Контрольные вопросы

1. Какой пар называется влажным, сухим насыщенным?

2. Что такое степень сухости?

3. В чем заключается метод экспериментального определения степени сухости?

4. Что такое удельная теплота парообразования и как она графически изображается на диаграмме Т-s?

5. Изобразить на диаграмме Т-s основные термодинамические процессы и линии постоянной степени сухости.

Исследование влажного воздуха

Цель работы: знакомство с основными характеристиками влажного воздуха и приобретение навыков работы с Н-d диаграммой состояния влажного воздуха.

Общие положения

Влажный воздух - это смесь сухого воздуха с водяным паром. Водяной пар в воздухе может быть в насыщенном или в перегретом состоянии. В соответствии с этим различают:

1. Насыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром.

2. Ненасыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром.

При атмосферном давлении и температурах 300-400 К плотность компонентов влажного воздуха мала, и его можно рассматривать как смесь идеальных газов: сухого воздуха и пара. Для каждого компонента справедливо уравнение состояния:

р_П = ρ_П ∙ R_П · Т, (1)

р_В = ρ_В ∙ R_В · Т, (2)

где р - парциальное давление компонента (индексы «п» и «в» соответствуют пару и сухому воздуху);

R - удельная газовая постоянная (R_П = 462 Дж/(кг·К); R_В = 287 Дж/(кг·К);

ρ - плотность. кг/м;

Т - температура, К (одинаковая для пара и воздуха).

В соответствии с законом Дальтона:

р_П + р_В = р_АТМ (3)

где р_АТМ - атмосферное давление (фактически влажного воздуха).

Е сли понижать температуру ненасыщенного влажного воздуха, сохраняя его давление постоянным, то можно достигнуть состояния насыщения (это видно из р-v диаграммы водяного пара на рис.1.) При этом перегретый водяной пар, имеющий температуру t₁ (точка 1 на рис.1) будет охлажден до температуры t₂, для которой давление пара соответствует состоянию насыщения (точка 2). При дальнейшем понижении температуры из воздуха будет выпадать влага и уменьшаться парциальное давление пара. Температура, при которой давление р_П становится равным давление насыщения, называют точкой росы.

Основными параметрами, определяющими состояние влажного воздуха, являются: температура t_С (по сухому термометру), барометрическое давление, влагосодержание d, энтальпия H. Кроме этих параметров, часто используют такие, как температура мокрого термометра t_М, температура точки росы t_Р, относительная влажность φ, абсолютная влажность α и другие.

Абсолютная влажность - это плотность пара во влажном воздухе. Из уравнения (1) получаем:

(4)

Относительная влажность φ, % - это отношение абсолютной влажности воздуха к максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре. Относительная влажность определяет близость влажного воздуха к насыщенному. С учетом (4):

(5)

Влагосодержание d - отношение массы водяного пара, содержащегося в некотором количестве влажного воздуха, к массе сухого воздуха. С учетом формул (1, 2, 3):

(6)

Очевидно, размерность влагосодержания: кг/кг, т.е. (кг пара)/(кг сухого воздуха). Из формулы (6) ясно, что d ограничена сверху значением:

. (7)

Для удобства влагосодержание обычно выражают в г/кг. При этом численное значение увеличивается в 1000 раз:

(8)

Температура сухого термометра t_С – это температура, измеренная обычным термометром.

Температура мокрого термометра t_М. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный шарик обернут тканью, смоченной водой. Температура измеряется в потоке воздуха. Показание мокрого термометра ниже показания сухого термометра из-за отбора теплоты на испарение влаги в фитиле.

Температура точки росы - это температура, до которой нужно охладить ненасыщенный влажный воздух при постоянном давлении и влагосодержании, чтобы он стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха происходит конденсация пара. При температуре точки росы воздух содержит всю влагу, которую может содержать при данной температуре.

H - d (I – d) диаграмма влажного воздуха

По координатным осям диаграммы откладываются значения энтальпии и влагосодержания (рис 2). Угол между направлением осей может быть выбран произвольно (обычно 135 º). Это позволяет в крупном масштабе показать область ненасыщенного воздуха. Для удобства пользования под углом 90º к оси энтальпий проводят условную ось влагосодержаний.

Состояние влажного воздуха полностью определяется двумя параметрами, в качестве которых удобно выбрать легко измеряемые величины: t_С и t_М. Два термометра - сухой и мокрый - образуют психрометрическую пару. Измерив температуры, можно определить другие параметры воздуха по специальным таблицам или с помощью диаграммы Н-d.

Линии постоянной энтальпии (H = const) проходят под углом 135 º к оси ординат, а линии влагосодержания (d = const) параллельно оси ординат.

Линии температуры сухого термометра - прямые (почти параллельные друг другу) линии с наклоном вверх.

Л инии температуры мокрого термометра наносятся пунктиром и имеют вид прямых, наклон которых близок к наклону линий Н=const.

Изотермы сухого и мокрого термометров с одинаковыми температурами пересекаются на линии насыщения φ=100%

Кривые относительной влажности. Каждая кривая построена для определенной величины относительной влажности. Кривая постоянной влажности φ=100% (линия насыщения) делит диаграмму на две части: выше ее расположена область ненасыщенного воздуха, ниже – область пересыщенного водой воздуха, или тумана.

При температуре 0^оС в пересыщенном воздухе находятся или капельки воды (водяной туман), или кристаллы льда (ледяной туман), или то или другое вместе (смешанный туман).

Для определения парциального давления водяного пара в воздухе необходимо на пересечении линии постоянного влагосодержания и кривой парциального давления найти точку (точка а на рис. 2) и на правой оси ординат снять значение р_П.

Рассмотрим изображение процессов на диаграмме.

Процесс нагревания в калорифере. Влажный воздух подвергается нагреванию при неизменном влагосодержании. Такой процесс изображается прямой, направленной по линии d = const вверх (процесс 1-2 на рис. 3а).

П роцесс охлаждения в возлухоохладителе изображается прямой, направленной по линии d = const вниз. При достижении температуры точки росы дальше процесс идет по линии φ = 100%. Влага конденсируется и происходит осушение воздуха (процесс 4-5-6 на рис. 3б).

Процесс испарения или адиабатного увлажнения. Влажный воздух поглощает влагу при постоянной энтальпии H = const и охлаждается (процесс 2-3 на рис. 3а). Такой процесс происходит в сушилке.