Определение относительной влажности воздуха

Цель работы

Ознакомление с экспериментальными и расчетными методами опре­деления характеристик влажного воздуха.

 

Пояснения к работе

 

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха с во­дяным па­ром. При давлении близком к барометрическому, эта смесь по своим свойствам мало отли­чается от свойств идеального газа. Поэтому с достаточной точностью можно рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов, к которым применим закон Дальтона:

рвв= рсв+ рп, (4)

где: рвв – давление влажного воздуха, Па; рсв – парциальное дав­ление су­хого воздуха, Па; рп – парциальное давление водяного пара, Па.

Парциальное давление водяного пара всегда меньше или равно давлению насыщения пара при данной температуре.

Масса водяного пара, содержащаяся в 1 влажного воздуха, называется абсолютной влажностью. Так как влажный воздух пред­ставляет собой газовую смесь, то объем водяного пара в смеси равен объему всей смеси и, следова­тельно, абсолютная влажность равна парциальной плотности пара в смеси при своем парциальном давле­нии рпи температуре смеси:

. (5)

Относительной влажностью воздуха называют отношение аб­солютной влажности воздуха к максимально возможной абсолютной влажности при дан­ной температуре:

. (6)

Полагая водяной пар идеальным газом, можно использовать соотношение:

, (7)

где: рн – давление насыщения при температуре влажного воз­духа, Па.

Относительная влажность воздуха обычно выражается в про­центах и из­меняется в пределах от 0 до 100%. Для сухого воздуха , а для воздуха, насы­щенного водяным паром .

Кроме относительной влажности, для характеристики состоя­ния влажного воздуха часто используется отношение массы водя­ного пара m_п, содержаще­гося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха, m_в, называемое влагосодер­жанием d влажного воздуха:

d = mп /mв (8)

 

Рис. 8. Аспирационный психрометр:

1 – сухой термометр; 2 – мокрый термометр; 3 – батистовая ткань;

4, 5 – экранирующие трубки; 6 – вентилятор

 

Наиболее распространенным средством измерения относитель­ной влажности воздуха являются психрометры. Психрометр (рис. 8) имеет два ртутных термометра: сухой 1 и мокрый 2. Чувствительная часть мокрого термометра обернута увлажненной тканью (бати­стом) 3. Вследствие испарения влаги мокрый термометр показывает температуру меньшую, чем сухой. Различие показаний термомет­ров будет тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха. В наиболее совершенных конструкциях психрометров процесс испа­рения приближен к адиабатному. С этой целью чувствительная часть термометров экранируется трубками 4 и 5, наружная поверхность которых никелируется и полируется. Кроме того, с помощью венти­лятора (аспиратора) 6 в зазорах между трубками и чувствительными элементами термометров создается поток воздуха, интенсифици­рующий процесс испарения.

По значениям температур сухого и мокрого термометров с по­мощью психрометрической таблицы можно определить относитель­ную влажность воздуха, а затем рассчитать другие параметры влаж­ного воздуха (влагосодержание, плотность, энтальпию).

 

Результаты измерений заносятся в протокол эксперимен­та:

рвв =….. Па, t_с = ….^оС, t_м =….. ^оС.

Обработка результатов опыта

 

Относительная влажность воздуха определяется по психро­метрической таблице при значениях температур сухого и мокрого термометров, соответствующих стационарному состоянию.

Парциальное давление водяного пара определяется по фор­муле:

, Па, (9)

где: давление насыщения рн определяется по таблицам термодина­мических свойств воды и водяного пара при температуре воздуха.

Влагосодержание рассчитывается по формуле:

 

d =0,622× pп/(рвв- рп), кг/кг с.в. (10)

 

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газо­вой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

 

, (11)

где: hсв = – энтальпия сухого воздуха; – энталь­пия водяного пара; ro =2501 кДж/кг – теплота парообразования при 0 ^оС; cв– средняя изобарная теплоемкость сухого воздуха в интервале температур 0- tс (cв =1,005 кДж/кг); cп - средняя изобарная теплоем­кость водяного пара в интервале температур 0- tс (cп =1,93 кДж/кг).

Газовая постоянная влажного воздуха определяется по фор­муле:

 

, , (12)

где: – кажущаяся молярная масса влажного воздуха, кг/кмоль.

Плотность воздуха вычисляется из уравнения состояния:

, кг/м3, (13)

где: Тс – абсолютная температура воздуха, К.

Численные значения φ, d, h_вв, р_п следует также опреде­лить и по d - H диаграмме влажного воздуха. Для этого на пе­ресечении изотермы t_с с линией мокрого термометра t_м следует найти точку, определяющую состояние влажного воздуха.

Содержание отчета

 

В отчете раскрывается цель работы, приводится принципиальная схема психрометра, описание определения относительной влажно­сти с помощью психрометрической таблицы и d - H диаграммы, ре­зультаты замеров и расчетов, а также выводы.

Вопросы для самопроверки

1 Что такое влажный воздух, с помощью каких характеристик можно определить его состояние?

2 Как определить парциальное давление сухого воздуха, если из­вестно барометрическое давление и парциальное давление водяного пара?

3 Как определить объемные доли сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе, если известно барометрическое давление и парци­альное давление водяного пара?

4 Можно ли, зная относительную влажность, определить влаго­содержание влажного воздуха?

5 В d - H диаграмме величины Н и d отнесены к 1 кг сухого воздуха, какому количеству влажного воздуха это соответст­вует?

6 Что такое точка росы?

7 До какой температуры можно охладить влажный воздух, разбразгивая в нем холодную воду?

8 Как зависит плотность влажного воздуха от влагосодержа­ния?

9 Что представляет собой туман, при каких условиях он может появиться во влажном воздухе?

10 Как зависит газовая постоянная влажного воздуха от отно­сительной влажности?

 

 

Лабораторная работа №3

Изучение процесса истечения газа из су­жающегося сопла

 

1. Цель работы

 

Экспериментальное исследование процесса истечения газа из сужаю­щегося сопла.

2. Пояснения к работе

 

В лабораторной работе используется имитационное моделиро­вание про­цесса истечения идеального газа из сужающегося сопла. Такое моделирование основано на главных положениях термоди­намики и позволяет получать ин­формацию, аналогичную реальному эксперименту. Рассмотрим процесс обра­тимого адиабатного исте­чения газа из емкости, в которой давление газа и температура остаются не­изменными. Истечение происходит через сужаю­щееся сопло в окружающую среду, давление в которой может изменяться от до нуля. Очевидно, что при равенстве давлений истечения не происхо­дит, расход газа ра­вен нулю. При возникновении перепада давлений возникает поток газа, скорость которого в выходном сечении (устье) сопла за­висит от отношения давлений и . Давление внутри сопла при этом изменя­ется от на входе в сопло до на выходе из него. Как показали экспериментальные исследования, такие закономерности сохраняются до тех пор, пока величина скорости истечения газа не достигнет зна­чения равного ме­стной скорости звука. Дальнейшее уменьшение внешнего давления не сказыва­ется на распределении давлений внутри сопла и в том числе на значении дав­ления . Отношение дав­лений, , при котором устанавливается вели­чина скорости истечения равная скорости звука и сама скорость истечения на­зываются крити­ческими и обозначаются соответственно , . Величина оп­ределяется из соотношения:

, (14)

где: k – показатель адиабаты для газа.

Величина критической скорости истечения газа равна:

, м/с (15)

где: R – газовая постоянная, Дж/кг·К.

Расход газа через суживающееся сопло также зависит от перепада давлений. При уменьшении от 1 до расход увеличивается, а затем при всех значениях < , остается неизменным и равным:

, кг/с, (16)

где: – площадь выходного сечения сопла, м².

В реальных процессах истечения вследствие наличия трения о стенки канала и теплообмена с окружающей средой действительный расход газа через сопло, , всегда меньше теоретического. Отно­шение действительного расхода газа к теоретическому называется коэффициентом расхода: .

Порядок проведения опытов

 

Экспериментальная установка состоитиз макета рабочего участка и пульта уп­равления с вмонтированными в него бло­ками измерения расхода и перепадов давления. Рабочий участок установки (рис. 9) представляетсобой трубу, в ко­торой установлено исследуемое сужающееся сопло 3 с выходным диа­метром, d = 1,5 0,05мм. На входе в трубу установлен сетчатый фильтр 1 для механической очи­стки газа, поступающего в установку. Поток газа через сопло создается с помощью вакуумного насоса 5. Давление газа на входе равно барометрическому (р₁ = В). Расход газа М и скорость истечения регули­руются вентилем 4. Рабочие режимы определяются величиной разре­жения за соплом р₃ и разре­жения р₂ в выходном се­чении сопла, которые регистриру­ются на инди­каторе блока перепадов давления 6 и дублируются на цифровом пульте управления. Расход газа измеряется с по­мощью дроссельной диафрагмы 2, диаметр отверстия которой d_ш =5 мм. Перепад давления на диафрагме Н регистрируется на индикаторе блока расхода 7 и дублируется на пульте управления.

После включения установки в сеть, введения и запуска рабочей программы на телевизионном мониторе высвечивается тема лабораторной работы и схема экспериментальной установки с отображением

газа в рабочем уча­стке, положения регулиро­вочного вентиля и индикацией показаний измерительных приборов ( Н, р₂ , р₃).

Рис.9. Схема установки для изучения процесса адиабатного истечения газа через сужающееся сопло:

1 – сетчатый фильтр; 2 – дроссельная диафрагма; 3 – сужающееся сопло;

4 – регулировочный вентиль; 5 – вакуумный насос; 6,7 – дифференциальные манометры.

 

С помощью меню (раздел «Параметры») задается один из трех возможных рабочих тел: воздух, диок­сид углерода, гелий.

До начала эксперимента регулировочный вентиль 4 закрыт полностью и течение газа отсутствует, показания всех при­боров должно быть равно нулю ( Н =0, р₂ =0, р₃ =0). После включения тумблеров питания измерительных приборов приступают к проведению опыта. Включается тумблер вакуумного насоса. Затем постепенным открытием вентиля 4 с помощью рукоятки на пульте управления устанавливается минимальное разрежение за соплом – р₃ = 0,1 бар (1-й ре­жим). На экране монитора высвечиваются численные зна­чения вели­чин: Н, р₂ , р₃. Последующие режимы снимаются при значениях разрежения р₃ = 0,2, 0,3, …, 0,9 бар. Результаты измерений Н, р₂ и р₃ во всех опытах заносятся в протокол испытаний (таблица 2).

Таблица 2 – Протокол эксперимента и результаты обработки данных

 

Газ – ____________; В =_______________ Па.

 

№ опыта	Результаты измерений	Результаты расчетов
р2	р3	Н	р3	р2		Мд
бар	бар	Па	бар	бар		кг/с

 

 

По окончании опытов все регулирующие органы перево­дятся в исходное положение.

 

 

4. Обработка результатов испытаний

Определяются абсолютные давления перед соплом, в вы­ходном сечении сопла (на срезе) и за соплом:

р₁ = , бар. (17)

р₃ = р₁ - р₃, бар. (18)

р₂ = р₁ - р₂, бар. (19)

 

Рассчитывается отношение давлений:

 

= р₃/р_{1 .} (20)

 

Определяется действительный массовый расход газа:

 

М_{д= ш ,} кг/с, (21)

где: _ш = 0,95 – коэффициент расхода (опреде­лен при тарировке);

– площадь отверстия в дроссельной диафрагме; – плотность газа перед диафрагмой, кг/м³, – газовая постоянная, Дж/(кгК ),

–температура воздуха перед диафрагмой, К; –молярная масса газа, кг/кмоль.

По формулам, приведенным в пояснениях к лабораторной работе, определяются теоретические значения и макси­мального теоретического расхода газа . Рассчитывается коэффициент расхода сопла:

(22)

Строится график зависимости , и по нему находится опытное значение , оно срав­нивается с теоретическим значением.

 

5. Содержание отчета

В отчете приводится цель работы, схема рабочего участка модели­руемой экспериментальной установки, таблица замеров, графиче­ская зависимость М_Д = f(β)

 

Вопросы для самопроверки

1. При каких условиях процесс истечения газа можно считать адиабатным?

2. Как формулируется первый закон термодинамики для потока газа?

3. Какие каналы называются соплами, а какие диффузорами?

4. Как изменяются скорость, давление, удельный объем и температура газа при его движении в сужающемся сопле?

5. Что такое критический перепад давлений и критическая скорость истечения?

6. От каких факторов зависит скорость истечения из сужающего­ся сопла в докритической области истечения?

7. От каких факторов зависит скорость истечения из сужающего­ся сопла в сверхкритической области истечения?

8. Что надо сделать, чтобы увеличить расход газа при истечении из сужающегося сопла неизменной геометрии в сверхкри­тической области истечения?

9. С помощью какого устройства создается перепад давления в дан­ной установке?

10. Возможно, ли при данной конструкции установки получить на выходе из сопла скорость большую, чем скорость звука?

11. Как осуществляется переход с одного режима работы опыт­ной установки на другой?

12. Поясните на каком принципе основано измерение расхода газа в опыте?

 

Лабораторная работа №4