Процессы тепло- и влагообмена между воздухом и водой.

В кондиционировании воздуха широко используются аппараты, в которых воздух взаимодействует с пленкой или распыленными каплями воды, имеющими различную температуру.

Обычно предполагают, что непосредственно над поверхностью капель или пленки воды находится тонкий слой воздуха, полностью насыщенный водяным паром и имеющий температуру, равную температуре воды.

В этом случае процесс тепло- и массообмена между влажным воздухом и водой можно рассматривать как процесс смешения основного потока воздуха с насыщенным воздухом над поверхностью воды.

Используя указанное предположение, А.А. Гоголин [6] сформулировал правило, называемое законом прямой линии: при взаимодействии влажного воздуха с водой, имеющей постоянную температуру, изменение его состояния изображается на J - d диаграмме прямой, проходящей через точку начального состояния воздуха и точку на линии насыщения (j = 100%) с температурой, равной температуре воды.

При большой поверхности и длительном времени контакта процесс продолжается до тех пор, пока воздух не станет насыщенным и не примет температуру воды.

Вся область возможных изменений параметров воздуха начального состояния, заданного на J - d диаграмме точкой А, ограничивается прямыми АВ и АС, проведенными из точки А касательно к кривой насыщения (рис. 6). При этом в зависимости от температуры воды можно выделить следующие зоны.

Зона 1. Температура воды ниже температуры точки росы обрабатываемого воздуха. В результате взаимодействия влажного воздуха с водой такой температуры уменьшаются: энтальпия, температура и влагосодержание воздуха, т.е. происходят процессы охлаждения и осушения воздуха.

Зона 2. Температура воды равна температуре точки росы. В этом процессе уменьшаются энтальпия и температура воздуха при постоянном влагосодержании.

 

 

Рис. 6. Возможные процессы взаимодействия влажного воздуха и воды:

1...7 - зоны процессов

 

Зона 3. Температура воды выше температуры точки росы воздуха, но ниже его температуры по мокрому термометру. При обработке воздуха увеличивается его влагосодержание, но уменьшаются энтальпия и температура, следовательно, воздух увлажняется и охлаждается.

Зона 4. Температура воды равна температуре воздуха по мокрому термометру. Такой процесс называют адиабатным увлажнением воздуха циркулирующей водой. Это единственный реальный процесс, при котором температура воды остается постоянной.

Зона 5. Температура воды выше температуры воздуха по мокрому термометру, но ниже его температуры по сухому термометру. При контакте с такой водой влагосодержание и энтальпия воздуха возрастают, а его температура по сухому термометру снижается. Однако, поскольку процесс увлажнения сопровождается ростом энтальпии, такой процесс следует считать процессом увлажнения и нагревания.

Зона 6. Температура воды равна температуре воздуха по сухому термометру. В этом случае происходит рост влагосодержания и энтальпии воздуха, а его температура по сухому термометру остается постоянной.

Зона 7. Температура воды выше температуры воздуха по сухому термометру. Процесс протекает так же, как в зоне 6, но одновременно происходит повышение температуры воздуха.

В реальных аппаратах расход воды и поверхность контакта имеют конечные значения, и температура воды в процессе тепло- и массообмена не может быть постоянной (кроме режима адиабатного увлажнения).

Поэтому фактические процессы изменения состояния влажного воздуха при его обработке водой изображаются кривыми линиями, направленными из точки начального состояния воздуха к точке на кривой насыщения, соответствующей конечной температуре воды. Причем относительная влажность воздуха, выходящего из контактного аппарата, практически равна 85...95%.

Дополнительно рассмотрим термодинамику состояния других рабочих сред, которые используются в УКВ, а именно водных и других растворов.

Растворы солей используют в качестве рабочего тела в тепло­обменниках при температурах ниже 0°С; растворы хладонов— для повышения термодинамического совершенства циклов комп­рессорных тепловых насосов; водоаммиачные, бромистолитиевые и хлористолитиевые растворы — в абсорбционных холодильных машинах и в тепловых насосах.

Над поверхностью жидких растворов находятся насыщенные пары компонентов. Если растворенное вещество является нелету­чим, например растворы солей, то насыщенный пар состоит толь­ко из молекул растворителя; если оба компонента летучи, то на­сыщенный пар включает молекулы обоих компонентов.

Для расчета параметров состояния растворов необходимо иметь зависимости, связывающие концентрации компонентов в жидкой фазе К_р1 и K_р2 с концентрациями K_p1 ^п и К_р2 ^п и парциальны­ми давлениями компонентов (р₁, p₂) в паровой фазе.

По аналогии с теорией газов в теории растворов вводится по­нятие идеального раствора. В природе отсутствует идеальный ра­створ, так же как и идеальный газ. Наиболее близко требованиям идеальных отвечают растворы, в которых компоненты имеют близкие физико-химические свойства. При образовании таких растворов не происходит электролитической диссоциации. Среди растворов, используемых в СКВ, близкими к идеальным являются водные растворы хладонов. Для идеальных растворов существует простая связь между мольной концентрацией компонента в раст­воре K_p1 и парциальным давлением его насыщенных паров над раствором p₁.

 

(27)

 

где p_1,0— давление насыщенного пара данного компонента в свободном со­стоянии.

Эта зависимость носит название закона Рауля.