Дослідження процесів вологого повітря

Мета роботи: вивчити методику визначення параметрів вологого повітря за допомогою Нd-діаграми; зобразити процеси нагрівання, зволоження й охолодження вологого повітря на Нd-діаграмі; вивчити методику розрахунку витрат повітря й теплоти на випаровування 1 кг вологи.

Основні теоретичні відомості

Вологе повітря - це механічна суміш сухого повітря (m_c.п=29 кг/кмоль, R_c.п = 287 Дж/ (кг× К) і водяної пари (m_п = 18 кг/кмоль, R_п= 461,5 Дж/кг).

У харчовій промисловості вологе повітря широко використовується як сушильний агент у виробництві макарон, сухарів, печива, цукру, кухонної солі, сухофруктів і фруктових порошків, солоду, сухого молока та інших продуктів. До механічних сумішей належать також топкові гази, парогазові суміші та ін.

Процеси сушіння, кондиціонування, вентиляції зазвичай проходять за барометричного тиску, який згідно з законом Дальтона дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря й водяної пари: Р_б = Р_с.п + P_п. Барометричний тиск переважно беруть таким, що дорівнює 99,3 кПа. Це відповідає середньорічному тиску на території України. Для цього тиску й побудована Нd-діаграма стану вологого повітря. Зазначеному тиску відповідає температура насичення 99,45 °С. Якщо температура вологого повітря нижча як 99,45 °С, то максимально можлива кількість водяної пари в ньому дорівнює густині сухої насиченої пари при цій температурі.

Вологе повітря, в якому при сталій температурі r_п = r_н (Р_п = Р_н), називається насиченим (r_н =1/V_н), а повітря, в якому r_п<r_н - ненасиченим (Р_п < Р_н та V_н > V_п), повітря, в якому r_п> r_н - пересиченим.

За парціального тиску пари r<10 кПа з похибкою, яка не перевищує 0,1 %, водяну пару можна вважати ідеальним газом. Знаючи температуру вологого повітря, тиск насиченої пари r_н можна визначити за таблицею теплофізичних властивостей насиченої водяної пари.

 

Основні параметри вологого повітря

Абсолютна вологість повітря - це маса водяної пари в кілограмах у 1 м³ вологого повітря, тобто густина водяної пари r_п за заданих тиску і температури вологого повітря t:

r_п = m_п / V = P_п / (R_пT). (2.1)

Відносна вологість повітря - це відношення абсолютної вологості в даному стані до абсолютної вологості насиченого повітря при однаковій температурі:

j = 100r_п /r_н= 100 P_п / P_п. (2.2)

Для сухого повітря j = 0, а для насиченого j = 100 %.

Вологовміст повітря - це маса водяної пари в грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря.

d = 10³ m_п /m_с..п = 10³ P_п m_п / (P_с.п m_с.п) = 622 Р_п /(Р_б - Р_п). (2.3)

Це співвідношення отримують, якщо поділити рівняння стану водяної пари на рівняння стану сухого повітря.

У процесі нагрівання повітря відношення m_п /m_с.п, d і величина Р_п не змінюються, Р_н збільшується, j зменшується та зростає здатність повітря поглинати вологу, яка пропорційна d_н - d.

Ентальпія вологого повітря дорівнює сумі ентальпій сухого повітря й водяної пари:

H_в.п = H_c.п + 0,001 d h_п = c_{Р c.п} × t + 0,001 d (r_o + c_Р.п), (2.4)

де с_Р - середня ізобарна теплоємність відповідно сухого повітря і водяної пари; с_Рс..п = 1,006 кДж/ (кг× К), c_Р.п=1,98 кДж/ (кг× К); r₀ - питома теплота пароутворення води при температурі 0 °С, r₀ = 2500 кДж/кг;

Ентальпія вологого повітря розраховується на 1 кг сухого повітря, тому її позначаютиь не малою, а великою літерою Н.

На практиці відносна вологість повітря визначається за допомогою психрометра, який мыстить два термометри. Кулька одного з них обмотана тканиною, змоченою водою. Перший термометр називається сухим і показує температуру вологого повітря t, другий - мокрим, а температура, яку він показує, називається температурою мокрого термометра t_м. Це температура води, яка випаровується з вільної поверхні по досягненні теплової рівноваги між нею і вологим повітрям, тобто коли кількість теплоти, яку одержує вода від повітря, дорівнює кількості теплоти, що витрачається на випаровування.

У ненасиченому повітрі t_м< t, у насиченому, де є рівновага між випаровуванням і конденсацією, t_м = t.

Зі зниженням температури t (P_п = const) у якийсь момент часу ненасичене вологе повітря перетворюється на насичене (P_н=P_п). Температура, при ій відбувається це перетворення, називається температурою точки роси t_p, a j=100 P_н (t_p) / P_н (t).

Нd-діаграма вологого повітря

Нd-діаграма запропонована проф. Л.К.Рамзіним у 1918 р. В аналогічній діаграмі, побудованій Р.Мольє у 1923 р., замість d використано х = 0,001 d, кг/кг (рис.2.1). Коливаннями барометричного тиску для потрібної в техніці точності можна знехтувати.

З метою збільшення корисного поля діаграми кут між осями ентальпій і вологовмісту дорівнює 135°. Для компактності нижня частина діаграми відрізана і значення d відкладені за горизонталлю (див. рис.2.1).

З лівого нижнього кута вгору і вправо йде пучок кривих j = const. Нижня крива відповідає насиченому повітрю j = 100%, верхня j = 5 %. При t > 99,45 °C j = ¦ (d) і лінії j = const спрямовані вертикально вгору, тому що у формулі d_н=622 Р_н /(Р_б - Р_н) знаменник перетворюється на нуль. Для сухого повітря d = 0, для водяної пари d = ¥.

Нижня частина діаграми використовується для визначенння парціального тиску пари в повітрі. Значення Р_п=¦(d), кПа, відкладені внизу на правій ординаті.

 

Ізотерми вологого повітря (показники сухого термометра) - суцільні прямі, спрямовані зліва направо, із легким підйомом угору. Ізотерми мокрого термометра починаються на кривій насичення (при j = 100 %, t_м=t) і у вигляді штрихових прямих спрямовані справа наліво дещо пологіше, ніж прямі Н=const.

Початковий стан повітря (точка 0 на рис.2.1) наносять на Нd- діаграму за показниками психрометра. За допомогою діаграми (для відомого положення точки) можна знайти значення ще п¢яти параметрів вологого повітря. Наприклад, при t = 20 °C і t_м =15 °C Н_c.п= 43 кДж/кг, j=60%, t_р = 12 °C, d = 9 г/кг, Р_n = 1,4 кПа.

Вологе повітря (наприклад, у калорифері сушарки) нагрівається при d=const і зображається відрізком вертикальної лінії від початкової точки 0 до перетину ліній з ізотермою, що відповідає температурі нагрітого повітря t₁ (див. рис.2.1).

Процес охолодження зворотний нагріванню і зображується вертикальною лінією, що йде зверху вниз.

В ідеальній сушарці, що працює без втрат теплоти у навколишнє середовище, процес проходив би при Н_c.п=const, тому що теплота сушильного агента, витрачена на випаровування вологи, повертається в повітря разом з парою вологого матеріалу. В реальних умовах через втрату теплоти у навколишнє середовище процес сушіння відбувається із зменшенням ентальпії, ізотермії на Нd-діаграмі йдуть крутіше, ніж за ізоентальпією.

При t < t_р починається конденсація водяної пари чи на поверхні тіл з утворенням роси, чи в об¢ємі вологого повітря з утворенням туману (при t<0 °С можуть утворюватися відповідно іній або паморозь). При цьому вологе повітря осушується. Охолодження повітря продовжується кривою j=100 %. Із зниженням температури зменшується значення d і збільшується кількість сконденсованої вологи. Область пересичення зображена на діаграмі Мольє і відсутня на діаграмі Рамзіна. Ентальпія перенасиченого повітря (r_n>r_н) зменшується пропорційно кількості сконденсованої пари.

Опис лабораторної установки

Основними елементами установки є калорифер 2 та сушильна камера 4 (рис.2.2).

Стан вологого повітря у приміщенні визначають за показами сухого t та мокрого t_м термометрів психрометра 8. Для визначення барометричного тиску Р_б використовують барометр 9. Масову витрату повітря через установку знаходять за допомогою реометра 1 вимірюванням перепаду тиску, що виникає на каліброваному звуженні (круглий отвір), через яке тече повітря.

Через реометр повітря надходить у двоходовий калорифер - горизонтальну скляну трубу, поділену навпіл уздовж осі сталевою перегородкою і закриту з обох торців кришками. Потужність електронагрівника 3 регулюється автотрансформатором 7 і вимірюється ватметром W. За допомогою такого самого атотрансформатора (на схемі не показаний) зміною напруги, що подається на електродвигун вентилятора 6, визначають задану масову витрату повітря (її знаходять, з використанням номограми за висотою нижньої частини водяного меніска у прямій скляній трубці реометра).

Сушильна камера 4 циліндричної форми має ванну для води і поділена кільцевими поперечними перегородками на три секції. На перегородках закріплені тканинні серветки, нижні краї яких занурені у воду. Повітря, що тече від секції до секції, змінює напрямок і зволожується.

Температури на різних ділянках потоку повітря вимірюються за допомогою хромель-копелевих термопар, підключених до шеститочкового самописного потенціометра 5. Число на барабанчику біля стрілки потенціометра вказує, якій із термопар відповідає вимірювана в даний момент температура. Термопари t₁ та t₂ служать для вимірювання температур повітря відповідно на вході та виході із сушильної камери, а суха t₃ та мокра t_м4 термопари - для визначення стану вологого повітря на певній відстані від сушильної камери, тобто після часткового його охолодження.