Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Свойства влажного воздуха
|
|
Свойства воздуха определяются его газовым составом, тепло-
влажностным состоянием и содержанием вредных газов, паров, пыли. Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом.
К влажному воздуху с достаточной степенью точности применимы
законы смеси идеальных газов. Каждый газ, в том числе и водяной пар, за-
нимает тот же объем V, что и вся смесь, имеет температуру смеси T, но
находится под своим парциальным давлением pi.
Согласно закону Дальтона, сумма парциальных давлений газов равна
полному барометрическому давлению смеси:
p б =Σ pi, (3.1)
где pi – парциальное давление i -тогo газа, Па.
Парциальное давление отдельного газа определяется по уравнению
Клапейрона (уравнение состояния газа)
где Mi – масса i -того газа, кг; R = 8, 314 кДж/(кмоль·К) – удельная газовая постоянная; V – объем газа, м3; μ i – молекулярная масса i -того газа, кг/моль.
При расчетах кондиционирования влажный воздух удобно рассматри-
вать как бинарную смесь (двух газов), состоящую из водяного пара (газа с
молекулярным весом μ п = 18) и сухого воздуха (условного однородного газа с молекулярным весом μ с.в = 29). Барометрическое давление p б в этом случае равно сумме парциальных давлений сухого воздуха p с в. и водяного пара pп:
p б = рс.в + рп. (3.3)
Барометрическое давление над уровнем моря в среднем составляет
101, 3 кПа. С изменением высоты над уровнем моря расчетное барометри-
ческое давление изменяется и может быть определено на основании кли-
матологических данных. Текущие значения барометрического давления
могут иметь систематические колебания в пределах приблизительно ±5 %.
При обработке и изменении свойств влажного воздуха в процессе
кондиционирования количество его сухой части остается неизменным, по-
этому принято при рассмотрении тепловлажностного состояния воздуха
все его показатели относить к 1 кг сухой части влажного воздуха.
Влажность воздуха характеризуется количеством содержащегося в нем
водяного пара. Количество водяного пара, г, приходящегося на 1 кг сухой
части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг;
Влагосодержание может быть различным, но его максимальная ве-
личина при заданной температуре строго определена насыщенным состоянием водяных паров. В связи с этим для характеристики степени увлажненности воздуха удобно использовать
показатель относительной влажности воздуха j, который показывает степень насыщенности воздуха водяным паром в % или в долях единицы полного насыщения при одинаковых температуре и давлении.
При относительной влажности 100 % воздух полностью насыщен во-
дяными парами и его называют насыщенным.
При φ < 100 % водяные пары находятся в перегретом состоянии и влажный воздух называют ненасыщенным.
Величина φ равна отношению парциального давления водя-
ного пара рп во влажном воздухе данного состояния к парциальному дав-
лению насыщенного водяного пара рп.н в насыщенном влажном воздухе
при той же температуре:
Давление насыщенного водяного пара зависит только от температу-
ры. Его значение определяют экспериментальным путем и приводят в спе-
циальных таблицах.
Энтальпия влажного воздуха I складывается из энтальпии сухой его
части и энтальпии водяных паров. Энтальпия влажного воздуха, отнесен-
ная к 1 кг сухой части влажного воздуха, при произвольных температуре и
влагосодержании определится как
I =1, 005 t + (2500 +1, 8 t) d /1000. (3.6)
Кроме характеристик тепловлажностного состояния свойства возду-
ха, как было сказано выше, определяются содержанием в нем вредных га-
зов и паров. Количество этих вредностей в литрах обычно относят к 1 м3
воздуха. Содержание пыли в воздухе обычно измеряют в мг/м3 или в г/кг.
При расчете современных систем кондиционирования представляет
интерес содержание в воздухе положительно и отрицательно заряженных
ионов. Имеет значение также наличие пахнущих примесей, степень озонирования воздуха и пр.
8.I-d -диаграмма влажного воздуха
На основе системы уравнений, включающей зависимости (3.4), (3.5),
(3.6), а также функциональную связь рп.н = f (t), профессором Л.К. Рам-
зиным в 1918 г. была составлена I-d -диаграмма. Она является графической
зависимостью параметров, определяющих тепловлажностное состояние
воздуха, то есть температуры t, энтальпии I, влагосодержания d, относи-
тельной влажности φ и парциального давления рп.
I-d -диаграмма (рис. 3.1) построена в косоугольной системе коорди-
нат. Такая система позволяет расширить на диаграмме область ненасы-
щенного влажного воздуха, что делает ее удобной для графических по-
строений. По оси ординат отложены значения энтальпий I, кДж/кг, по оси
абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, – значения влагосодержа-
ний d, г/кг. Поле диаграммы разбито линиями постоянных энтальпий
I = const и влагосодержаний d = const.
На диаграмму нанесены также линии постоянных температур
t = const. В I-d -диаграмме изотермы не параллельны между собой, и чем
выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его
изотермы.
Кроме линий постоянных t, I и d, на поле диаграммы нанесены ли-
нии постоянных относительных влажностей воздуха j. Если положение
изотерм t = const и изоэнтальпий I = const в I-d -диаграмме практически не
зависит от барометрического давления рб, то положение кривых j = const
меняется с его изменением.
Значение рп.н, как было сказано ранее, зависит только от температу-
ры, поэтому, если при постоянных t и d изменить давление рб, то относи-
тельная влажность j будет изменяться прямо пропорционально рб. Таким
образом, при изменении давления отношение j/ рб остается постоянным.
Это положение позволяет использовать I-d-диаграмму, построенную для
одного давления рб, при других барометрических давлениях рб1. Значе-
ния потерь, которым при этом будут соответствовать линии j = const, оп-
ределяется уравнением
j1 / рб1 = j/ рб. (3.7)
В нижней части I-d -диаграммы расположена шкала парциального
давления водяного пара рп. По контуру I-d -диаграммы построена шкала
угловых коэффициентов e лучей процессов изменения состояния воздуха
(шкала тепловлажностных отношений).
Все поле диаграммы линией j = 100 % разделено на две части. Вы-
ше этой линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха.
Линия j = 100 % соответствует состоянию воздуха, насыщенного водя-
ными парами. Ниже этой линии расположена область перенасыщенного
состояния воздуха (метастабильное состояние или состояние тумана).
В этой области наносят линии процессов изменения состояния воздуха,
связанных с расчетами воздушного холодильного цикла (в турбодетандере),
а также при использовании воздуха в состоянии тумана.
Каждая точка на поле диаграммы соответствует определенному теп-
ловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определяется лю-
быми двумя из пяти (I, d, t, j, рп) параметрами состояния (за исключени-
ем сочетания влагосодержания d и парциального давления рп). Остальные
три параметра могут быть определены по I-d -диаграмме как производные.
Диаграмма удобна не только для определения параметров состояния воз-
духа, но и для построений изменения его состояния при нагревании, охла-
ждении, увлажнении, осушении, смешении, при произвольной последова-
тельности и сочетании этих процессов.
Кроме основных параметров воздуха, используемых при построении,
с помощью I-d -диаграммы можно найти еще два параметра, которые ши-
роко применяются в расчетах вентиляции и кондиционирования воздуха:
температуру точки росы р t и температуру мокрого термометра м t.
Температурой точки росы воздуха р t, º С, называется температура,
до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насы-
щенным при сохранении постоянного влагосодержания. В соответствии с
определением для отыскания температуры точки росы воздуха известного
состояния с помощью I-d-диаграммы через точку, характеризующую его
состояние, проводят линию d = const до пересечения с кривой j = 100 %.
Изотерма, проходящая через точку пересечения, соответствует значению
температуры точки росы воздуха.
Температурой мокрого термометра воздуха м t, º С, является такая
температура, которую принимает влажный воздух при достижении насы-
щенного состояния и сохранении постоянной энтальпии воздуха, равной
начальной. Через точку, соответствующую состоянию влажного воздуха,
проводят линию постоянной энтальпии до пересечения с кривой j = 100 %.
Изотерма, проходящая через точку пересечения, соответствует значению
температуры воздуха по мокрому термометру.
9, 10.Построение на I-d -диаграмме процессов изменения состояния влажного воздуха
При кондиционировании воздуха происходит изменение его тепло-
влажностного состояния, которое удобно прослеживать и рассчитывать с
помощью I-d -диаграммы. Процессы перехода воздуха из одного состояния
в другое на поле I-d -диаграммы изображаются отрезками, проходящими
через точки, соответствующие начальному и конечному состояниям влаж-
ного воздуха (рис. 3.2). Линия, проходящая
через эти две точки, характеризует изменение
тепловлажностного состояния воздуха и назы-
вается лучом процесса.
Положение луча процесса на I-d -
диаграмме определяют угловым коэффици -
ентом e. Если влажный воздух изменил свое
состояние от начальных значений I 1 и d 1 до
конечных значений I 2 и d 2, то можно запи-
сать отношение
Коэффициент e измеряется в кДж/кг влаги. Этот параметр называют
также тепловлажностным отношением, поскольку он показывает величину
приращения количества теплоты на 1 кг полученной (или отданной) возду-
хом влаги. Если начальные параметры воздуха различны, а значения e
одинаковы, то линии, характеризующие изменение состояния воздуха, па-
раллельны между собой.
Выражение (3.8) можно преобразовать, умножив числитель и знаме-
натель на расход воздуха G, кг/ч, участвующего в процессе:
где Q пизб – избытки явной теплоты, влияющие на изменение состояния воздуха, Вт; W – избытки влаги, влияющие на изменение состояния воздуха, кг/ч.
Конкретные значения e в диапазоне от 20000 до минус 10000 приве-
дены на поле I-d -диаграммы.
В зависимости от соотношения Δ I и Δ d угловой коэффициент e
может изменять свою величину и знак от 0 до ± ∞. На рис. 3.3 показаны
лучи процессов, соответствующие возможным изменениям e.
Рис. 3.3. Характерные случаи изменения состояния влажного воздуха
Рассмотрим характерные случаи изменения состояния влажного возду-
ха с использованием углового коэффициента луча процесса на I-d -диаграмме:
1. Влажный воздух, имеющий начальные параметры I 1, d 1, подверга-
ется нагреванию при неизменном влагосодержании, то есть d 1 = d 2 = const.
Точка 1 соответствует начальному состоянию воздуха, точка 2 – ко-
нечному (см. рис. 3.3). При нагревании воздуха повышается его темпера-
тура (t 2 > t 1), энтальпия (I 2 > I 1), понижается относительная влажность.
Величина тепловлажностного (углового) коэффициента при условии
I 2 > I 1 и d 1 = d 2
Луч процесса изображается вертикальной прямой, параллельной ли-
нии d = const, и направлен снизу вверх.
Нагревание при постоянном влагосодержании осуществляется, на-
пример, в воздухоподогревателях.
2. Влажный воздух поглощает одновременно теплоту и влагу (то
есть нагревается и увлажняется). Если начальное состояние воздуха опре-
деляется теми же параметрами I 1, d 1 (точка 1), а конечное состояние будет
определяться параметрами I 3, d 3 (точка 3), то при I 3 > I 1 и d 3 > d 1 направ-
ление луча процесса будет соответствовать направлению отрезка 1-3 (см.
рис. 3.3). Угловой коэффициент в этом случае
Такое изменение параметров влажного воздуха обычно происходит в
обслуживаемых помещениях. В этом случае воздух, обработанный в кон-
диционере, с параметрами I 1, d 1 поступает в помещение, где в результате
ассимиляции избытков теплоты и влаги приобретает параметры I 3, d 3.
3. Если в воздух подать пар, имеющий ту же температуру, что и
воздух по сухому термометру, то воздух будет увлажняться, не изменяя своей температуры. Этот процесс (1-4) называется процессом изотермического увлажнения (d 4 > d 1) и лежит он на линии t 1 = t 4 = const (см. рис. 3.3).
При кондиционировании воздуха используют процесс увлажнения воздуха острым паром, который обычно имеет температуру более 100 º С, то есть значительно отличающуюся от температуры воздуха, поэтому луч такого процесса идет с небольшим отклонением от изотермы в бό льшую сторону (процесс 1-4'). Приращение температуры воздуха при увлажнении его паром пропорционально энтальпии пара при вводе его в воздушную среду и дефициту влаги в воздухе. При введении в 1 кг воздуха 1 грамма пара при температуре 100 °С (теплоемкость пара 2, 04 кДж/кг・ К) и охлаждении его до 20 °С воздух подогревается на 0, 16 °С. Эта цифра может служить ориентиром при оценке температурного эффекта увлажнения воздуха паром.
4. Тонкий слой воды или ее капли при контакте с воздухом приоб-
ретают температуру, равную температуре мокрого термометра. При кон-
такте воздуха с водой, имеющей такую температуру, происходит процесс
адиабатного (изоэнтальпийного) увлажнения воздуха (процесс 1-5), то есть
влажный воздух поглощает влагу (d 5 > d 1) при неизменной энтальпии
(I 5 = I 1). Так как процесс происходит при постоянной энтальпии, то луч,
характеризующий это изменение состояния, параллелен линии I = const.
Величина углового коэффициента искомого луча
Адиабатное увлажнение широко применяется в системах кондицио-
нирования, в частности, в оросительной камере, где с помощью форсунок
производится распыление рециркуляционной воды, температура которой
равна температуре мокрого термометра м t.
5. Влажный воздух отдает теплоту (I 6 < I 1) при неизменном влаго-
содержании (d 1 = d 6 = const), т.е. процесс, как и в первом случае, будет ха-
рактеризоваться лучом, параллельным линии d = const, но направление его
будет от точки 1 не вверх, а вниз (см. рис. 3.3). Значение тепловлажностно-
го коэффициента
Охлаждение воздуха при d = const, как и нагревание, может быть
осуществлено в поверхностных теплообменниках.
При охлаждении луч может быть вертикально продолжен до точки
росы 6', расположенной на линии j = 100 %. Дальнейшее охлаждение бу-
дет идти по линии насыщения и сопровождаться конденсацией водяных
паров и осушкой воздуха (процесс 6'-6''). Процесс 1'-6'-6'' – процесс охлаж-
дения и осушения в поверхностных теплообменниках, являющихся испа-
рителями холодильной машины.
Это достаточно сложный процесс, не имеющий к настоящему време-
ни универсальных и надежных методик расчета. Это модель идеального
процесса, который имеет место только для слоев потока, непосредственно контактирующих с холодными поверхностями воздухоохладителя, то есть в пределах пограничного слоя. Современные воздухоохладители имеют хорошо организованные поверхности теплообмена с малыми расстояниями между ребрами. С достаточной степенью точности можно считать, что относительная влажность на выходе из них близка к 100 %. Этому способствует и то, что скорость движения воздуха в поперечном сечении кондиционера ограничивается условием снижения уноса капель. При снижении скорости движения воздуха увеличивается время контакта его с теплообменными поверхностями и повышается эффективность процесса.
6. Влажный воздух отдает теплоту (I 7 < I 1) и влагу (d 7 < d 1), т.е.
происходит охлаждение и осушка воздуха. Значение углового коэффици-
ента в этом случае
Приращение энтальпии (D I) и приращение влагосодержания (D d) имеют отрицательные знаки, поэтому направление процесса изменения со-
стояния будет характеризоваться отрезком 1-7, имеющим направление от
точки 1 к точке 7 (см. рис. 3.3). Такой процесс может происходить как в
камере орошения кондиционера, так и в других установках для обработки
воздуха. Для охлаждения и осушки воздуха в оросительной камере должна
установиться температура ниже точки росы р t, что достигается подачей к
распылительным форсункам охлажденной воды. Называется такой процесс
политропным.
7. Влажный воздух отдает влагу (d 8 < d 1) при постоянной энтальпии
(I 8 = I 1 = const), т.е. воздух осушается. При этом тепловлажностный коэф-
фициент
Приращение влагосодержания в этом случае будет отрицательным,
но направление луча процесса будет от точки 1 к точке 8 (см. рис. 3.3).
Процесс осушки воздуха при I = const можно осуществить с помо-
щью абсорбентов, например, концентрированных растворов солей хлори-
стого кальция, хлористого лития и др., а также с помощью адсорбентов,
например, силикагеля.
При кондиционировании в ряде случаев наружный воздух, подавае-
мый в помещение, смешивают с внутренним воздухом. Процесс смешения
воздуха на I-d -диаграмме изображается прямой, соединяющей точки со-
стояния воздуха смешиваемых масс (А - Б, см. рис. 3.3). Точка смеси С все-
гда располагается на этой прямой и делит ее на отрезки, обратно пропор-
циональные смешиваемым количествам воздуха. Если смешать воздух со-
стояния А в количестве G А с воздухом Б в количестве G Б, то будет спра-
ведливо соотношение
Общий расход воздуха, полученного в результате смешения, опреде-
лится как сумма расходов воздуха с параметрами А и параметрами Б, т.е.
G см = G А + G Б, (3.11)
и графически на I-d -диаграмме будет характеризоваться отрезком АБ