Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения. Между данными процессами существует принципиальное различие.Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара.Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсациейПар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщенным паром.

Различают следующие состояния водяного пара:

Влажный пар – насыщенный пар, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц.
Сухой насыщенный пар – пар, не содержащий одноименной жидкости и имеющий температуру кипения
tH при данном давлении PП.Индекс “н” при температуре обозначает насыщение (или кипение).
Перегретый пар – пар, температура которого превышает температуру кипения (tП>tН) при данном давлении Р.

Рассмотрим характер и расположение изобар (процесс при постоянном давлении P=const) воды и водяного пара в Ts-диаграмме. Энтропия S является термодинамическим параметром состояния вещества.

Полагая, что изобары при любом давлении начинаются от температуры тройной точки А (рис. 1а), равной Т=273,15 К, энтропию S для всех давления можно приближенно принять равной нулю. В Ts-диаграмме (рис. 1а) изобара нагрева воды, парообразования и перегрева пара соответствует кривой АА1В1Д1. Выделим характерные участки. На участке АА1 происходит нагрев воды при постоянном давлении. В точке А1 вода кипит, имея температуру насыщения (кипения) Т при данном давлении. В области влажного пара (участок А1В1) температура постоянна и равна температуре насыщения, изобара расположена параллельно оси энтропии S. В точке В1 – сухой насыщенный пар при данном давлении. На участке В1Д1 – перегретый пар. Температура перегретого пара Т больше температуры насыщения Т при данном давлении.

Представим целую систему изобар (Р2>Р1; Р3>Р2) в диаграмме (рис. 1б). Соединим точки А1; А1’; А1’’ кипения воды при соответствующих давлениях Р1, Р2, Р3 и получим левую пограничную кривую АК. Соединив точки В1, В1’, В1’’ сухого насыщенного пара при давлении Р1, Р2, Р3 – правую пограничную кривую КВ. Параметры критической точки К для воды – давление Ркр=22,1 Мпа, температура Ткр=647,3 К. в критической точке отсутствует граница раздела – мениск между жидкой и газообразной фазой.


Пограничные кривые АК и КВ делят диаграмму на три части:

В области жидкости изобары достаточно близко расположены друг к другу и практически сливаются с левой пограничной кривой АК.

Атмосферный воздух (влажный воздух) с учетом рассмотренных состояний водяного пара может быть:

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман.
Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.
Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов (1-6).

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона (1,4,5):

Р=Рв+Рп, (1)

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (2)

сухой воздух PBV=MBRBT; (3)

водяной пар РПV=MПRПТ, (4)

где V – объем влажного воздуха, м3; М, МВ, МП – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, RВ, RП – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг× К); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м3 влажного воздуха. Она обозначается через r П и измеряется в кг/м3 или г/м3. Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе: r ПП/(RПТ). Очевидно, что r ПП/V, где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха j называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха (r Н) при той же температуре: , (5)

для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений водяного пара , (6)

где РН – давление насыщенного водяного пара при данной температуре влажного воздуха, определяется по таблице Приложения II.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине j :
j <100 %, при этом РП<РН и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;
j =100 %, при этом РПН и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный.
Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы
tН.

Определение основных параметров и характеристик влажного воздуха по

hd – диаграмме

Впервые hd - диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления.


а) принцип построения; б) диаграмма


В hd – диаграмме (рис.) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздуха h, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на hd - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии h=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на hd.-диаграмме наносят изотермы tС=const, tM=const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от. j =5% до j =100%). Линии постоянных значений относительной влажности j =const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе РП меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда РП станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при РП=Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности j =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии j =100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при j =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, tC=tM, то изотермы tC=tM=const пересекаются на линии j =100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по hd - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность - j , энтальпию воздуха - h; парциальное давление пара – РП, температуру точки росы – tМ.

Средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг× К) Приложение I

t, ° C

Воздух (абс. сух.)

Водяной пар

N2

CO2

1

2

3

4

5

Изобарный процесс (Р=const)

0

1,0036

1,8594

1,0304

0,8148

100

1,0061

1,8728

1,0316

0,8658

200

1,0115

1,8937

1,034б

0,9102

300

1,0191

1,9122

1,0400

0,9487

400

1,0253

1,9477

1,0475

0,982б

500

1,0387

1,9778

1,0567

1,0128

600

1,0496

2,0092

2,0092

1,0396

700

1,0605

2,0419

1,0777

1,0619

800

1,0710

2,0754

1.0681

1,0852

900

1,0815

2,1097

1,0982

1,1045

1000

1,0907

2,1436

1,1078

1,1225

1100

1,0999

2,1711

1,1170

1,1384

1200

1,1082

2,2106

1,1258

1,1530

1300

1,1166

2,2429

1,1342

1,1660

1400

1,1242

2,2743

1,1422

1,1782

1500

1,1313

2,3048

1,1497

1,1895

Изохорный процесс ( V=const )

0

0,7164

1.3980

0,7352

0,6259

100

0,7193

1,4114

0,7365

0,6770

200

0.7243

1,4323

0,7394

0,7214

300

0.7319

1.4574

0,7448

0,7599

400

0,7415

1.4863

0,7524

0,7938

500

0.7519

1,5160

0,7716

0,8508

600

0.7624

1,5474

0,7716

0,8508

700

0,7733

1,5805

0,7821

0,8745

800

0,7842

1,6140

0,7926

0,8964

900

0,7942

1,6483

0,8030

0,9157

1000

0.8039

1,6823

0,8127

0,9332

1100

0.8127

1,7158

0,8219

0,9496

1200

0.8215

1,7488

0,8307

0,9638

1300

0.8294

1,7815

0,8390

0,9772

1400

0,8369

1,8129

0,8470

0,9893

1500

0.8441

1,8434

0,8541

1,0006

1600

0.8508

1,8728

0,8612

1,0107

1700

0.8570

1,9016

0,8675

1,0203

1800

0,8533

1,9293

0,8738

1,0291

1900

0.8688

1,9552

0,8792

1,0371

2000

0,8742

1,9804

0,6847

1,0446

2100

0.8792

2,0051

0,8901

1,0517

2200

0,8843

2,0281

0,8947

1,0580

с

Приложение II

Температура t, ° С

Абсолютная температура Т, К

Абсолютное давление насыщения РН, Па

Температура t, ° С

Абсолютная температура Т, К

Абсолютное давление насыщения РН, Па

5

278,15

8,7180× 102

16,5

289,65

1,8759× 103

6

279,15

9,3460× 102

17,0

290,15

1,9364× 103

7

280,15

1,0012× 103

17,5

290,65

1,9986× 103

8

281,15

1,0721× 103

18,0

291,15

2,0626× 103

9

282,15

1,1473× 103

18,5

291,65

2,1284× 103

10

283,15

1,2271× 103

19,0

292,15

2,1960× 103

11

284,15

1,3118× 103

19,5

292,65

2,2654× 103

12

285,I5

1,4015× 103

20

293,15

2,3368× 103

13

286,15

1,4967× 103

20,5

293,65

2,4168× 103

14

287,15

1,5974× 103

21,0

294,15

2,4855× 103

15

288,15

1,7041× 103

21,5

294,65

2,5629× 103

15,5

288,65

1,7598× 103

22,0

295,15

2,6424× 103

16,0

289,15

1,8170× 103

23,0

296,15

2,8079× 103