Раздел 4. Лабораторный практикум

4.1. Лабораторная работа № 1 Определение влажности воздуха и исследование изменения параметров воздуха в процессе подогрева и увлажнения

Лабораторная работа дисциплины «Теплогазоснабжение с основами теплотехники», продолжительность работы, 2 часа; самостоятельная подготовка, 2 часа

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является экспериментальное определение параметров атмосферного воздуха, исследование изменения параметров влажного воздуха в процессах его подогрева и увлажнения с последующим изображением этих процессов в Н–d диаграмме влажного воздуха, освоение Н–d диаграммы влажного воздуха, расчет параметров и процессов влажного воздуха.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА

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 [3]. В таком случае к влажному воздуху можно применить закон Дальтона, т. е. давление p влажного воздуха равно:

(4.1)

где и – соответственно, парциальные давления сухого воздуха и

водяного пара в смеси, Па.

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

Рассмотрим различные состояния пара во влажном воздухе [3, 17] с помощью диаграммы (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Диаграмма водяного пара во влажном воздухе: ---- – изотермы

Пусть состояние пара соответствует т. 1. В этом случае температура влажного воздуха (и температура пара, равная ей) меньше, чем – температура насыщения при давлении , а парциальное давление пара в воздухе меньше, чем давление насыщения при температуре .

Очевидно, что водяной пар, входящий во влажный воздух, будет в данном случае перегретым. Абсолютная влажность воздуха при этом равна , где – удельный объем пара, показанный на диаграмме.

Влажный воздух, содержащий перегретый водяной пар, называют ненасыщенным, потому что его абсолютная влажность может быть и больше, чем .

Действительно, перемещая т. 1 вверх по изотерме можно уменьшать и, следовательно, увеличивать . Максимально возможное содержание водяного пара в воздухе при температуре будет в том случае, когда парциальное давление пара станет равным (точка 2, рисунок 4.1).

В этом случае абсолютная влажность воздуха будет равна плотности сухого насыщенного пара при давлении и температуре , т. е. . Такой влажный воздух называют насыщенным, он представляет собой смесь воздуха и сухого насыщенного пара.

Как видно из диаграммы (рисунок 4.1), с повышением температуры насыщенного влажного воздуха парциальное давление пара в нем возрастает (перемещение т. 2 по линии вверх) и при давление достигнет .Этот случай (т. 3) интересен тем, что смесь будет представлять собой лишь сухой насыщенный пар, воздух в смеси отсутствует (), плотность равна при параметрах и .

Далее, если влажный воздух имеет температуру (т. 4), то пар в таком воздухе всегда перегрет, а состояние насыщения не достигается даже, если смесь будет состоять из одного пара. Таким образом, максимальное содержание пара во влажном воздухе будет характеризоваться при точкой 5. Абсолютная влажность воздуха определяется в этом случае, как плотность перегретого пара при давлении и температуре .

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 .

В процентах относительная влажность воздуха определяется выражением:

. (4.2)

При величина представляет собой плотность сухого насыщенного пара при данной температуре, т. е. , а при – плотность перегретого пара при данной температуре и давлении смеси .

В качестве допущения в расчетах можно принять, что пар во влажном воздухе является идеальным газом. Поэтому пар подчиняется основным газовым законам и, в том числе, закону Бойля-Мариотта:

. (4.3)

Следовательно, имеем при

, (4.4) а при справедливо выражение:

, (4.5)

где – суммарное давление влажного воздуха (формула 4.1).

Рисунок 4.2 – Процесс нагревания и охлаждения ненасыщенного влажного воздуха в диаграмме

Если ненасыщенный воздух, состояние пара в котором определяется точкой 1 (рисунок 4.2), нагревать при постоянном давлении, то давление насыщения будет увеличиваться, а поскольку парциальное давление пара остается неизменным, относительная влажность будет уменьшаться до тех пор, пока температура воздуха не достигнет (т. 2), а давление насыщения не станет равным [3].

Наоборот, если этот воздух (т. 1) охлаждать при постоянном давлении, то будет уменьшаться, а относительная влажность – соответственно увеличиваться. При значении получим (т. 3), т. е. воздух станет насыщенным. Дальнейшее охлаждение приведет к конденсации пара и выделению влаги из смеси в виде росы.

Температура, при которой влажность равна единице (), называется температурой точки росы и обозначается . Чем выше парциальное давление пара , тем выше температура .

Параметры влажного воздуха, легко определяются графическим путем при помощи Н,d – диаграммы влажного воздуха, предложенной в 1918 г. Л.К. Рамзиным (рисунок 4.3). В ней по оси абсцисс откладывается влагосодержание влажного воздуха d в г/кг, а по оси ординат – энтальпия H в кДж/кг. И то, и другое отнесено к 1 кг сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе.

Для удобства расположения линий на диаграмме координатные оси проведены под углом 135° и значения d снесены на горизонталь. На диаграмме H,d нанесены линии , и представлена в графической форме зависимость , причем значения парциального, давления (мм. рт. ст.) отложены справа на оси ординат.

Рисунок 4.3 – Диаграмма влажного воздуха

Процесс подогрева или охлаждения влажного воздуха изображается на этой диаграмме, как процесс при постоянном влагосодержании (d = const), а процесс сушки (увлажнения воздуха) – как процесс с постоянной энтальпией (Н = const). Диаграмма дает возможность по двум каким-либо параметрам влажного воздуха (обычно и ) определить и . По этой диаграмме можно также найти и точку росы. Для этого нужно из точки, характеризующей данное состояние воздуха, провести вертикаль () до пересечения с линией . Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки [3] представлена на рисунке 4.4. Вентилятором 1 воздух из помещения направляется в испарительную камеру 3, где происходит его увлажнение. В камере 3 происходит насыщения воздуха влагой. Относительная влажность воздуха до и после камеры 3, определяется с помощью психрометров.

Рисунок 4.4 – Схема экспериментальной установки: 1 – вентилятор; 2 – электронагреватель; 3 – камера увлажнения воздуха; 4 – психрометр; 5 – реостат

Психрометры представляют собой сочетание двух термометров – «сухого» и «мокрого», шарик которого постоянно увлажняется. Конструкция простейшего психрометра представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Конструкция простейшего психрометра

МЕТОДИКА

В основу методики положен психрометрический метод, сущность которого состоит в следующем. По показаниям психрометров определяется температура по «сухому» термометру и температура по мокрому термометру. С помощью психрометрического графика (рисунок 4.6) и диаграммы (рисунок 4.7) определяются основные параметры влажного воздуха () и анализируются их изменение в процессах подогрева (охлаждения) и увлажнения.

Рисунок 4.6 – Психрометрический график

Рисунок 4.7 – Диаграмма влажного воздуха

При нагревании воздуха его влагосодержание не изменяется (d=const), а энтальпия возрастает. Следовательно, процесс нагрева на H–d диаграмме изображается прямой АВ (рисунок 4.7).

В процессе увлажнения (сушка материала) теплота воздуха, затраченная на кипение влаги, возвращается вместе с паром воздуху. При этом увлажнении энтальпия H воздуха остается постоянной и в H–d диаграмме процесс изображается прямой ВС, параллельной линии H=const (рисунок 4.7).

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Включается вентилятор и электронагреватель. Установка прогревается и после достижения стационарного режима (о чем можно судить по постоянству показаний термометров) делаются отсчеты по психрометрам. Отсчеты повторяются пять раз через равные промежутки времени, результаты измерений заносятся в таблицу 4.1.

Таблица 4.1_ Результаты измерений

№ пп	Психрометр №1		Психрометр №2		Психрометр №3
	,о С	, о С	, о С	, о С	, о С	, о С
1
…
n

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

По окончании эксперимента вычисляются средние значения измеренных величин. Используя показания «мокрого» и «сухого» термометров и по графику (рисунок 4.6) определяется влажность воздуха φ в местах установки психрометров. По и φ с помощью H–d диаграммы определяются и . Все эти параметры определяются для воздуха в установке до и после камеры 3. Затем в H–d диаграмме строятся процессы подогрева (охлаждения) и увлажнения воздуха. Полученные графические зависимости необходимо сравнить с теоретическими процессами АВ и ВС.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое абсолютная влажность, относительная влажность, влагосодержание?

2. Каково устройство и принцип работы экспериментальной установки?

3. Почему процесс в камере увлажнения протекает при H=const?

4. Как определить относительную влажность с помощью психрометра и психрометрической таблицы (графика)?

5. Как определяются параметры влажного воздуха по H–d диаграмме?

6. Почему показания «мокрого» термометра ниже, чем «сухого»? Всегда ли это так?

7. В обычном атмосферном воздухе содержатся пары воды. Температура воздуха 20 ^оС. Почему при этом пар не конденсируется? Ведь температура конденсации пара при атмосферном давлении 100^о С?

8. Может ли конденсироваться пар при названных в вопросе 7 условиях? Если да, то когда и почему?

9. Что означает выпадение тумана с точки зрения процессов влажного воздуха?

10. Что означает выпадение росы с точки зрения процессов влажного воздуха?

11. Почему испаряется вода выпавшего дождя? Но почему тогда дождь выпадает?