Исследование процессов изменения

СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с основными характеристиками влажного воздуха и J-d-диаграммой; освоить методику экспериментального исследования процесса нагревания влажного воздуха и сушки материалов нагретым воздухом.

ЗАДАНИЕ

1. Провести процесс сушки влажного материала.

2. Определить параметры процесса сушки и рассчитать требуемые в работе величины.

3. Изобразить процессы изменения состояния влажного воздуха в J-d-диаграмме.

4. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать задание, основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, результаты наблюдений (в виде таблиц), обработку опытных данных, график процессов нагревания и сушки в J-d-диаграмме.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В сушильном деле в качестве сушильного агента, т.е. среды, поглощающей влагу из высушиваемого материала, зачастую используют влажный воздух. Поэтому знать его свойства очень важно. По своему физическому состоянию он близок к идеальным газам.

ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ называют смесь сухого воздуха (не содержащего молекул воды) с водяным паром.

Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара. Существует предел содержания в воздухе водяного пара, при превышении которого водяной пар начинает конденсироваться и переходить в туман или росу. Воздух, содержащий максимально возможное количество водяного пара, называют НАСЫЩЕННЫМ ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ. Влажный воздух, который не содержит при данном давлении и температуре максимально возможное количество водяного пара, называют НЕНАСЫЩЕННЫМ. Он занимает по содержанию водяного пара промежуточное положение между сухим и насыщенным.

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

р = р_в + р_п , (1)

где р = р_вл.в. – давление влажного воздуха;

р_в и р_п – соответственно парциальные давления сухого воздуха и водяного пара.

При р = В

В = р_в + р_п, (2)

где В – барометрическое давление.

В насыщенном воздухе при его температуре ниже 100 ^оС парциальное давление пара р_п равно давлению насыщения р_н при этой температуре (р_н = р_п), а в ненасыщенном воздухе р_п < р_н.

Характеристиками влажного воздуха служат его АБСОЛЮТНАЯ и ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ. Абсолютной влажностью воздуха называется масса пара М_п, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха V_. Численно она равна плотности водяного пара при своем парциальном давлении и температуре смеси:

ρ_п = М_п /V , кг/м³ (3)

Относительной влажностью воздуха φ называется отношение абсолютной влажности r_п к максимально возможной абсолютной влажности воздуха r_нас при той же температуре:

φ = ρ_п /ρ_нас (4)

или

φ = %. (5)

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

φ = %. (6)

Относительная влажность характеризует способность воздуха насыщаться влагой: чем меньше φ, тем при прочих равных условиях больше сушильная способность воздуха. Для насыщенного воздуха φ = 100 %, для ненасыщенного φ < 100 %.

В процессах изменения состояния влажного воздуха, как правило, количество сухого воздуха не изменяется, а количество пара в нем меняется в зависимости от конденсации части пара или испарения жидкости во влажный воздух. Поэтому удобно расчеты вести не на 1кг влажного воздуха, а на 1кг сухого воздуха (1кг с.в.). Важным параметром является влагосодержание влажного воздуха. ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ ВОЗДУХА называется отношение массы пара М_п во влажном воздухе к массе сухого воздуха М_в. Влагосодержание воздуха измеряют в килограммах на килограмм (кг/кг) или в граммах на килограмм (г/кг):

d = М_п / М_в (7)

Величину влагосодержания можно выразить через парциальные давления:

d = 0.622р_п /(р–р_п), (8)

или при р = В

d = 0.622р_п /(В–р_п) (9)

Плотность влажного воздуха r равна сумме плотностей пара ρ_п и сухого воздуха ρ_в, взятых при своем парциальном давлении и при температуре смеси:

ρ = ρ_п + ρ_в, кг/м³ (10)

Плотность влажного воздуха определяется по уравнениям:

ρ = р / RT ; (11)

ρ = ρ_пr_п + ρ_вr_в . (12)

Газовую постоянную влажного воздуха R можно определить по уравнению:

R = 8314 / _см = 8314 / ( _вr_в + _пr_п), Дж/(кг ∙К) (13)

здесь: _{см, в, п} – соответственно молекулярные массы влажного воздуха, сухого воздуха и пара; r_в и r_п –объемные доли компонентов.

Энтальпия влажного воздуха J определяется как сумма энтальпий сухого воздуха i_в и водяного пара i_п. Энтальпию влажного воздуха в расчетах относят к 1 кг сухого воздуха или к (1 + d) кг влажного воздуха, т.е.:

J = i_в + di_п, кДж/кг сух. возд. (14)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ

ВОЗДУХА ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Этот способ основан на измерении разности между температурами сухого и смоченного (мокрого) термометров, отличается высокой точностью и небольшой инерционностью. Психрометр состоит из двух термометров: сухого и смоченного. Шарик одного термометра обмотан кусочком материи (лучше всего батистом, обладающим максимальной всасывающей способностью), опущенным в стаканчик с дистиллированной водой. Под действием капиллярных сил вода по батисту непрерывно подается к шарику термометра, поэтому его поверхность постоянно смачивается. На испарение воды затрачивается теплота и смоченный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой, т.е. температуру испаряющейся воды. Интенсивность испарения с мокрого термометра будет тем больше, чем меньше содержание водяных паров в окружающем воздухе, и тем больше будет разность в показаниях обоих термометров.

По психрометрическим таблицам (приложение 1), зная температуру мокрого термометра t_м и психрометрическую разность температур t_с – t_м (t_c– температура сухого термометра), можно определить относительную влажность φ.

J-d-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Параметры влажного воздуха обычно определяют графическим путем с помощью J-d-диаграммы, предложенной проф. Л.К. Рамзиным в 1918г. (приложение 2). На этой диаграмме по оси ординат откладываются величины энтальпии (теплосодержания) J, кДж/кг, а по оси абсцисс –влагосодержание d, г/кг сухого воздуха. На диаграмме нанесены следующие линии: линии постоянных энтальпий (прямые, наклонные к оси ординат под углом 45^о), линии постоянных влагосодержаний (прямые, параллельные оси ординат), линии постоянных температур t влажного воздуха, а также линии относительной влажности воздуха φ.

Кривая φ = 100 % является пограничной, соответствующей состояниям насыщенного влажного воздуха. Область над этой кривой соответствует состояниям ненасыщенного влажного воздуха, область под кривой является областью “тумана”, т.е. воздух является перенасыщенным влагой и она будет выпадать из него в виде росы на материале. Пересечение изотерм с линией φ = 100 % дает соответствующее значение температуры насыщения (точки росы) t_н, а пересечение линии d = const покажет предельное влагосодержание d_н.

Температура, при которой воздух становится насыщенным (при φ = 100 %) называется ТЕМПЕРАТУРОЙ ТОЧКИ РОСЫ и обозначается t_p.

Обычно диаграмма строится для барометрического давления 0.9930 бар (9.93∙10⁴ Па), но с достаточной точностью может быть использована и для других давлений, близких к основному.

Линия парциальных давлений водяного пара построена в виде прямой, расположенной ниже граничной линии φ = 100 %. Чтобы найти парциальное давление пара при определенном влагосодержании воздуха d, следует спроектировать точку пересечения соответствующей линии d = const с линией парциальных давлений пара на правую ось ординат.

Процесс нагревания влажного воздуха. Воздух с начальной температурой t₁ и относительной влажностью φ₁ нагревается в калорифере до t₂. На J-d-диаграмме этот процесс изображается прямой 1–2 (приложение 2). Процесс нагревания влажного воздуха осуществляется при d = const, поскольку при этом содержание влаги не меняется.

Процесс сушки. Теоретический процесс сушки (без тепловых потерь) материала нагретым воздухом в сушильной камере происходит при J = const (линия 2-3). Постоянство энтальпии влажного воздуха объясняется тем, что теплота, необходимая для испарения влаги, берется из потока и возвращается в него вместе с испарившейся влагой.

Действительный процесс сушки, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, будет протекать по линии 2-3’. Положение точки 3’ определяется по t_3’ и φ_3’.

Разность энтальпий J₂ - J₁ будет выражать количество теплоты, использованной на нагрев 1кг сухого воздуха, а разность влагосодержаний d₃ - d₂ - количество влаги, испаренной каждым килограммом сухого воздуха.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Основными элементами установки являются электрический нагреватель (калорифер) и сушильная камера (рисунок). Воздух в сушилку 7 подается вентилятором 1 через калорифер 3, внутри которого помещен электронагреватель 4. Температура воздуха на выходе из калорифера 3 определяется по термометру 5. Внутри сушильной камеры помещен влажный материал 8, который смачивается водой, поступающей из сосуда 6 (расход воды регулируется краном 9). Расход воздуха определяется ротаметром 2. Выход воздуха из сушильной камеры происходит через трубу 12, в которой установлен психрометр 11 для определения влажности отработавшего воздуха.

Влажность воздуха, поступающего в сушильную камеру, определяется по показаниям психрометра 10, установленного в помещении лаборатории.

Рисунок. Схема экспериментальной установки

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ

1. По психрометру, установленному в лаборатории, определить относительную влажность воздуха φ₁, подаваемого в сушилку.

2. Включить установку поворотом ручки на щите в положение 1 и нажатием пусковой кнопки.

3. Поворотом ручки автотрансформатора установить режим работы установки по заданию преподавателя (показания вольтметра и ротаметра должны быть в пределах 30 - 50 В и 20 - 40 делений шкалы ротаметра).

4. С начала включения установки через каждые 3…5 минут заносить показания приборов в таблицу 1 наблюдений.

5. Опыт считается законченным при достижении стационарного режима сушки. Он характеризуется постоянством показаний приборов (термометра 5 и психрометра 11).

Записать показания всех приборов в табл.1.

Таблица 1

Журнал наблюдений

№ замера	Мощность нагревателя	Показания комнатного психрометра	Показания психрометра после сушилки	Температура воздуха после калорифера	Барометрическое давление	Показание ротаметра
сила тока	напря-жение	t1с	t1м	t3с	t3м	t2	В	h
А	В	ос	ос	ос	ос	ос	мм рт.ст.	дел. шкалы

Примечание: за расчетные берутся показания, снятые при стационарном режиме.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. На основе показаний психрометров 10 и 11 по психрометрической таблице (приложение 1) определить относительную влажность комнатного и выходящего из установки влажного воздуха (φ₁ и φ₂ соответственно).

2. По J-d-диаграмме определить энтальпиюJ₁ и влагосодержание d₁ комнатного воздуха, парциальное давление водяного пара р₁ в комнатном воздухе (на основе t_1с и φ₁), энтальпию J₂ воздуха после нагревателя (на основе d₂ = d₁ и t₂); влагосодержание d₃ отработавшего воздуха (на основе t_3с и φ₃).

3. По уравнению (2) рассчитать парциальное давление Р_1В. Полученное значение перевести в Па (750 мм рт.ст. = 10⁵ Па)

Заполнить табл.2.

Т а б л и ц а 2

φ1	J1	d1	P1n	P1B	J2	φ3	d3
%			мм рт.ст.	Па		%

4. Рассчитать массовый расход сухого воздуха М_В по уравнению Клапейрона-Менделеева:

, кг/с , (15)

где R_В - газовая постоянная сухого воздуха, R_В = 287 Дж/(кг∙К);

V - объемный расход воздуха.

V = a + вh, (16)

где а, в - постоянные константы ротаметра

а = 1,9∙10^-4 м³/с; в = 1,08∙10^-5 м³/(с∙дел.шкалы).

5. Рассчитать количество теплоты, полученной воздухом в калорифере:

Q = M_B(J₂ - J₁) кДж/ч. (17)

6. Определить массу влаги М_п, полученную нагретым воздухом от высушиваемого материала:

М_п = M_В(d₃ - d₁) г.влаги/ч. (18)

7. Построить кривые процессов нагревания воздуха (1-2) и сушки нагретым воздухом (2-3) в J-d-диаграмме.

8. Определить систематическую погрешность измерения температуры воздуха t₁ на входе в установку;

δt₁ = %, (19)

где ∆t₁ - абсолютная погрешность измерения температуры, принимаемая равной половине цены деления шкалы прибора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется влажным воздухом?

2. Что называется насыщенным и ненасыщенным влажным воздухом?

3. Закон Дальтона применительно к влажному воздуху.

4. Что называется абсолютной влажностью?

5. Что называется влагосодержанием влажного воздуха?

6. Что называется относительной влажностью воздуха?

7. Что называется температурой точки росы?

8. Как определяется плотность влажного воздуха?

9. Как определяется газовая постоянная влажного воздуха?

10. Как определяется энтальпия влажного воздуха?

11. Назначение J-d-диаграммы влажного воздуха.

12. Какие линии изображаются на J-d-диаграмме?

13. Как изображаются основные процессы влажного воздуха в J-d-диаграмме?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Сушков В.В., Техническая термодинамика. –Л.: Госэнергоиздат, 1960. 375 с.

Нащокин В.В., Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1975. 496 с.

Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. –342 с.

Теплотехника: Учеб. для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1991. –224 с.

Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух. Термодинамические свойства и применение. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -136 с.

РАБОТА № 6