Лабораторная работа № 5. Исследование свойств влажного воздуха

 

ЦЕЛЬЮ PАБОТЫ является исследование состояния воздуха в различных помещениях лаборатории, а также получение навыков пользования Н -d диаграммой влажного воздуха.

ЗАДАНИЕ

1. Опpеделить состояние воздуха в одном из помещений лаборатории.

2. Исследовать при помощи Н-d диаграммы процессы охлаждения данного воздуха, его подогрева до определенной температуры испаpения в воздух определенного количества воды.

 

Общие положения

Атмосфеpный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. Такой воздух называется ВЛАЖНЫМ. Влажный воздух (далее - воздух) является самым распространенным рабочим телом: воздух может быть теплоносителем, сушильным агентом, рабочим телом в производстве сжатого воздуха и т.д

К влажному воздуху применимы уравнения для смесей идеальных газов. Тогда по закону Дальтона для смесей газов давление влажного воздуха (В) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха (Р_с.в) и водяного пара (Р_п), т.е. В = Р_с.в + Р_п. (1)

В зависимости от вида пара, входящего в состав воздуха, различают:

воздух ненасыщенный - если пар, входящий в состав воздуха, является перегретым;

воздух насыщенный - если в воздух входит сухой насыщенный пар;

туман -если пар, входящий в состав воздуха, является влажным. Пpактическое применение имеет ненасыщенный воздух.

Основными параметрами влажного воздуха являются:

1) АБСОЛЮТНАЯ ВЛАЖНОСТЬ, r_п,кг/м³ -масса водяного пара (m_п), содеpжащаяся в 1 м³ влажного воздуха, т.е.

r_п = m_п/V_в.в (2)

2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ, - отношение абсолютной влажности (r_п) к максимально возможной абсолютной влажности (r_s) при той же температуре t, т.е. j =r_п/r_s (3)

или в соответствии с законом Клапейрона j=Р_п/Р_s, (4)

т.е. относительная влажность воздуха численно равна отношению парциального давления водяного пара в нем, Р_п, к максимально возможному давлению водяного пара при той же температуре воздуха, (Р_s).

Относительная влажность может быть выражена либо в долях единицы, либо в %. Если j =1 или j=100 %, то воздух насыщенный; если j=0, то воздух сухой; если воздух ненасыщенный, то j изменяется от 0 до 1 или от 0 до 1ОО%.

3) ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, d, это количество влаги, содержаùейся в воздухе, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Влагосодержание измеряется в кг/кг с.в. или в г/кг с.в.

По определению d =m_п/m_с.в. (5)

Используя уравнение Клапейpона для смеси идеальных газов, при [d]= г/кг имеем

d = 622×Р_п/(В - Р_п) (6) или (при [d]=кг/кг) d =0,622×Р_п/(В - Р_п) (7)

4) СТЕПЕНЬ НАСЫЩЕНИЯ, y - отношение влагосодержания воздуха d к максимально возможному влагосодержанию, d_мах, при той же температуре и давлении влажного воздуха, т.е. y =d/d_мах (8)

5) ЭНТАЛЬПИЯ влажного воздуха, Н - определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха (h _с.в) и энтальпии d кг водяного пара (h _п.×d), т.е. Н = h _с.в + h _п. ×d (9)

В соответствии с установившейся практикой энтальпии сухого воздуха и воды отсчитываются от 0°С. Тогда

h_с.в =С_p×t (10) и h = r + C_pп×t, (11),

где С_p и С_pп - удельные изобарные теплоемкости, соответственно, сухого воздуха и водяного пара; r -теплота парообразования при 0°С.

Пpинимая для приближенных расчетов С_pп =1,93 кДж/(кг×К); r= 2501 кДж/кг и С_p =1кДж/(кг×К):, получим для энтальпии влажного воздуха в кДж/кг с.в Н = t + (2501+1,93t)×d, (12)

Для влажного воздуха характерны три температуры: температура воздуха по сухому термометру (или просто - температура воздуха), t; температура мокрого термометра, t_м; температура точки росы, t_p.

Температура точки росы - предельная температура охлаждения воздуха, при которой начинается конденсация водяных паров из воздуха.

Для влажного воздуха соблюдается неравенство t > tм >tр. Для сухого воздуха: t > tм =tр.

Для насыщенного воздуха все три температуры одинаковы.

Изменение параметров воздуха в различных процессах наглядно отражается в Н-d диаграмме влажного воздуха, опубликованной русским ученым Л.К.Рамзиным в 1918 г. Для более рационального использования поля диаграмма построена в косоугольной системе координат энтальпия - влагосодержание с углом между осями в 135°. Для удобства применения на ней обычно не показывают настоящую ось влагосодержания, используют вспомогательную ось, проведенную под прямым углом к оси энтальпий. Благодаря чему H-d диаграмма смотрится, как другие диаграммы, в декартовой системе координат, но линии постоянной энтальпии являются прямыми, наклоненными к оси энтальпий под углом 45°. Диаграмма построена для среднего атмосферного давления в 745 мм.рт.ст.

На диаграмме нанесены изолинии: температуры(t=const), влагосодержания(d=const), влажности(j=const) и энтальпии(H=const). На некоторых диаграммах показаны также изотермы мокрого термометра(t_m=const) и линия парциального давления водяных паров с соответствующей ей осью давлений Р_в. Диаграмма имеет две пограничные кривые: изотерму с температурой 99,4°С, которая соответствует состоянию насыщения водяных паров при давлении 745 мм.рт.ст., и линию j=100%, которая соответствует насыщению воздуха водяными парами. Конденсация такого пара возможна только при его изобарном охлаждении до температур ниже 99,4°С. В этой области линии постоянной относительной влажности практически совпадают с линиями постоянного влагосодержания, т.е. являются вертикалями. Излом линий (j=const) происходит на пограничной прямой t=99,4°C. Область 1 соответствует ненасыщенному влажному воздуху; область 2 является областью тумана: смеси насыщенного воздуха и капель воды. В этой области нанесены только линии Н=const и d=const, т.е. относительная влажность здесь во всех точках максимальна и равна 100%, а изотермы на пограничной кривой имеют излом и практически совпадают с линиями H=const. Область тумана используется для расчетов редко. Изотермы построены по уравнению (12) и с ростом температуры несколько увеличивают угол наклона. Линии постоянной относительной влажности являются гиперболическими кривыми, построенными по уравнению (4), асимптотически приближающимися к оси энтальпий в области отрицательных значений.

 

а) б)

Н Н 6

t=99,4°C t=99,4°C

t_m=const j=const 7 H=const

t_A 1 2 3 С

A j=100% 5 8

t_mA М Н_A 1 Р j=100%

t_рA Р 2 p_п 4

 

 

d_A d d₄ d₃ d₇ d₈ d

Рис.1.Устройство Н-d диаграммы (а) и изображения основных процессов влажного воздуха (б)

Каждая точка диаграммы однозначно соответствует определенному состоянию влажного воздуха. По любой паре основных параметров влажного воздуха (энтальпия, температура, относительная влажность, температура мокрого термометра и парциальное давление водяных паров) могут быть определены остальные, а также - давление насыщенных водяных паров и температура точки росы.

Рассмотрим нахождение этих параметров для точки А (рис.1,а). Значения относительной влажности, влагосодержания, температуры и энтальпии определяются интерполяцией между соответствующими близрасположенными изолиниями. Температура мокрого термометра, которая представляет собой температуру свободной поверхности воды, находящейся в равновесии с влажным воздухом. Определяется как температура точки пересечения (точка М на рис. 1,а) пограничной кривой j=100% и изотермы мокрого термометра, проходящей через точку А. Для определения давления насыщенных водяных паров из точки М надо опуститься до линии р_п =¦(d) и от неё уйти вправо на ось давлений, на которой и взять числовое значение р_s. Точка росы (точка Р на рис. 1,а) находится на пересечении линии d_A=const и пограничной кривой j=100%. Парциальное давление водяных паров р_п определяется так же как и давление насыщенных водяных паров, т.е из точки Р надо опуститься по d=const на линию р_п =¦(d) и от нее уйти вправо на ось давлений. Для более точного определения давления водяных паров следует пользоваться таблицами насыщенных водяных паров.

При нагревании (или охлаждении) воздуха, его влагосодержание остается неизменным, поэтому эти процессы на Н-d диаграмме отражаются линией d=const (прямая 1-2 на рис.1,б отражает нагрев от t₁ до t₂, а 2-1 - охлаждение). Количество подводимого (или отводимого) тепла определяется разностью энтальпий

q=H₂- H₁, кДж/кг или Q=m×(H₂-H₁), кДж, (13)

где m - масса абсолютно сухого воздуха, кг.

При охлаждении воздуха ниже температуры точки росы (процесс 3-4 на рис. 1,б) из воздуха, начиная с точки росы Р, выделяется влага. При этом воздух будет оставаться насыщенным, т.е. процесс охлаждения при таких температурах будет проходить по линии j=const (процесс Р-4). Количество отведенного тепла определяется выражением (13), а количество выпавшей влаги находится через разность влагосодержаний

m_и=d₃- d₄, кг/кг или M_и=m×(d₃-d_r), кг. (14)

При смешивании известных количеств воздуха разного состава m ₅ и m₆ основные параметры смеси (энтальпия и влагосодержание) находятся по правилу аддитивности

Н _см=(H₅×m₅+H₆×m₆)/(m₆+m₆), кДж/кг и d_см=(d₅×m₆+d₅×m₆)/(m₅+m₆), кг/кг. (15)

Состав смеси будет отражаться точкой С, лежащей на прямой, соединяющей точки, соответствующие состояниям исходных составов (прямая 5-С-6 на рис.1,б). Положение точки С определяется по правилу рычага, т.е. 5С/6С=m₆/m₅. Если m₆»0 или m₅>>m₆ , то точка смеси будет совпадать с точкой 5.

При распылении в воздухе воды с температурой, близкой к температуре мокрого термометра, будет происходить её испарение. При этом тепло, необходимое для испарения, будет браться из окружающего воздуха и возвращаться в него в виде скрытой теплоты парообразования, т.е. теплосодержание смеси будет неизменным. Температура воздуха будет уменьшаться. Процесс будет адиабатным, т.к. теплообмен отсутствует. Теплосодержание, приносимое в систему впрыскиваемой водой, по сравнению с теплосодержанием воздуха пренебрежительно мало. Поэтому процесс адиабатного увлажнения на H-d диаграмме отражается линией H=const (линия 7-8 на рис.1,б). Количество вносимой влаги вычисляется по выражению, аналогичному (14).

Для повышения эффективности работы систем сжатого воздуха требуется снижение его влажности до минимально возможных величин (осушка). Самым экономичным способом осушки является конден-сационный. Он заключается в охлаждении воздуха до температуры, которая ниже температуры точки росы, и последующего его подогрева до исходной температуры. В процессе охлаждения происходит конденсация паров влаги. Естественно конденсат из системы должен быть отведен.

Пpоведение работы

1. С помощью психрометра определяем температуры сухого и мокрого термометров воздуха в лаборатории. По H-d диаграмме определяем положение точки, определяющей состояние воздуха (pис.2, точка 1). Параметры этой точки вносим в протокол испытаний.

2.По Н-d диаграмме проследим возможность охлаждения заданного воздуха:

а)до температуры выше температуры точки росы; б)до температуры, равной температуре точки росы;

в)до темпеpатуpы, ниже температуры точки росы.

(Все три температуры задаются преподавателем). Все процессы охлаждения изображаем в H-d диаграмме (pис.3) и для каждого определяем отнимаемое от воздуха тепло:

процесс 1-2, t₂>t_p Q = Н₁ - Н₂, кДж/кг;

процесс 1-3, t₃=t_p Q = H₁ - H₃, кДж/кг;

процесс 1-3-4, t₄<t_p Q = Н₁ - Н₄, кДж/кг.

H

 

 

t_m=const j=const

t₁

H j=100%

t_m

t_р p

р_s

р_в

d_A d

Рис. 2 Опpеделение параметров воздуха по H-d диаграмме

 

Таблица

Протокол испытаний

Исходное состояние	Расчетные параметры воздуха по H-d диаграмме
t,° C	tм,° C	j,%	d, г/кг	H, кДж/кг	tp,°С	Рп, кПа	Рс.в, кПа	dмах, г/кг

 

3. Нагpеваем исходный воздух на Ñt °C (задается преподавателем)

а) определяем максимальное количество воды, котоpое можно испарить в подогретый воздух;

б) определяем количество воды, которое можно испарить в исходный воздух.

Процессы подогрева воздуха и испарения воды в воздух изображаем в Н -d диаграмме (pис.4).

Отчет о работе должен содержать:

1.Пpотокол испытаний;

2.Изображение исходного состояния воздуха в H-d диаграмме (pис.2);

Н Н

 

1 2

t ₁ t ₂= t ₁+Ñt ₁

t₂ 2 j=100%

t₃=t_р 3 t ₁ 1 3

 

t₄ 4 Н₃ Н₂ Н₁ t ₄ 4 j=100%

Н₄

 

d_н d d₁ d₄ d₃ d

Рис.3.Пpоцессы охлаждения и Рис.4.Пpоцессы нагревания воздуха

охлаждения воздуха и испарения воды в воздух

 

3. Изображение пpоцессов охлаждения воздуха в H-d диаграмме (pис.3);

4. Изображение пpоцессов подогрева и испарения воды в воздух (pис.4);

5.Необходимые расчеты и выводы.

 

Контpольные вопросы.

1.Какой воздух называется влажным?

2.Основные параметры влажного воздуха.

3.H-d диаграмма влажного воздуха. Устpойство, правила пользования.

4.Нахождение по H-d диаграмме влажного воздуха температуры точки росы, температуры мокрого термометра, всех остальных параметров.

5.Основные процессы во влажном воздухе. Нагрев воздуха, охлаждение, испарение воды в воздух, смешение потоков воздуха. Их расчет.