ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Цель работы

Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и процессов изменения параметров влажного воздуха.

Основные положения

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов процессов сушки влажных материалов и изделий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.

Закон Дальтона формулируется так: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, как если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси:

                                                                                                             (1)

где В − барометрическое давление; рв и рп − парциальные давления, соответственно, сухого воздуха и водяного пара.

Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано как для сухого воздуха, так и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в следующем виде:

pV = mRT                                                         (2)

или для 1 кг рабочего тела:

                                                      pv = RT                                                   (3)

где р − парциальное давление компонента, Па; V − объем газовой смеси, м³; m − масса газа, кг; R − характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг·град); Т − абсолютная температура, К;  v − удельный объем газа, м³/кг.

Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено по-разному: через абсолютную или относительную влажность, или влагосодержание.

Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1 м³ влажного воздуха. Так как объем водяного пара в 1 м³ влажного воздуха также составляет 1 м³, то можно сказать, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара в смеси ρп, кг/м³. Таким образом, абсолютная влажность представляет собой объемную концентрацию пара. Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к насыщению зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше движущая сила процесса сушки, определяемая разностью парциальных давлений паров растворителя над материалом и в окружающем воздухе. Влага переходит из материала в воздух до наступления состояния равновесия. При насыщении воздух не поглощает влагу, и избыточная влага начинает конденсироваться. Поэтому в процессе сушки очень важно знать способность воздуха к насыщению, которая характеризуется относительной влажностью  φ.

Относительная влажность - это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха или газа к концентрации водяного пара насыщенного воздуха или газа при одинаковых температурах и давлениях, т. е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре и том же барометрическом давлении:

                                                                  (4)

где ρп − плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м³;                     ρн − плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м³.

Относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что

водяной пар является идеальным газом, составляет приблизительно 1,5%, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность воздуха при температуре t менее 100°С:

                                                  =                                                         (5)

При температуре выше 100°С относительная влажность определяется по формуле:

                                            =                                               (6)

где В − барометрическое давление, Па; = – плотность пара в состоянии насыщения, кг/м³.

Для абсолютно сухого воздуха, когда рп = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для воздуха, насыщенного водяными парами, рп = рн и φ= 1. Поэтому можно сказать, что относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.

Влагосодержание воздуха. Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящаяся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха:

                            ,г/кг сух.воз.                                              (7)

где Мп и Мв — соответственно массы водяного пара и сухого газа, кг.

Используя уравнение состояния (2) для влажного воздуха, запишем:

                         , г/кг сух.воз.                                              (8)

Величина В, входящая в формулу, зависит от географического положения местности (для центральных частей России В ≈ 745 мм рт. ст.). Влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяною пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха (φ = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает.

Энтальпию I влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму  энтальпии сухого воздуха и перегретого водяного пара :

                          , кДж/кг                                              (9)

где hв = 1,006·t – энтальпия сухого воздуха, (1,006 – средняя удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг·K); hп = (2500+1,97·t) – энтальпия водяного пара, равная сумме его энтальпии при 0°С и тепла перегрева от 0° до t (1,97 – средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, кДж/(кг · K)).

Таким образом, энтальпия влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле:

                  , кДж/кг                             (10)

Из этой формулы видно, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.

Температура точки росы является одной из характеристик влажного воздуха. По этой температуре можно определить относительную влажность воздуха. Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным. При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы (φ = 1). Парциальное давление водяного пара рп равно давлению в состоянии насыщения рн. Температуру точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении насыщения рн или по I−d диаграмме влажного воздуха (рис. 3).

Схема и описание установки

Лабораторная установка (рис. 1) состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 5 и так называемого мокрого 4. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный баллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды.

Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компрессором 2 создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 9 по показаниям U-образного вакуумметра 10. При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tс, а мокрый − температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tм. Причем, чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tс − tм).

Рис. 1. Схема лабораторной установки

.

Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6. В работе предусмотрена возможность изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также изменение влагосодержания путем впрыскивания в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12.

Выполнение работы

Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима – положение заслонки 8 (деления в диапазоне 40 – 90),  кнопки «Подача пара» в диапазоне 0-100%. Затем включить установку нажатием на зеленую кнопку  компрессора  и установить положение ползунка на панели   «Нагрев воздуха» ( деления в диапазоне 0 - 10)  Подождать установления стационарного режима, после чего зафиксировать показания всех приборов. Далее установить параметры следующего режима. По окончании измерений переписать данные в табл. 1.