Основные параметры влажного воздуха

Абсолютной влажностью воздуха ρ_п, кг/м , называют массу водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха, т. е. абсолютная влажность воздуха численно равна плотности пара при данном парциальном давлении Р_п и температуре смеси t.

Влагосодержанием называют отношение массы пара к массе сухого воздуха, содержащегося в том же объеме влажного газа. Из-за малых значений массы пара во влажном воздухе влагосодержание выражают в граммах на 1 кг сухого воздуха и обозначают через d. Относительной влажностью φ называют степень насыщения газа паром и выражают отношением абсолютной влажности ρ_п к максимально возможной при тех же давлениях и температуре ρ_н.

Применительно к произвольному объему влажного воздуха V, в котором содержится D_п кг, водяного пара и L кг, сухого воздуха при барометрическом давлении Р_б и абсолютной температуре Т можно записать:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

Если влажный воздух рассматривать как смесь идеальных газов, для которых справедлив закон Дальтона, Р_б = Р_в+ Р_п, и уравнение Клапейрона, PV=G∙R∙T, то для ненасыщенного воздуха:

(5.5)

для насыщенного воздуха:

(5.6)

где D_п, D_н - масса пара в ненасыщенном и насыщенном состояниях воздуха;
R_п - газовая постоянная пара.

Откуда следует:

(5.7)

Из уравнений состояния, записанного для воздуха и пара, получают:

(5.8)

Тогда:

(5.9)

Соотношение газовых постоянных воздуха и пара составляет 0,622, тогда:

Поскольку в процессах теплообмена с участием влажного воздуха масса сухой его части остается неизменной, то при теплотехнических расчетах удобно пользоваться энтальпией влажного воздуха Н, отнесенной к массе сухого воздуха:

(5.10)

где С_в - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха в интервале температур 0÷100 ^оС, (С_в = 1,005кДж/кг∙К); С_п - средняя удельная теплоемкость водяного пара (С_п =1,807 кДж/кг∙К).

Изображение изменения состояния влажного газа в промышленных установках приведено на Н-d-диаграмме (рис. 5.3).

Н-d-диаграмма - это графическое изображение при выбранном барометрическом давлении основных параметров воздуха (H, d, t, φ, Р_п). Для удобства практического использования Н-d-диаграммы применяют косоугольную систему координат, в которой линии Н = const расположены под углом в = 135^о к вертикали.

Рисунок 5.3 - Построение линий t = const, Р_п и φ = 100 % в H-d-диаграмме

Точка а соответствует Н = 0. От точки а вниз откладывают в принятом масштабе вверх положительное значение энтальпии, вниз - отрицательное, соответствующее отрицательным значениям температур. Для построения линии t=const используют уравнение Н =1,0t + 0,001d(2493+1,97t). Угол α между изотермой t = 0 и изоэнтальпой Н = 0 определяют из уравнения:

Отсюда α≈45°, а изотерма t = 0 ^оС представляет собой горизонтальную линию.

При t > 0 каждую изотерму строят по двум точкам (изотерму t₁ по точкам б и в). С ростом температуры составляющая энтальпии увеличивается, что приводит к нарушению параллельности изотерм.

Для построения линии φ = const наносят в определенном масштабе линию парциальных давлений пара в зависимости от влагосодержания. Р_п зависит от барометрического давления, поэтому диаграмму строят для Р_б = const.

Линию парциального давления строят по уравнению:

(5.11)

Задаваясь значениями d₁, d₂, и определяя Р_п1 Р_п2 находят точки г, д..., соединяя которые, получают линию парциального давления водяного пара.

Построение линий φ = const начинают с линии φ =1 (Р_п = P_s). Используя термодинамические таблицы водяного пара, находят для нескольких произвольных температур t₁ , t₂... соответствующие значения P_s1, P_s2...Точки пересечения изотерм t₁, t₂... с линиями d = const, соответствующими P_s1, P_s2..., определяют линию насыщения φ = 1. Область диаграммы, лежащая выше кривой φ = 1, характеризует ненасыщенный воздух; область диаграммы ниже φ = 1 характеризует воздух, находящийся в насыщенном состоянии. Изотермы в области ниже линии φ = 1 (в области тумана), претерпевают излом и имеют направление, совпадающее с Н = const.

Задаваясь различной относительной влажностью и вычисляя при этом P_п=φP_s, строят линии φ = const аналогично построению линии φ = 1.

При t = 99,4 ^оС, что соответствует температуре кипения воды при атмосферном давлении, кривые φ = const претерпевают излом, поскольку при t≥99,4 ^оС P_{п max} = P_б. Если , то изотермы отклоняются влево от вертикали, а если , линии φ = const будут вертикальны.

При нагревании влажного воздуха в рекуперативном ТА увеличивается его температура, энтальпия, уменьшается относительная влажность. Соотношение масс влаги и сухого воздуха при этом остается неизменным (d = const) - процесс 1-2 (рис. 5.4 а).

В процессе охлаждения воздуха в рекуперативном ТА температура и энтальпия понижаются, относительная влажность повышается, а влагосодержание d остается неизменным (процесс 1-3). При дальнейшем охлаждении воздух достигнет полного насыщения, φ=1, точка 4. Температура t₄ называется температурой точки росы. При снижении температуры от t₄ до t₅ конденсируются (частично) водяные пары, образуется туман, снижается влагосодержание. При этом состояние воздуха будет соответствовать насыщению при данной температуре, т. е. процесс будет идти по линии φ = 1. Из воздуха удаляется капельная влага d₁ - d₅.

Рисунок 5.4 - Основные процессы изменения состояния воздуха в H-d- диаграмме

При смешении воздуха двух состояний энтальпия смеси Н_см:

(5.12)

Кратность смешения к = L₂/L₁

а энтальпия (5.13)

В H-d-диаграмме точка смеси лежит на прямой, соединяющей точки 1 и 2 при k → ~ H_см = H₂ , при к → 0, H_см → H₁. Возможен случай, когда состояние смеси окажется в области пересыщенного состояния воздуха. В этом случае образуется туман. Точка смеси выносится по линии H = const на линию φ = 100 %, часть капельной влаги ∆d выпадает (рис. 5.4 б).