Исследование параметров влажного воздуха в процессах сушки

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками влажного воздуха и Hd-диаграммой; освоить методику экспериментального исследования процесса нагревания влажного воздуха и сушки материалов.

Задание

1. Исследовать процессы нагревания влажного воздуха и сушки материалов (мокрые фарфоровые бусинки – кольца Рашига) нагретым воздухом:

а. Измерить параметры влажного воздуха на входе воздуха в установку и на выходе из нее;

б. Рассчитать тепловой поток, полученный воздухом в электронагревателе Q, Вт (1 Вт = 1 Дж/с);

в. Рассчитать массу влаги М_п, г влаги/ч, получаемую нагретым воздухом от высушиваемого материала за единицу времени;

2. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать: задание, основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, результаты измерений (в виде таблиц и расчетов). Представить процессы нагревания и сушки в Hd-диаграмме.

Основы теории

Влажным воздухом называют смесь сухого воздуха с водяным паром. В качестве рабочего тела влажный воздух используется в сушилках, компрессорах и т.п.

Процессы во влажном воздухе часто протекают при давлениях, близких к атмосферному, когда свойства сухого воздуха и водяного пара близки к свойствам идеального газа. Поэтому далее будет рассматриваться влажный воздух при атмосферном давлении и температуре не выше 100 ^оС. Такой воздух можно рассматривать как смесь идеальных газов, однако с существенной особенностью, что водяной пар во влажном воздухе при определенных условиях может конденсироваться, т.е. вести себя как истинно реальный газ.

Согласно закону Дальтона, каждый газ, входящий в смесь, находится под своим парциальным давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси:

(1)

тогда при

, (2)

где р_см - давление влажного воздуха; р_св - парциальное давление сухого воздуха; р_п - парциальное давление водяного пара; В – атмосферное давление.

Чем больше водяного пара содержится во влажном воздухе, тем больше его парциальное давление. Однако р_п во влажном воздухе не может быть выше давления насыщения р_нас при данной температуре влажного воздуха, т.е. р_п £ р_нас.

Влажный воздух, в котором р_п < р_нас, называется ненасыщенным, а влажный воздух, в котором р_п равно р_нас – насыщенным.

p

v

К

Рис.1. pv- диаграмма водяного пара

Рассмотрим pv-диаграмму водяного пара (рис. 1). В точке 1 водяной пар, содержащийся в ненасыщенном влажном воздухе, находится в перегретом состоянии. Если понижать температуру этого воздуха, сохраняя его давление постоянным, то можно достигнуть состояния насыщения, точка 2. При этом перегретый водяной пар, имеющий начальную температуру

t₁ = t_см, охладится до температуры t₂ = t_нас, при которой парциальное давление пара станет равным давлению насыщения.

При дальнейшем охлаждении насыщенного влажного воздуха водяной пар начнет конденсироваться, образуется туман и выпадет роса. Таким образом, водяной пар во влажном воздухе может находиться в трех различных состояниях: в точке 1 – перегретый пар; в точке 2 - сухой насыщенный пар; в точке 3 – влажный насыщенный пар.

Температура t₂, при которой парциальное давление водяного пара становится равным давлению насыщения, называется температурой точки росы, t_росы. Учитывать температуру точки росы t_росы важно при проведении процессов с влажном воздухом или другими влажными газами, например, продуктами горения. Высокая влажность после начала конденсации водяных паров создает благоприятные условия для интенсивной коррозии материалов, из которых изготовлены каналы, камеры или установки, и ускоряет их разрушение.

Рассмотрим некоторые характеристики влажного воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Численно она равна плотности водяного пара при своем парциальном давлении и температуре смеси:

, кг/м³, (3)

где m_п – масса водяного пара во влажном воздухе, кг;

V_см – объем влажного воздуха, м³.

Относительной влажностью воздуха φ называется отношение абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при р_п = р_нас:

. (4)

Поскольку для идеальных газов плотности компонентов смеси пропорциональны своим парциальным давлениям, то

. (5)

Таким образом, для ненасыщенного (р_п < р_нас) влажного воздуха , для насыщенного (р_п = р_нас) относительная влажность становится максимальной, .

Влагосодержанием воздуха называется отношение массы водяного пара m_п во влажном воздухе к массе сухого воздуха m_в:

, г влаги/кг сух. возд. (6)

Величину влагосодержания можно выразить через парциальные давления водяного пара и сухого воздуха (В - р_п):

,г влаги/кг сух. возд. (7)

Плотность влажного воздуха можно определить так же, как и плотность смеси газов из уравнения Клапейрона-Менделеева:

, кг/м³, (8)

где v_см– удельный объем влажного воздуха;

m_см– молекулярная масса влажного воздуха, кг/кмоль;

mR–универсальная газовая постоянная,

mR= 8314 Дж/(кмольК).

Энтальпия влажного воздуха Н определяется как сумма энтальпий 1 кг сухого воздуха h_св и d кг водяного пара h_n. Для удобства ее относят к 1 кг сухого воздуха:

, кДж/кг сух. возд. (9)