Процессы изменения состояния влажного воздуха

Процессы изменения состояния воздуха происходят постоянно в помещениях, а также в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Воздух подвергается нагреванию, охлаждению, увлажнению, осушке, а также применяется смешивание влажного воздуха с различными параметрами. Все эти процессы могут быть изображены и прослежены в i – d – диаграмме.

В общем виде процесс перехода воздуха из одного состояния в другое на поле i – d – диаграммы изображается прямыми линиями (лучами), проходящими через точки, соответствующие начальному и конечному состоянию влажного воздуха. Если воздух изменил свое состояние от начальных значений i₁, d₁ (точка 1) до конечных значений i₂, d₂ (точка 2), то линия, соединяющая эти точки, характеризует изменение тепловлажностного состояния воздуха и называется «лучом процесса» (рис. 5.1). положение луча процесса в i – d – диаграмме определяют угловым коэффициентом , который представляет собой отношение

(2.10)

Рисунок 2.33 – Изображение луча процесса изменения состояния воздуха в

i-d-диаграмме

˃

Коэффициент измеряется в кДж/кг_влаги, его называют также тепловлажностным коэффициентом, т.к. он показывает величину приращения, количества теплоты на 1 кг полученной (или отданной) воздухом влаги.

Выражение (5.1) можно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на расход воздуха G, кг/ч, участвующего в процессе:

, (2.11)

где Q_П – поток полной теплоты, обмененной в процессе изменения состояния

воздуха, кДж/ч;

W_изб. – расход влаги, обмененной в процессе изменения состояния

воздуха, кг/ч.

Для того, чтобы построить на i – d – диаграмме луч процесса, можно использовать нанесенные на полях диаграммы деления (риски) угловых коэффициентов. Все они сходятся в начале координат – точке 0. Изменение состояния воздуха с одинаковыми тепловлажностными отношениями изображаются на i – d – диаграмме параллельными линиями.

Если известны тепловлажностный коэффициент и начальные параметры воздуха, то для построения луча процесса необходимо данное деление (риску) соединить с началом координат и перенести линию углового коэффициента параллельно самой себе до встречи с точкой, которая характеризует начальные параметры воздуха.

Изображение на i – d – диаграмме характерных случаев изменения тепловлажностного состояния воздуха представлено на рисунке 2.34.

1. Простейшим является процесс нагрева воздуха о результате контакта с сухой нагретой поверхностью, при котором он получает только явную конвективную теплоту. При этом влагосодержание воздуха остается постоянным, а луч процесса изображается прямой, параллельной линии d – const направлен снизу вверх (линия 1 - 2), = +∞.Нагревание при постоянном влагосодержании осуществляется, например, в поверхностных воздухонагревателях. Количество подводимой к 1 кг воздуха теплоты определяется приращением теплосодержания. Для G, кг/ч, воздуха, участвующего в процессе количество теплоты Q ,кДж/ч, может быть определено по формуле:

(2.12)

Рисунок 2.34 – Изображение на i-d-диаграмме процессов изменения

состояния воздуха

2. Воздух поглощает одновременно теплоту и влагу, т.е. нагревается и увлажняется (линия 1 – 3), >0. Такой процесс возможен в помещении, где приточный воздух, поданный в помещение, ассимилирует теплоту и влагу.

Количество воздуха, необходимое для ассимиляции теплоизбытков G_Q, кг/ч, определяется по формуле

или , (2.13)

где Q_изб – количество избыточной теплоты, Вт;

С – удельная массовая теплоемкость воздуха, кДж/ (кг ⁰С);

Количество воздуха, необходимое для ассимиляции влаги, поступающей в помещение, определяется по формуле

, (2.14)

где W – количество поступающей в помещение влаги, кг/ч.

3. Воздух поглощает влагу при i – const. (линия 1-4). Такой процесс называется адиабатным (повышение влагосодержания при постоянной энтальпии). Широко применяется в системах кондиционирования в оросительной камере, где через форсунки распыляется вода. Температура воды постепенно устанавливается равной температуре мокрого термометра t_м. Воздух, находясь в контакте с водой, имеющей температуру мокрого термометра, теряет явную теплоту, которая затрачивается на испарение воды. В то же время воздух получает такое же количество скрытой теплоты с водяными парами. Энтальпия остается постоянной т.к. притока теплоты практически нет.

Практически в камерах орошения воздух можно увлажнить до 90 – 95 %.

4. Воздух отдает теплоту при d – const (линия 1-5). Уменьшается i. .

Охлаждение воздуха по d – const (как и нагревание) может быть осуществлено в поверхностных теплообменниках (воздухоохладителях). При охлаждении луч направлен вертикально вниз и может быть продолжен только до точки росы, расположенной на . Дальнейшее охлаждение будет идти по линии насыщения и сопровождаться конденсацией паров и осушкой воздуха.

Расход холода Q_x, кДж/ч в воздухоохладителе для G, кг/ч, воздуха, участвующего в процессе, может быть определен по формуле

. ( 2.15)

5. Воздух отдает теплоту и влагу, т.е. идет охлаждение и осушка (линия 1-6). (Δi и Δd имеют отрицательные знаки).

Этот процесс может быть в камере орошения и других установках. Для охлаждения и осушки в оросительной камере должна установиться температура ниже точки росы, что достигается подачей к форсункам охлажденной воды.

6. Воздух отдает влагу при постоянной энтальпии, т.е. уменьшается d при i – const. Воздух осушается. (линия 1-7).

Процесс осушки при i – const можно осуществить с помощью абсорбентов, (например концентрированных растворов солей хлористого кальция, хлористого лития и др.) или адсорбентов (например, силикагеля).

Наружный воздух, подаваемый в помещение, в ряде случаев предварительно смешивают с внутренним воздухом (имеет место рециркуляция внутреннего воздуха). Возможны и другие случаи, связанные с перемешиванием масс воздуха разного состояния.

Процесс смешивания воздуха в i – d – диаграмме изображается прямой, соединяющей точки, соответствующие состоянию смешиваемых масс воздуха. Точка смеси всегда располагается на этой прямой и делит ее на отрезки, длины которых обратно пропорциональны смешиваемым массам воздуха.

Если смешивается воздух состояния А массой G_A и воздух состояния Б массой G_Б (рисунок 2.35), то точка смеси С будет лежать на линии АБ и разделит ее на отрезки отношение длин которых

(2.16)

Рисунок 2.35 – Изображение на i-d-диаграмме процесса смешивания

воздуха

Пропорцию можно составить и в другом виде

. (2.17)

Если обозначить пропорцию смеси , то для нахождения положения точки смеси С, нужно прямую АБ разделить на количество частей n + 1 и от точки Б отложить отрезок, равный 1 части, оставив n частей до точки А.

Точку С на прямой АБ можно определить по вычисленному значению энтальпии смеси i_с из уравнения теплового баланса или влагосодержания смеси d_с из уравнения материального баланса по водяным парам.

; (2.18)

. (2.19)

Соответственно получим:

; (2.20)

. (2.21)

Возможен случай, когда точка смеси окажется в области ниже линии (рис. 2.36), т. е. в области тумана.

Рисунок 2.36 - Изображение на i-d-диаграмме процесса смешивания воздуха при расположении точки смеси ниже линии

Это значит, что при смешивании происходит конденсация водяных паров и выпадение конденсата из воздуха. Если принять, что температура выпадающей влаги близка к температуре мокрого термометра, которой соответствует (i_c-const) точка смеси С, то действительные параметры точки смеси С´ будут соответствовать пересечению линий i_c´-const и . Количество выпавшей из 1 кг воздуха влаги (2.22).