Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом сушильный агент играет роль тепло- и массоносителя. Влажный газ является смесью сухого газа и водяного пара.

В дальнейшем под влажным газом будем подразумевать только влажный воздух, учитывая, что физические свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно.

Влажный воздух как влаго- и теплоноситель, характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара (в кг), содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Можно считать, что пар занимает весь этот объем и поэтому абсолютная влажность равна плотности пара ρ _n (кг/м³) при температуре влажного воздуха и парциальном давлении P _n.

Относительной влажностью или степенью насыщения воздуха φ называется отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного воздуха ρ _n при данных условиях (температуре и общем барометрическом давлении) к максимально возможной массе водяного пара в 1 м³ воздуха ρ _n:

,

поскольку ρ _n и ρ _Hпо уравнению Менделеева-Клапейрона выражаются как

и , (11.4)

где Р_п и P _н - парциальное давление соответственно пара в данных условиях и насыщенного пара; μ _п - масса 1 кг/моль водяного пара, равная 18∙ 10^-3 кг/моль; R - универсальная газовая постоянная, равная 8314 (кДж)/кмоль∙ град., или 1, 99 ккал/кмоль∙ град.

Подставляя эти значения в уравнения для φ, получим:

. (11.5)

Значения Р_Н водяного пара для температур менее 100 °С берутся из стандартных таблиц давления водяного пара при данной температуре воздуха.

Если температура воздуха выше температуры кипения (насыщения), то максимально возможное давление водяного пара будет равно общему или барометрическому давлению Р _δ . В этих условиях

. (11.6)

С ростом температуры Рн растет и поэтому φ уменьшается вплоть до t = 100 °C. Далее P_n = P_δ = const и, следовательно, φ также постоянна. В процессе сушки воздух отдает тепло, охлаждается и забирает влагу. Величина φ увеличивается вплоть до φ = 1, т.е. до насыщения воздуха.

Поскольку объем воздуха в процессе сушки изменяется с изменением его температуры, то пользоваться в расчетах значением его абсолютной влажности неудобно.

Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

, (11.7)

где m_n, и m_c.в - масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг; ρ _c.в - плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м³.

Связь между φ и x устанавливается с помощью уравнения Менделеева-Клапейроиа:

, (11.8)

где M_с.в -масса 1 кг/моль абсолютно сухого воздуха, равная 29∙ 10^-3 г/моль.

По закону Дальтона P_c.в равно разности общего давления влажного воздуха Р и парциального давления пара в нем

,

но так как P_n = φ P_Н, получим:

. (11.9)

Теплофизический параметр влажного воздуха – энтальпия, или теплосодержание J влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха (t °С), как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха С_с.вt и водяного пара xi_n (Дж/кг).

, (11.10)

где С_с.в - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха, которая может быть принята приближенно равной 1000 Дж/ кг∙ град или 0, 24 ккал/кг∙ град; i_n - энтальпия водяного пара.

Из этого уравнения хорошо видно, что воздух при сушке может отдавать тепло только за счет охлаждения (уменьшается член С_с.вt, так как влагосодержание воздуха х при сушке возрастает, поэтому произведение xi_n должно возрастать).

Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Обозначим энтальпию водяного пара при 0 °С через r₀ (r₀ = 2493∙ 10³ Дж/кг или 595 ккал/кг) и примем среднюю удельную теплоемкость перегретого водяного пара С_n = 1, 97∙ 10³ Дж/кг∙ град. Тогда энтальпия перегретого пара (0, 47 кал/кг∙ град.) будет определятся как

. (11.11)

Подставив значения i_n и C_{с . в} в основное уравнение, получим

. (11.12)

11.4. J - X - диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определять с помощью J - x диаграммы, впервые разработанной Л.К.Рамаиным. Диаграмма J - x построена для постоянного давления Р = 745 мм рт.ст. (рис.11.4).

На диаграмме нанесены:

1) линии постоянного влагосодержания (x = const) - вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

2) линии постоянной энтальпии (J = const) - прямые, параллельные оси абсцисс, т.е. идущие под углом в 135° к оси абсцисс;

3) линии постоянных температур, или изотермы (t = const);

4) линии постоянной относительной влажности (φ = const);

5) линия парциальных давлений водяного пара P_n во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на кривой оси ординат диаграммы.

Линия φ = l00% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией φ = 100%, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет.

Надиаграмме J - x любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить еще два его параметра.

11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на J - x на диаграмме

Процессы нагревания и охлаждения воздуха при постоянном влагосодержании, т.е. в условиях, когда воздух не находится в контакте с сырым материалом на диаграмме J - x изображаются прямыми линиями. Например, известно начальное влагосодержание воздуха x ₀и его начальная температура t ₀, или начальная относительная влажность. На диаграмме J - x это состояние изобразится точкой А, которая является пересечением двух
прямых: x ₀и t ₀= const, или x₀ и φ ₀ = const (рис.11.5).

Известна также температура воздуха (t ₁) на выходе из калорифера. Тогда процесс нагревания воздуха в калорифере изобразится на диаграмме J - x точкой В, которая является пересечением линий x ₀и t ₁ =const. Поскольку каждой точке на диаграмме соответствуют четыре параметра влажного воздуха, а для построения процесса нагревания (отрезка АВ) необходимо знать только три параметра, то остальные параметры считывают с диаграммы.

Например, если для точки А были известны t ₀и φ ₀, то из диаграммы находим другие два параметра: J ₀ и x ₀. Для точки В, зная только t ₁, легко считывают из диаграммы значения J ₁ и φ ₁.

При охлаждении воздуха из точки А возможно два варианта: когда t_k > t_p и когда t _к < t_p, где t_p - температура точки росы.

В первом случае изображение процесса охлаждения ничем не отличается от изображения процесса нагревания. Точка В получается, как пересечение двух линий t_k и x₀. Во втором случае (t_k < t_p), когда линия х ₀пересекается с линией φ =100%, воздух полностью насыщается паром и при дальнейшем его охлаждении из него конденсируется влага. Температура, соответствующая этому процессу, называется температурой точки росы. Конечное состояние воздуха в этом случае находится как точка пересечения линий t_k’, и φ =100%. В этом случае, как видно из диаграммы, в конечном состоянии влагосодержание воздуха уменьшается до величины x₁’. Остальные параметры находятся аналогично.

Поскольку при сгорании топлива в топках происходит не только нагревание воздуха, но и увеличение его влагосодержания за счет образования водяных паров при сгорании водорода, содержащегося в топливе (в некоторых случаях дают для интенсификации горения острый пар), то этот процесс на диаграмме J - x изображается прямой В, где точка В получается как пересечение линий t _T = constи x ₂ = const, где x ₂- влагосодержание в топочных газах на выходе из топки, а t_T - их температура. В этом заключается особенность изображения процесса нагревания при применении топочных газов.

Ранее отмечалось, что в первом периоде сушки все подводимое, тепло расходуется только на испарение влаги, т.е. теплосодержание воздуха не изменяется, так как уменьшение члена C_C.xt полностью компенсируется возрастанием члена xi_n(y_p). Процесс без изменения теплосодержания называется адиабатическим. Этот процесс при J = constтакже называется теоретическим процессом сушки, т.к. нет излишних потерь тепла и изображается на диаграмме J - x линией J = const например, отрезками BС и В'С', где точка С' получена, как пересечение линий

J = const с t _cк = const,

где t _cк- температура газа, покидающего сушильную камеру.