Параметры влажного воздуха. J-d диаграмма влажного воздуха

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим; если же в его состав входит водяной пар, то воздух называется влажным. Таким образом, влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара.

Влажный воздух обычно рассматривают при атмосферном давлении (сушильные установки, вентиляционные системы, установки кондиционирования воздуха и т. д.), поэтому водяной пар, содержащийся в нем, можно с достаточной точностью считать идеальным газом. В таком случае к влажному воздуху можно применить закон Дальтона, т. е. давление P влажного воздуха равно:

 

(2.9)

 

где P_в и P_п – соответственно, парциальные давления сухого воздуха и водяного пара в смеси.

Абсолютной влажностью воздуха называют массой водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха или (что то же самое) плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха t.

Отношение действительного содержания водяного пара в 1 м³ влажного воздуха к максимально возможному содержанию его в том же объеме влажного воздуха при данной температуре называется относительной влажностью воздуха и обозначается . Часто выражают в процентах, т. е.:

 

. (2.10)

 

где P_п и P_m парциальное давление водяного пара и максимальное возможное парциальное давление водяного пара во влажном воздухе соответственно.

Относительная влажность воздуха может изменяться в пределах от φ=0 (сухой воздух) до φ=1 (воздух, насыщенный влагой).

Так как обычно расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняются при давлениях, близких к атмосферному, и парциальное давление пара в нем невелико, то с достаточной точностью можно применять к влажному пару все формулы, полученные для идеальных газов. Поэтому в дальнейшем принимается, что влажный воздух подчиняется уравнению состояния идеальных газов:

 

 

а также закону Дальтона:

 

, (2.11)

 

где P – давление влажного воздуха; P_в – парциальное давление сухого воздуха; P_п – парциальное давление пара.

Величины P, P_в, P_п измеряются в одних и тех же единицах.

Для характеристики влажного воздуха пользуются так же понятием влагосодержание, под которым понимают отношение массы влаги (пара) во влажном воздухе к массе сухого воздуха в нем:

 

. (2.12)

 

Величину d обычно измеряют в г/кг (в граммах влаги на 1 кг сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе). Выражение (2.12) можно привести к следующему виду:

 

(2.13)

 

Из этого уравнения следует, что:

 

(2.14)

 

Нетрудно видеть, что парциальное давление водяного пара при данном давлении влажного воздуха является функцией только влагосодержания, и наоборот. Поэтому аналогично уравнениям (2.13) и (2.14) можно написать:

(2.15)

 

(2.16)

 

где d_max – максимально возможное влагосодержание влажного воздуха (если температура его ниже температуры насыщения водяного пара при давлении смеси).

Та температура, до которой надо охладить при постоянном давлении влажный воздух, чтобы он стал насыщенным (), называется точкой росы t_p. Она, следовательно, может быть определена (по таблицам насыщенного пара) как температура насыщения при парциальном давлении пара.

Энтальпия i влажного воздуха определяется как сумма энтальпий сухого воздуха и водяного пара. Энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха, т. е. к (1+d) кг влажного воздуха. Поэтому:

 

, (2.17)

 

или:

 

(2.18)

 

если d берется в г/кг.

Энтальпия сухого воздуха, выраженная в килоджоулях на килограмм, численно равна его температуре, так как теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении равна . Энтальпия сухого насыщенного пара при малых давлениях может быть определена по эмпирической формуле:

 

, (2.19)

 

тогда энтальпия влажного воздуха будет:

 

(2.20)

При сушке различных продуктов нагретым воздухом влагосодержание его увеличивается за счет испаренной воды. Этот процесс называют адиабатным испарением воды, если тепло, необходимое для испарения, берется только из окружающего воздуха. Температура воздуха при этом понижается, причем если этот процесс продолжается до полного насыщения воздуха, то температура его понижается до так называемой температуры адиабатного насыщения воздуха, известной так же под названием истинной температуры мокрого термометра.

Диаграмма id влажного воздуха, предложенная проф. Л. К. Рамзиным в 1918 г, весьма удобна для определения параметров влажного воздуха. Она также значительно упрощает решение различных задач, связанных с изменением состояния влажного воздуха и, особенно с процессами осушения. В этой диаграмме по оси абсцисс отложено влагосодержание d, а по сои ординат – энтальпия i влажного воздуха (на 1 кг сухого воздуха). Барометрическое давление принято равным B=745 мм рт. ст. (среднегодовое давление для центральной полосы России). Для более удобного расположения отдельных линий на диаграмме координатные оси в ней проведены под углом 135^о (i=const).

В выполненных диаграммах наклонная ось влагосодержания не вычерчивается, а вместо нее из начала координат проводится горизонталь, на которую значения d спроектированы с наклонной оси. Поэтому линии i = const идут наклонно, параллельно наклонной оси абсцисс, линии же d =const идут вертикально, параллельно оси ординат. В диаграмме id построены так же изотермы (t = const) весьма близкие к прямым.

В прил. 6 дана часть диаграммы id для воздуха при барометрическом давлении B = 745 мм рт. ст.

 

Рис 2.1. i-d диаграмма влажного воздуха

Диаграмма id дает возможность по двум каким-либо параметрам влажного воздуха (обычно φ и t) определить i, d и p_n. По этой диаграмме можно также найти и точку росы. Для этого нужно из точки, характеризующей данное состояние воздуха, провести вертикаль (d = const) до пересечения с линией . Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы. Процесс нагревания влажного воздуха совершается при неизменном влагосодержании, т.е. при d=const. На i-d -диаграмме этот процесс изображается вертикальной прямой линией. Процесс охлаждения влажного воздуха также протекает при d=const (изображается прямой линией МО, рис (2.1). Этот процесс будет справедлив только до состояния полного насыщения воздуха, т.е. до φ=100%. При дальнейшем охлаждении воздух окажется пересыщенным влагой и она будет выпадать из него в виде росы на материале.

Процесс конденсации можно условно считать проходящим по линии φ=100%. Например, количество воды, образовавшейся в результате конденсации от точки 0 до точки S, на 1 кг сухого воздуха равно разности влагосодержаний d₂-d₁. Идеальный процесс насыщения воздуха влагой в условиях постоянного давления происходит при неизменной энтальпии влажного воздуха и изобразится на диаграмме отрезком МС. При этом под идеальным процессом подразумевается такой, в котором вся теплота идет только на испарение влаги, т. е. не учитываются потери теплоты в окружающую среду и расход теплоты на подогрев жидкости.