3.2. Характерные случаи изменения состояния воздуха

В практике процессы изменения состояния воздуха протекают при выделении или поглощении тепла и влаги.

Пусть, например, воздух с начальным состоянием, характеризующимся точкой А с параметрами t_А, _А, d_А, I_А, требуется довести до состояния, характеризующегося точкой Б с параметрами t_Б, _Б, d_Б, I_Б.

Р

Рис. III.1. Тепловлажностные процессы обработки воздуха на J-d-диаграмме

ассмотрим некоторые случаи изменения состояния воздуха (рис.III.1) .

Первый случай. Воздух, характеризуемый точкой А, доводится до состояния, характеризуемого точкой Б. При этом воздухом поглощается одновременно тепло и влага, причем I_Б > I_А и d_Б > d_А. В этом случае направление искомого луча процесса будет характеризоваться отношением

и соответствовать нагреванию и увлажнению воздуха. Второй случай. Начальное состояние воздуха характеризуется той же точкой А и теми же параметрами, а конечное состояние - точкой В с параметрами I_В=I_А и d_В > d_А.

Так как процесс увлажнения воздуха проходит при постоянной энтальпии, то направление луча процесса

и соответствует изоэнтальпическому увлажнению воздуха.

Третий случай. Начальное состояние воздуха то же, а конечное состояние характеризуется точкой Г с параметрами I_Г < I_А и d_Г = d_А, т. е. процесс проходит при постоянном влагосодержании с направлением вниз будет от точки А, так как I_А > I_Г. Направление луча процесса в этом случае

.

Четвертый случай. Воздух (точка А) отдает тепло (I_Д < I_А) и влагу (d_Д < d_А), т. е. проходит процесс охлаждения и осушения воздуха. Направление луча процесса

Так как приращения тепло- и влагосодержания имеют отрицательные значения, то направление луча процесса будет от точки А к точке Д.

Пятый случай. Воздух (точка А) отдает влагу (d_Е < d_А) при постоянной энтальпии (I_Е = I_А = const), т. е. протекает процесс осушки воздуха при помощи абсорбентов. Направление луча процесса

Но так как приращение влагосодержания будет отрицательным, то направление луча процесса будет от точки А к точке Е.

Шестой случай. Воздух (точка А) подвергается нагреванию в калориферах при постоянном влагосодержании (d_Ж = d_А = const). Так как I_Ж > I_А, то направление луча процесса

Так как приращение энтальпии положительное, то направление луча процесса будет вверх от точки А.

Следовательно, лучи процессов  наглядно характеризуют тепловлажностные процессы, протекающие в кондиционируемом помещении или кондиционере.

3.3. Уравнение теплообмена между воздухом и водой

при непосредственном контакте

В оросительных камерах кондиционеров, широко применяемых для охлаждения и осушения воздуха, при отсутствии теплообмена с окружающей средой должно существовать равенство между количеством тепла, отданным воздухом, и количеством тепла, воспринятым водой, т.е.

(3.1)

где G_к – количество воздуха, проходящее через оросительную камеру, кг / ч;

I_н, I_к – начальная и конечная энтальпии воздуха, ккал / кг; W – количество воды, контактирующей с воздухом, кг / ч; с – массовая теплоемкость воды, равная 1 ккал / (кг°С); – конечная и начальная температуры воды, °С.

Разделив обе части уравнения (3.1) на G_к, получим

(3.2)

Отношение W / G_к называется коэффициентом орошения и показывает, какое количество воды, разбрызгиваемой в оросительной камере, приходится на 1 кг воздуха, проходящего через камеру.

Обозначив W / G_к через , и подставив в уравнение (3.2), получим

(3.3)

В общем случае полное количество тепла, обмененное между воздухом и водой и отнесенное к 1 м² поверхности контакта в условиях оросительных камер кондиционеров,

(3.4)

где Q_п - полное количество тепла, ккал / (м²ч); - количество явного тепла, ккал / (м²ч); - количество скрытого тепла, ккал / (м²ч).

Явный теплообмен происходит при разности температур вследствие теплопроводности, конвекции и излучения. Воздух обладает малой теплопроводностью. Теплообмен излучением в кондиционерах также незначителен и в практических расчетах не учитывается. Поэтому под явным теплообменом, происходящим в кондиционерах, в дальнейшем будем понимать только тепло, переданное конвекцией.

Скрытый теплообмен определяется теплотой парообразования и происходит в результате поглощения воздухом или выделения из него влаги вследствие разности парциальных давлений.

Тепловой поток, т. е. количество тепла, переданное конвекцией,

. (3.5)

Поток влаги, т. е. количество обмененной влаги в процессе контакта воздуха с поверхностью воды при нормальном барометрическом давлении, определится уравнением

, (3.6)

где - количество тепла, переданное от воды воздуху, ккал / (м²ч); - коэффициент конвективного теплообмена, ккал / (м²ч°С); - температура воздуха,°С;- температура поверхности воды,°С;W - количество обмененной влаги, кг/(м²- ч), - коэффициент влагообмена, кг/(м²- ч); - парциальное давление водяных паров в пограничном слое воздуха у поверхности воды, мм рт.ст.;- парциальное давление водяных паров в пограничном слое воды, мм рт.ст.

Так как парциальное давление водяных паров в воздухе является однозначной и почти линейной функцией его влагосодержания, в дальнейшем удобнее пользоваться не разностью парциальных давлений, а разностью влагосодержаний.

Поскольку кондиционеры работают в области сравнительно низких температур (в пределах до 20°С), можно приближенно принять

Подставив в уравнение (3.6), получим количество обмененной влаги в процессе контакта воздуха с поверхностью воды

(3.7)

где - влагосодержание в основной массе воздуха;- влагосодержание воздуха в пограничном слое, т. е. при температуре, равной температуре поверхности воды и при полном насыщении воздуха водяными парами;

. (3.8)

Количество скрытого тепла, обмененного между воздухом и водой, составит

, (3.9)

где r = 597,3 - 0,56t_W – теплота испарения воды при t_W, ккал / кг.

В результате такого влагообмена при t_W > t_в будет происходить испарение воды в воздух, а при t_W< t_в – конденсация на поверхности воды водяного пара из воздуха.

Полное количество тепла, переходящее от воды к воздуху при t_W > t

. (3.10)

В тех случаях, когда t_W < t_в и тепло переходит от воздуха к воде, полное количество тепла

.

или

. (3.11)

Уравнение (3.11) может применяться во всех случаях, если условно считать тепловой поток от воздуха к воде положительным, а от воды к воздуху - отрицательным.

Для процессов изоэнтальпического увлажнения воздуха американским ученым Льюисом получен вывод о постоянстве отношения между коэффициентами тепло- и влагообмена и о равенстве этого отношения массовой теплоемкости влажного воздуха, т. е.

(3.12)

В дальнейшем этот вывод был распространен и на другие процессы при непосредственном контакте воздуха и воды.

Результаты исследования различных контактных аппаратов показали, что в определенных условиях соотношение (3.12) применительно к средним по поверхности контакта значениям коэффициентов тепло- и массообмена не соблюдается.

Подставив значения r и из уравнения (3.12) в уравнение (3.11), получим

^.

или

, (3.13)

где - энтальпия влажного воздуха соответственно при.

Слагаемое по сравнению сочень незначительно (около 0,5%). Поэтому уравнение (3.13) можно представить в виде

. (3.14)

Уравнения (3.13) и (3.14) позволяют определить только энтальпию воздуха после его обработки, т. е. один из двух параметров, минимально необходимых для характеристики состояния воздуха. Для определения второго параметра воздуха исходим из следующего: если количество воздуха G_к с I_в и d_в вступает в контакт с водяной поверхностью, имеющей температуру t_W, то для данного процесса действительны уравнения

и

Разделив левую и правую части первого уравнения на соответствующие части второго, получим

(3.15)

Уравнение (3.15) в координатах I-d-диаграммы влажного воздуха определяет угловой коэффициент  прямой, проходящей через точку с параметрами I_в, d_в характеризующую начальное состояние воздуха, и через точку параметрами I_W, d_W характеризующую состояние воздуха при температуре воды параметрами d_W и относительной влажности  = 100% .

Кроме того, из уравнения (3.15) вытекает, что в случаях непосредственного взаимодействия воздуха с водой при t_W = const процесс изменения состояния воздуха изображается на I-d-диаграмме отрезком прямой, которая определяет процесс изменения состояния воздуха во время его взаимодействия с водой.

В приведенных выводах исходят из того, что за время взаимодействия воздуха с водой энтальпия I_W и влагосодержание d_W являются постоянными. В реальных условиях (в оросительных камерах конди­ционеров) температура воды изменяется в пределах 3-4°С, и линия, отображающая процесс тепловлагообмена на I-d-диаграмме, будет иметь некоторую кривизну. Однако в пределах тех небольших изменений температур воды t_W, с которыми приходится иметь дело в практике кондиционирования воздуха, указанными изменениями можно пренебречь.