Для сушки материалов в качестве теплоносителей и влагоносителей чаще всего используется нагретый в калорифере воздух или смешанные с воздухом топочные газы. Учитывая,что смесь топочных газов с атмосферным воздухом по своим теплофизическим свойствам мало отличается от нагретого влажного воздуха, будем рассматривать важнейшие характеристики влажного воздуха.
Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара. Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами:
Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг,
Относительная влажность , или степени насыщения воздуха () называется отношение массы водяного пара в 1м 3 влажного воздуха () к максимально возможной массе водяного пара в 1м 3 воздуха (плотности насыщенного пара) при тех же условиях (t, P).
При увеличении температуры (плотность насыщенного пара) возрастает быстрее, чем(плотность пара), т.о. при нагревании относительная влажность уменьшается.
Влагосодержание - это количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха.
где и-масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг.
Согласно уравнению Менделеева-Клайперона,
Подставляя эти значения в формулу для (x) влагосодержания, получим
Молекулярная масса паров воды (18)
Молекулярная масса сухого воздуха (29)
Отношение18/29=0,622
По закону Дальтона,
общее давление газовой смеси (Р) будет
равно сумме парциальных давлений
компонентов, т.е. для нашего случая
,
учитывая, что,
тогда
,
где - давление насыщения
Барометрическое давление
Теплосодержание или энтальпия влажного воздуха выражается суммой энтальпий 1кг сухого воздуха () и водяных паров () содержащихся в нем.
т.к. теплоемкость
воздуха
,
а теплоемкость водяного пара
.
Водяной пар находится в процессе сушки
в перегретом состоянии в смеси с воздухом,
тогда
Энтальпия перегретого пара при 0 0 С (=2493 кДж/кг)
Температура сухого термометра - обозначается буквой (или),это та температура, которая вокруг нас.
Температура мокрого термометра - температура адиабатического насыщения (т.е. без теплообмена с окружающей средой) или это температура испарения воды со свободной поверхности (обозначается ).
Потенциал сушки - обозначается (ж) это разность между температурой воздуха () и температурой мокрого термометра (), характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала.
Температура точки росы () -это температура насыщения воздуха при постоянном влагосодержании.
Парциальное давление влаги - это давление, которое бы создавали пары влаги, если бы эти пары занимали объем,занимаемый паро-воздушной смесью.
Основные приборы, с помощью которых измеряют параметры воздуха: (барометры, термометры, психрометры, гигрометры, самопишущие приборы- барографы, термографы).
Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются , то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением . Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.
Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие :
- плотность;
- теплоемкость;
- температура;
- влагосодержание;
- парциальное давление водяного пара;
- относительная влажность;
- температура точки росы;
- энтальпия (теплосодержание);
- температура по мокрому термометру.
Под воздействием различных факторов может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается , то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется , и это приводит к возникновению конвективных течений : происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха както повышает свою температуру.
Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.
Более менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов : струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары, в отличие от других составляющих смеси, могут находиться в воздухе, как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Содержание водяных паров в воздухе изменяется, как в процессе влажностной обработки его в приточных вентиляционных системах и кондиционерах, так и при ассимиляции воздухом выделений влаги в помещении. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит (по объёму): около 75% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов- аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и других. Указанные компоненты газовой смеси воздуха составляют его сухую часть, прочая часть воздушной массы это водяные пары.
Воздух рассматривается как смесь идеальных газов , что позволяет использовать законы термодинамики для получения расчётных формул.
Согласно закону Дальтона, каждый газ смеси, составляющий воздух, занимает свой объём, имеет своё парциальное давление
P i ,
и имеет одинаковую температуру с другими газами этой смеси.
Внимание! Важное определение:
Сумма парциальных давлений каждого из составляющих смеси равна полному барометрическому давлению воздуха.
B = Σ Р i , Па.
Рассмотрим понятие, что такое парциальное давление ?
Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав этой смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объёме и при той же температуре, что и в смеси.
В расчётах вентиляции влажный воздух мы рассматриваем как бинарную смесь, т.е. смесь двух газов, которая состоит из водяных паров и сухой части воздуха. Сухую часть воздуха мы условно принимаем однородным газом.
Таким образом, барометрическое давление равно сумме парциальных давлений сухого воздуха P с.в. и водяного пара P п , т.е.,
B = P с.в. +P п
При обычных условиях в помещении, когда давление водяного пара Р п приблизительно равно 15 мм. рт. ст., доля второго члена P с.в. в формуле барометрического давления, учитывающая разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составляет всего 0,75% величины плотности сухого воздуха ρ с.в. . Поэтому в наших инженерных расчётах считается, что
ρ возд. = ρ с.в.
ρ возд. = ρ с.в.
При изменении влажности воздуха в вентиляционных процессах масса его сухой части остаётся неизменной. Исходя из этого, принято относить массу водяных паров, содержащихся в воздухе, к 1 кг. сухой части воздуха.
Перейдём непосредственно к тем физическим величинам, которые определяют параметры влажного воздуха. Именно совокупность этих параметров определяет состояние влажного воздуха:
это величина, характеризующая степень нагретости тела . Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. В настоящее время используется температурная шкала Цельсия и термодинамическая шкала температур Кельвина, которая основана на втором законе термодинамики. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется соотношение, а именно:
T, K = 273,15 + t °C
Важно отметить, что параметром состояния является абсолютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу Цельсия, т.е.
dT = dt.
Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нём водяного пара. Массу водяного пара в граммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг.
Величина d равна:
где: B
– барометрическое давление, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха.
P с.в.
и водяного пара P п
;
P п
– парциальное давление водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе.
Величина φ равна отношению парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе P п. к парциальному давлению водяного пара в насыщенном влажном воздухе P н.п. при одной и той же температуре и барометрическом давлении, т.е.,
При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом , а водяные пары, содержащиеся в этом воздухе, находятся в насыщенном состоянии.
Если φ < 100%, то воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии и его называют ненасыщенным влажным воздухом .
Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его величину определяют экспериментальным путём и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Pн.п. в Па или в мм. рт. ст . от температуры в t °C .
Например, для области положительных температур от 0°C и выше давление насыщенного водяного пара в Па, приблизительно выражается зависимостью:
P н.п. = 479 + (11,52 + 1,62 t) 2 , Па
Пользуясь понятием относительной влажности φ , влагосодержание воздуха можно определить как
Для вентиляционных процессов диапазон температур это величина постоянная и равна
С с.в. = 1,005 кДж/(кг ×°C).
В обычных для вентиляционных процессов в диапазоне температур эту величину можно считать постоянной и равной
С п = 1,8 кДж/(кг × °C).
J с.в. = С с.в. × t ,
где: t – температура воздуха, в °C.
Энтальпию сухого воздуха J с.в. при t = 0°C принимают равной 0.
для воды при t = 0°C равна 2500 кДж/кг .
в воздухе при произвольной температуре t , составляет
J п = 2500 + 1,8 t.
складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара.
Энтальпия J влажного воздуха, отнесённая к 1 кг сухой части влажного воздуха, в кДж/кг , при произвольной температуре t и произвольном влагосодержании d , равна:
где: 1,005
– C с.в. теплоёмкость сухого воздуха, _кДж/(кг×°С)
;
2500
– r
удельная теплота парообразования, кДж/(кг×°С)
;
1,8
– C п
теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг×°С)
.
Если воздух передаёт явное тепло , он нагревается, т.е. его температура повышается. При нагревании влажного воздуха энтальпия изменяется в результате изменения температуры сухой части воздуха и водяных паров. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой от внешних источников (изотермическое увлажнение паром), ему передаётся скрытая теплота парообразования. Энтальпия влажного воздуха при этом также возрастает, потому что к энтальпии сухой части воздуха прибавляется энтальпия водяного пара. Температура воздуха при этом почти не меняется, что и послужило причиной введения этого термина — скрытая теплота.
В общем случае, энтальпия влажного воздуха состоит из явной и скрытой теплоты, поэтому энтальпию иногда называют полной теплотой.
Для дальнейших расчётов систем вентиляции и кондиционирования нам потребуются следующие основные параметры влажного воздуха:
- температура t в , °С ;
- влагосодержание d в , г/кг ;
- относительная влажность φ в , % ;
- теплосодержание J в , кДж/кг ;
- концентрация вредных примесей С , мг/м 3 ;
- скорость движения V в , м/сек.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Методические указания
для студентов специальностей 280201
дневной и заочной форм обучения
Саратов 2009
Цель работы : углубление знаний по разделу технической термодинамики «Влажный воздух», изучение методики расчета параметров влажного воздуха и получение навыков в работе с измерительными приборами.
В результате работы должно быть усвоено:
1) основные понятия о влажном воздухе;
2) методика определения параметров влажного воздуха по
расчетным зависимостям;
3) методика определения параметров влажного воздуха по
I-d-диаграмме.
1) определить значение параметров влажного воздуха по
расчетным зависимостям;
2) определить параметры влажного воздуха с помощью
I-d-диаграммы;
3) составить отчет о выполненной лабораторной работе.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим воздухом. В природе сухой воздух не встречается, так как атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.
Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Влажный воздух широко используется в сушильных и вентиляционных установках, устройствах кондиционирования воздуха и т. д.
Характерная особенность процессов, протекающих во влажном воздухе, заключается в том, что количество водяного пара, содержащегося в воздухе, изменяется. Пар может частично конденсироваться и, наоборот, вода испаряется в воздух.
Смесь, состоящая из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называется ненасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление пара рп в смеси меньше давления насыщения рн, соответствующего температуре влажного воздуха (рп<рн). Температура пара выше температуры его насыщения при данном парциальном давлении.
Смесь, состоящая из сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара, называется насыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара в смеси равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха. Температура пара равна температуре конденсации при данном парциальном давлении пара.
Смесь, состоящая из сухого воздуха и влажного насыщенного водяного пара (то есть в воздухе имеются частицы сконденсированного пара, находящиеся во взвешенном состоянии и выпадающие в виде росы), называется перенасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха, которая равна в данном случае температуре конденсации находящегося в нем пара. В этом случае температура влажного воздуха называется температурой точки росы t р . Если парциальное давление водяного пара окажется по каким-либо причинам больше давления насыщения, то часть пара сконденсируется в виде росы.
Основными показателями, характеризующими состояние влажного воздуха, являются влагосодержание d , относительная влажность j , энтальпия I и плотность r .
Расчет параметров влажного воздуха производится с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона для идеального газа, которому с достаточным приближением подчиняется влажный воздух. Рассматриваем влажный воздух как газовую смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара.
Согласно закону Дальтона, давление влажного воздуха р равно:
где рв - парциальное давление сухого воздуха, Па;
рп - парциальное давление водяного пара, Па.
Максимальное значение парциального давления водяного пара равно давлению насыщенного водяного пара рн, соответствующего температуре влажного воздуха.
Количество водяного пара в смеси в кг, приходящееся на 1 кг сухого воздуха, называется влагосодержанием d , кг/кг:
https://pandia.ru/text/78/602/images/image003_38.gif" width="96" height="53">, так как , то ; (3)
Так как , то , (4)
где V – объем газовой смеси, м3;
R в , R п – газовые постоянные воздуха и водяного пара, равные
R в =287 Дж/(кг×К), R п =461 Дж/(кг×К);
Т – температура влажного воздуха, К.
Учитывая, что
, и, подставляя выражения (3) и (4) в формулу (2), окончательно получаем:
DIV_ADBLOCK64">
Относительной влажностью j называется отношение плотности пара (то есть абсолютной влажности r п ) к максимально возможной абсолютной влажности (плотности r п max ) при данной температуре и давлении влажного воздуха:
Так как r п и r п max определяются при той же температуре влажного воздуха, то
https://pandia.ru/text/78/602/images/image013_6.gif" width="107" height="31"> . (8)
Плотность сухого воздуха и водяного пара определяется из уравнения Менделеева-Клапейрона, записанного для данных двух компонентов газовой смеси по (3) и (4).
R находится по формуле:
https://pandia.ru/text/78/602/images/image015_6.gif" width="175" height="64 src=">.
Энтальпия влажного воздуха I представляет собой сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:
I = i в + d × i п . (11)
Энтальпия сухого воздуха и пара:
https://pandia.ru/text/78/602/images/image017_4.gif" width="181" height="39"> , (13)
где t м – показания мокрого термометра, °С;
(tc - t м ) – психрометрическая разность, °С;
х – поправка к температуре мокрого термометра, %, определяется
по графику, расположенному на стенде, в зависимости от t м и скорости
Для определения давления влажного воздуха используется барометр .
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерить температуру сухого и мокрого термометров. Определить истинную величину температуры мокрого термометра по формуле (13). Найти разность D t = tc - t м ист и по психрометрической таблице определить относительную влажность воздуха.
Зная величину относительной влажности, из выражения (7) найти парциальное давление водяного пара.
по (12), (13).
Удельный объем влажного воздуха находится по формуле:
Массу влажного воздуха М , кг, в помещении лаборатории определяют по формуле:
где V – объем помещения, м3;
р – давление влажного воздуха, Па.
Результаты расчетов и показания приборов занести в таблицу по следующей форме.
Протокол записи показаний измерительных приборов
и результатов вычислений
Наименование определяемой величины | Обозначение | Размерность | Численная величина |
|
Давление влажного воздуха | ||||
Температура сухого термометра | ||||
Температура мокрого термометра | t м | |||
Относительная влажность воздуха | ||||
Давление насыщенного пара | ||||
Парциальное давление водяного пара | ||||
Парциальное давление сухого воздуха | ||||
Плотность влажного воздуха | ||||
Абсолютная влажность | r п | |||
Газовая постоянная влажного воздуха | ||||
Энтальпия влажного воздуха | ||||
Масса влажного воздуха |
Далее следует определить основные параметры влажного воздуха по замеренным tc и t м при помощи I-d-диаграммы. Точка пересечения на I-d-диаграмме изотерм, соответствующих температурам мокрого и сухого термометров, характеризует состояние влажного воздуха.
Сопоставить данные, полученные по I-d-диаграмме, с величинами, определенными с помощью математических зависимостей.
Максимальная возможная относительная погрешность определения парциального давления водяного пара и сухого воздуха определяется по формулам:
https://pandia.ru/text/78/602/images/image022_2.gif" width="137" height="51">; 
,
где через D обозначен предел абсолютной погрешности измерения
Предел абсолютной погрешности гигрометра в данной лабораторной работе составляет ±6%. Абсолютная допускаемая погрешность термометров психрометра составляет ±0,2%. В работе установлен барометр с классом точности 1,0.
ОТЧЕТ О РАБОТЕ
Отчет о выполненной лабораторной работе должен содержать
следующее:
1) краткое описание работы;
2) протокол записи показаний измерительных приборов и
результатов вычислений;
3) рисунок с I-d-диаграммой, где определено состояние влажного
воздуха в данном эксперименте.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется влажным воздухом?
2. Что называется насыщенным и ненасыщенным влажным воздухом?
3. Закон Дальтона применительно к влажному воздуху.
4. Что называется температурой точки росы?
5. Что называется абсолютной влажностью?
6. Что называется влагосодержанием влажного воздуха?
7. В каких пределах может изменяться влагосодержание?
8. Что называется относительной влажностью воздуха?
9. В I-d-диаграмме покажите линии j=const, I=const; d=const, tс=const, tм=const.
10. Чему равна максимально возможная плотность пара при данной температуре влажного воздуха?
11. Чем определяется максимально возможное парциальное давление водяного пара во влажном воздухе и чему оно равно?
12. От каких параметров влажного воздуха зависит температура мокрого термометра и как она изменяется при их изменении?
13. Как можно определить парциальное давление водяного пара в смеси, если известны относительная влажность и температура смеси?
14. Написать уравнение Менделеева-Клапейрона для сухого воздуха, водяного пара, влажного воздуха и объяснить все входящие в уравнение величины.
15. Как определить плотность сухого воздуха?
16. Как определить газовую постоянную и энтальпию влажного воздуха?
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляшков основы теплотехники / . М.: Высшая школа, 20с.
2. Зубарев по технической термодинамике / , . М.: Энергия, 19с.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсам «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплотехника»
Составили: СЕДЕЛКИН Валентин Михайлович
КУЛЕШОВ Олег Юрьевич
КАЗАНЦЕВА Ирина Леонидовна
Рецензент
Редактор
Лицензия ИД № 000 от 14.11.01
Подписано в печать Формат 60x84 1/16
Бум. тип. Усл.-печ. л. Уч.-изд. л.
Тираж экз. Заказ Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
Копипринтер СГТУ, 7