Основные характеристики состояния влажного воздуха

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов (азот, кислород, благородные газы и др.) с некоторым количеством водяного пара. Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере.

Влажный воздух – смесь сухого воздуха и водяных паров. Знание его свойств необходимо для понимания и расчета таких технических устройств, как сушилки, системы отопления и вентиляции и т.п.

Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным. Воздух, в котором не содержится максимально возможное при данной температуре количество водяного пара, называется ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух – из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Водяной пар содержится в воздухе обычно в небольших количествах и в большинстве случаев в перегретом состоянии, поэтому к нему применимы законы идеальных газов.

Давление влажного воздуха В, согласно закону Дальтона, равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара:

В = р_В + р_П, (2.1)

где В – барометрическое давление, Па, р_В, р_П – парциальные давления соответственно сухого воздуха и водяного пара, Па.

В процессе изобарного охлаждения ненасыщенного влажного воздуха можно достичь состояния насыщения. Конденсация водяного пара, содержащегося в воздухе, образование тумана свидетельствуют о достижении точки росы или температуры росы. Точкой росы называется температура, до которой необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным.

Точка росы зависит от относительной влажности воздуха. При высокой относительной влажности точка росы близка к фактической температуре воздуха.

Абсолютная влажность ρ_П определяет массу водяного пара, содержащуюся в 1 м³ влажного воздуха.

Относительная влажность φ определяет степень насыщения воздуха водяным паром:

(2.2)

т.е. отношение действительной абсолютной влажности ρ_П к максимально возможной абсолютной влажности в насыщенном воздухе ρ_Н при той же температуре.

Для насыщенного воздуха φ = 1 или 100 %, а для ненасыщенного влажного воздуха φ < 1.

Влагосодержание воздуха d представляет собой отношение массы водяного пара М_П к массе сухого воздуха М_В, содержащихся во влажном воздухе:

(2.3)

Величина влагосодержания, выраженная через парциальные давления:

(2.4)

Как видно из уравнения (2.4) с увеличением парциального давления р_П влагосодержание d возрастает.

Энтальпия влажного воздуха является одним из основных его параметров и широко используется при расчетах сушильных установок, систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Энтальпию влажного воздуха относят к единице массы сухого воздуха (1 кг) и определяют как сумму энтальпий сухого воздуха i_В и водяного пара i_П, кДж/кг:

i = i_В + i_П∙d (2.5)

id – диаграмма влажного воздуха

id – диаграмма влажного воздуха была предложена в 1918г. проф. Л.К. Рамзиным. В диаграмме (рис. 2.1) на оси абсцисс отложены значения влагосодержания d, г/кг, а по оси ординат – энтальпия i влажного воздуха, кДж/кг, отнесенные к 1 кг сухого воздуха. Для лучшего использования площади диаграммы линии i =const проведены по углом 135 ^° к линиям d =const и значения d снесены на горизонтальную линию. Изотермы (t =const) нанесены в виде прямых линий.

По id – диаграмме влажного воздуха для каждого состояния влажного воздуха можно определить температуру точки росы. Для этого из точки, характеризующей состояние воздуха, надо провести вертикаль (линию d =const) до пересечения с линией φ =100%. Изотерма, проходящая через полученную точку, определит искомую точку росы влажного воздуха.

Кривая насыщения φ =100% разделяет id – диаграмму на верхнюю область ненасыщенного влажного воздуха и нижнюю область пересыщенного, в котором влага находится капельном состоянии (область тумана).

id – диаграмму можно использовать для решения задач, связанных с сушкой материалов. Процесс сушки состоит из двух процессов: нагрева влажного воздуха и его увлажнения, вследствие испарения влаги из высушиваемого материала.

Рис. 2.1. id – диаграмма влажного воздуха

 

Процесс нагревания протекает при постоянном влагосодержании (d =const) и изображается на id – диаграмме вертикальной линией 1-2 (рис. 2.1). Разность энтальпий в диаграмме определяет количество тепла, расходуемого на подогрев 1 кг сухого воздуха:

Q = M_В ∙(i ₂ - i ₁), (2.6)

Идеальный процесс насыщения воздуха влагой в сушильной камере происходит при неизменной энтальпии (i =const) и изображается прямой 2-3′. Разность влагосодержаний дает количество влаги, выделенной в сушильной камере каждым килограммом воздуха:

M_П = М_В ∙(d ₃ - d ₂), (2.7)

Реальный процесс сушки сопровождается уменьшением энтальпии, т.е. i ≠const и изображается прямой 2-3.

Контрольные задания

Задача 1. Используя id – диаграмму, необходимо определить параметры влажного воздуха. Процесс сушки осуществляется последовательным нагревом воздуха до температуры t₂ c последующей сушкой до t₃.

Таблица 2.1

Вариант
Вид сушки	идеальная	реальная
t1, ^°С			?
φ1, %		?		?
d1, г/кг сух.воздуха	?				?	?
t2, ^°С	?			?
φ2, %		?	?		?	?
i2, кДж/кг сух.воздуха	?	?	?	?	?	?
t3, ^°С		?	?	?
φ3, %	?					?
d3, г/кг сух.воздуха	?	?	?		?
РП3, мм рт.ст.	?	?	?	?	?	?

 

Задача 2. В калорифере атмосферный воздух нагревается до температуры t₂ и поступает в сушильную камеру. После сушильной камеры выходит с температурой t₃. Определить конечное влагосодержание воздуха, расход воздуха и теплоту, необходимую для испарения 1 кг влаги.

Таблица 2. 2

Вариант
t1, ^°С
φ1, %
t2, ^°С
t3, ^°С

Задача 3. Какова масса водяного пара в комнате объемом 300 м³, если температура воздуха t и относительная влажность φ?

Таблица 2.3

Вариант
t, ^°С
φ	0,6	0,3	0,2	0,2	0,3	0,5

Вопросы

1. Определение атмосферного и влажного воздуха.

2. Дать понятие насыщенного и ненасыщенного воздуха.

3. Что характеризует точка росы? Ее нахождение с помощью

id –диаграммы.

4. Понятие абсолютной, относительной влажности и влагосодержания.

5. Определение плотности и энтальпии влажного воздуха.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Описание установки

Процессы изменения состояния влажного воздуха исследуются на экспериментальной установке, представленной на рис. 2.2. Вентилятор 1 направляет атмосферный воздух через ротаметр 2 в электронагревательную камеру 3. Температура подогретого воздуха t₂ измеряется термометром 4. В нагревательной камере влагосодержание воздуха постоянно, а относительная влажность уменьшается (линия 1-2 см. рис. 2.1).

 

Рис. 2.2. Схема экспериментальной установки

 

После нагрева влажный воздух направляется в су­шильную камеру 5, где горячий воздух поглощает влагу из капиллярной трубки с водой 8, при этом воздух увлажняется. В сушильной камере влагосодержание и относительная влажность воздуха увеличиваются (линия 2-3′ см. рис. 2.1). Влажный воздух проходит через психрометр 6, состоящий из двух термометров. Чувствительный элемент одного из них обернут тканью, постоянно смачиваемой водой. Вследствие испарения воды с поверхности ткани температура последней понижается и будет соответствовать так на­зываемой температуре «мокрого» термометра t_3M. Действитель­ную температуру влажного воздуха t₃ показывает «сухой» термометр. По показаниям психрометра, ис­пользуя психрометрическую таблицу из приложения 2.2, определяется численное значение относительной влажности.

Температуры атмосферного воздуха t₁ и «мокрого» термометра t_1М определяются другим психрометром 7, установленным в помеще­нии лаборатории.

Порядок проведения опытов

Перед началом опыта необходимо включить вентилятор и ус­тановить необходимый расход воздуха. Объемный расход воздуха измеряется ротаметром и определяется по градуировочному графику (рис. 2.3).

Затем необходимо через каждые 2 минуты измерять значения температуры воздуха после электронагревателя t ₂ до наступления стационарного режима (рис. 2.4). Признаком стационарного режима является неизменность показаний термометра 4 и психрометра 6 в течении 6 минут.

Рис. 2.3 Градуировочный график ротаметра	Рис. 2.4 График стационарности

 

После достижения стационарного режима занести показания всех приборов в таблицу опытных данных (табл. 2.4).

Таблица 2.4

K	V, м^3/ч	t1, ^°С	t1М, ^°С	t2, ^°С	t3, ^°С	t3М, ^°С	В, Па

K – показания ротаметра;

V – объемный расход воздуха, м³/ч;

В – барометрическое давление, Па.