энтальпия воды =4.19t , энтальпия льда .
При температуре больше нуля градусов (t >0°C) в воздухе будет капельная влага, при t < 0°С - кристаллы льда.
Температура точки росы -температура воздуха, при которой в изобарном процессе охлаждения парциальное давление водяного пара р п становится равным давлению насыщения . При этой температуре начинается выпадение влаги из воздуха.
Т.е. точкой росы называют ту температуру, при которой имеющийся в воздухе водяной пар при своей неизменной плотности становится вследствие охлаждения воздуха насыщенным паром (j =100%). Для приведенных выше примеров (см. табл. 2.1), когда при 25 о С абсолютная влажность j становится 50 %, точкой росы будет температура около 14 о С. А когда при 20 о С абсолютная влажность j становится 50 %, точкой росы будет температура около 9 о С.
Человек при высоких значениях точки росы чувствует себя некомфортно (см.табл.2.2).
Таблица 2.2 – Ощущения человека при высоких значениях точки росы
В районах с континентальным климатом условия с точкой росы между 15 и 20 °C доставляют некоторый дискомфорт, а воздух с точкой росы выше 21 °C воспринимается как душный. Нижняя точка росы, менее 10 °C, коррелирует с более низкой температурой окружающей среды, и тело требует меньшего охлаждения. Нижняя точка росы может пойти вместе с высокой температурой только при очень низкой относительной влажности.
Диаграмма d- I влажного воздуха
Расчет и анализ процессов тепловлажностной обработки воздуха по вышеприведенным зависимостям сложен. Для расчета процессов, происходящих с воздухом при изменении его состояния, используют тепловую диаграмму влажного воздуха в координатах d-I (влагосодержание - энтальпия), которая была предложена нашим соотечественником профессором Л.К.Рамзиным в 1918г.
Л. К. Рамзин (1887-1948) - советский инженер-теплотехник, изобретатель
прямоточного котла. http://ru.wikipedia.org/wiki/Рамзин
Она получила широкое распространение у нас и за границей. Диаграмма d-I влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров.
Построение диаграммы основано на зависимости .
Чаще всего диаграмма d-I строится для давления воздуха, равного 0,1013 МПа (760 мм рт.ст.). Встречаются диаграммы и для других барометрических давлений.
Ввиду того, что барометрическое давление на уровне моря изменяется от 0,096 до 0,106 МПа (720 - 800 мм рт.ст.), расчетные данные по диаграмме следует рассматривать как средние.
Диаграмму строят в косоугольной системе координат (под 135°). При этом диаграмму становится удобной для графических построений и для расчетов процессов кондиционирования воздуха, поскольку расширяется область ненасыщенного влажного воздуха. Однако в целях сокращения размеров диаграммы и удобства использования значения d сносят на условную ось, расположенную под 90° к оси I .
Диаграмма d-I изображена на рисунке 1. 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. Иногда наносят линию парциальных давлений водяного пара р п и линии других параметров.
Рисунок 1 – Тепловая диаграмма d-I влажного воздуха
Существенное значение имеет следующее свойство диаграммы. Если воздух изменил свое состояние от точки а до точки б , безразлично по какому процессу, то на диаграмме d-I это изменение можно представить в виде отрезка прямой аб . При этом приращению энтальпии воздуха будет соответствовать отрезок бв=I б -I а . Изотерма, проведенная через точку а , разделит отрезок бв на две части:
отрезок бд
, представляющий изменение доли ощутимого тепла (запаса тепловой энергии, изменение которой приводит к изменению температуры тела): 
.
отрезок дв
, определяющий в масштабе изменение теплоты парообразования (изменение этой теплоты не вызывает изменения температуры тела): 
.
Отрезок aг соответствует изменению влагосодержания воздуха . Точку росы находят, опустив перпендикуляр из точки состояния воздуха (например из точки б ) на условную ось d до пересечения с линией насыщения (φ=100%). На рис. 2.6 К-точка росы для воздуха, начальное состояние которого определяла точка б .
Направление процесса, происходящего в воздухе, характеризуется изменениями энтальпии I и влагосодержания d .
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.