Определение параметров влажного воздуха. Определение параметров влажного воздуха Влажный воздух основные характеристики влажного воздуха

Рис. 1. Отображение процессов обработки воздуха на d-h-диаграмме

Рис. 2. Изображение на d-h-диаграмме параметров воздуха при кондиционировании

Основные термины и определения

Атмосферный воздух представляет собой не расслаиваемую смесь газов (N2, O2, Ar, CO2 и др.), которую называют сухой воздух, и паров воды. Состояние воздуха характеризуется: температурой t [°C] или Т [К], давлением барометрическим рб [Па], абсолютным рабс = рб + 1 [бар] или парциальным рпар, плотностью ρ [кг/м3], удельной энтальпией (теплосодержанием) h [кДж/кг]. Состояние влаги в атмосферном воздухе характеризуется влажностью абсолютной D [кг], относительной ϕ [%] или влагосодержанием d [г/кг].Давление атмосферного воздуха рб представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха рс и водяного пара рп (закон Дальтона):

рб = рс + рп. (1)

Если газы могут смешиваться в любых количествах, то воздух может вместить лишь определенное количество водяных паров, потому что парциальное давление паров воды рпв в смеси не может быть больше парциального давления насыщения рн этих паров при данной температуре. Существование предельного парциального давления насыщения проявляется в том, что все избыточные пары воды сверх этого количества конденсируются.

При этом влага может выпадать в виде капель воды, кристаллов льда, тумана или изморози. Наименьшее содержание влаги в воздухе может быть доведено до нуля (при низких температурах), а наибольшее — примерно 3 % по массе или 4 % по объему. Абсолютная влажность D — количество пара [кг], содержащееся в одном кубическом метре влажного воздуха:

где Мп — масса пара, кг; L — объем влажного воздуха, м3.При практических расчетах за единицу измерения, характеризующую содержание пара во влажном воздухе, принимается влагосодержание. Влагосодержание влажного воздуха d — количество пара, содержащееся в объеме влажного воздуха, состоящего из 1 кг сухого воздуха и Мв [г] пара:

d = 1000(Mп/Mc), (3)

где Мc — масса сухой части влажного воздуха, кг. Относительной влажностью ϕ или степенью влажности, или гигрометрическим показателем, называют отношение парциального давления паров воды к парциальному давлению насыщенных паров, выраженное в процентах:

ϕ = (рп/pн)100 % ≈ (d/dп)100 %. (4)

Относительную влажность можно определить, измеряя интенсивность испарения воды. Естественно, чем ниже влажность, тем активнее будет идти испарение влаги. Если термометр обмотать влажной тканью, то показания термометра будут уменьшаться относительно сухого термометра. Разность показаний температур сухого и мокрого термометров дают определенное значение степени влажности атмосферного воздуха.

Удельная теплоемкость воздуха c — это количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воздуха на 1 К. Удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении зависит от температуры, однако для практических расчетов систем СКВ удельная теплоемкость как сухого, так и влажного воздуха:

сс.в = 1 кДж/(кг⋅К) = 0,24 ккал/(кг⋅К) = 0,28 Вт/(кг⋅К), (5)

Удельную теплоемкость водяного пара cп принимают равной:

сп = 1,86 кДж/(кг⋅К) = 0,44 ккал/(кг⋅К) = 0,52 Вт/(кг⋅К), (6)

Сухое или явное тепло — тепло, которое добавляется или отводится от воздуха без изменения агрегатного состояния пара (изменяется температура). Скрытое тепло — тепло, идущее на изменение агрегатного состояния пара без изменения температуры (например, осушка).Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха hв.в — это количество тепла, которое содержится в объеме влажного воздуха, сухая часть которого весит 1 кг.

Иначе, это количество теплоты, которое необходимо для нагревания от нуля до данной температуры такого количества воздуха, сухая часть которого равна 1 кг. Обычно принимают удельную энтальпию воздуха h = 0 при температуре воздуха t = 0 и влагосодержании d = 0. Энтальпия сухого воздуха hc.в равна:

hc.в = ct = 1,006t [кДж/кг], (7)

где с — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅К).Энтальпия 1 кг водяного пара равна:

hв.п = 2500 + 1,86t [кДж/кг], (8)

где 2500 — скрытая теплота испарения 1 кг воды при температуре нуль градусов, кДж/кг; 1,86 — теплоемкость водяного пара, кДж/(кг⋅К).При температуре влажного воздуха t и влагосодержании d энтальпия влажного воздуха равна:

hв.в = 1,006t + (2500 +1,86t)×(d/1000) [кДж/кг],где d = (ϕ/1000)dн [г/кг], (9)

Тепло и холодопроизводительность Q системы кондиционирования воздуха можно определить по формуле:

Q = m(h2 - h1) [кДж/ч], (10)

где m — расход воздуха, кг; h1, h2 — начальная и конечная энтальпии воздуха. Если влажный воздух охлаждать при неизменном влагосодержании, то будет снижаться энтальпия и температура, а относительная влажность будет увеличиваться. Наступит момент, когда воздух станет насыщенным и его относительная влажность будет равна 100 %. При этом начнется испарение из воздуха влаги в виде росы — конденсация пара.

Эта температура называется точкой росы. Температура точки росы для различных температур сухого воздуха и относительной влажности приведена в табл. 1.Точка росы является пределом возможного охлаждения влажного воздуха при неизменном влагосодержании. Для определения точки росы необходимо найти такую температуру, при которой влагосодержание воздуха d будет равно его влагоемкости dн.

Графическое построение процессов обработки воздуха

Для облегчения расчетов уравнение теплосодержания влажного воздуха представляют в виде графика, получившего название d-hдиаграмма (в технической литературе иногда употребляется термин i-dдиаграмма).В 1918 г. профессор Петербургского университета Л.К. Рамзин предложил d-hдиаграмму, на которой однозначно отражается связь между параметрами влажного воздуха t, d, h, ϕ при определенном атмосферном давлении pб.

При помощи d-hдиаграммы графическим методом просто решаются задач, решение которых аналитическим путем требует хотя и простых, но кропотливых вычислений. В технической литературе встречаются различные интерпретации этой диаграммы, которые имеют незначительные отличия от d-hдиаграммы Рамзина.

Это, например, диаграмма Молье (Mollier), диаграмма Кэриер (Carrier), опубликованная Американским обществом по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), диаграмма Французской ассоциации инженеров в области искусственного климата, вентиляции и холода (AICVF). Последняя диаграмма очень точная, выполнена трехцветной печатью.

Однако в нашей стране была распространена и используется в настоящее время, как правило, диаграмма Рамзина. Она имеется во многих учебниках, ее используют проектные организации. Поэтому и нами она взята за основу (рис. 1).Данная d-hдиаграмма Рамзина построена в косоугольной системе координат. По оси ординат откладываются значения энтальпии h, а по оси абсцисс, расположенной под углом 135° к оси ординат, откладывается влагосодержание d. Начало координат (точка 0) соответствует значениям h = d = 0.

Ниже точки 0 откладываются отрицательные значения энтальпии, выше — положительные. На полученной таким образом сетке строятся линии изотерм t = const, линии постоянных относительных влажностей ϕ = const, парциального давления водяного пара и влагосодержания. Нижняя кривая ϕ = 100 % характеризует насыщенное состояние воздуха и называется пограничной кривой. При повышении барометрического давления линия насыщения смещается вверх, а при понижении давления — вниз.

Так, при проведении расчетов для СКВ, расположенных в районе г. Киева, необходимо пользоваться диаграммой с барометрическим давлениемpб = 745 мм рт. ст. = 99 кПа. На d-hдиаграмме область, расположенная выше пограничной кривой (ϕ = 100 %), является областью ненасыщенного пара, а область ниже пограничной кривой — перенасыщенного влажного воздуха.

В этой области насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой фазе. Как правило, это состояние воздуха неустойчиво, поэтому на d-hдиаграмме процессы в ней не рассматривают. На d-hдиаграмме каждая точка выше пограничной кривой отражает определенное состояние воздуха (температуру, влагосодержание, относительную влажность, энтальпию, парциальное давление водяного пара).

Если воздух подвергается термодинамическому процессу, то переход его из одного состояния (точка А) в другое (точка В) соответствует на d-hдиаграмме линии А-В. В общем случае это кривая линия. Однако нас интересует только начальное и конечные состояния воздуха, а промежуточные не имеют значения, поэтому линию можно представить прямой, соединяющей начальное и конечное состояния воздуха.

Для определения на d-hдиаграмме точки, соответствующей некоторому состоянию воздуха, достаточно знать два независимых друг от друга параметра. Искомая точка находится на пересечении линий, соответствующим этим параметрам. Проведя перпендикуляры к линиям, на которых откладываются другие параметры, определяют их значения. Также определяется на d-hдиаграмме температура точки росы.

Так как температура точки росы является самой низкой температурой, до которой можно охладить воздух при постоянном влагосодержании, то для нахождения точки росы достаточно провести линию d = const до пересечения с кривой ϕ = 100 %. Точка пересечения этих линий есть точка росы, а соответствующая ей температура — температура точки росы. С помощью d-hдиаграммы можно определить температуру воздуха по мокрому термометру.

Для этого из точки с заданными параметрами воздуха проводим изоэнтальпу (h = const) до пересечения с линией ϕ = 100 %. Температура, соответствующая точке пересечения этих линий, есть температура мокрого термометра. В технической документации на кондиционеры оговариваются условия, при которых производились измерения номинальной холодопроизводительности. Как правило, это температура сухого и мокрого термометров, соответствующая относительной влажности 50 %.

Процесс нагревания воздуха

При нагревании воздуха линия термодинамического процесса проходит по прямой А-В с постоянным влагосодержанием (d = const). Температура воздуха и энтальпия увеличиваются, а относительная влажность уменьшается. Расход тепла на нагрев воздуха равен разности энтальпий конечного и начального состояний воздуха.

Процесс охлаждения воздуха

Процесс охлаждения воздуха на d-hдиаграмме отражается прямой, направленной вертикально вниз, (прямая А-С). Расчет производится аналогично процессу нагревания. Однако если линия охлаждения идет ниже линии насыщения, то процесс охлаждения пойдет по прямой А-С и далее по линии ϕ = 100 % от точки С1 до точки С2. Параметры точки С2: d = 4,0 г/кг, t = 0,5 °С.

Процесс осушения влажного воздуха

Осушение влажного воздуха абсорбентами без изменения теплосодержания (без отвода и подвода тепла) происходит по прямой h = const, то есть по прямой А-D, направленной вверх и влево (прямая А-D1). При этом влагосодержание и относительная влажность снижаются, а температура воздуха возрастает, т.к. в процессе абсорбции происходит конденсация пара на поверхности абсорбента, и освобожденная скрытая теплота пара переходит в тепло явное. Пределом этого процесса является точка пересечения прямой h = const с ординатой d = 0 (точка D1). Воздух в этой точке полностью освобожден от влаги.

Адиабатическое увлажнение и охлаждение воздуха

Адиабатическое увлажнение и охлаждение (без теплообмена c внешней средой) на d-hдиаграмме от исходного состояния (точка N) отражается прямой, направленной вниз по h = const (точка K). Процесс происходит при контакте воздуха с водой, постоянно циркулирующей в оборотном цикле. Температура воздуха при этом падает, влагосодержание и относительная влажность возрастают.

Пределом процесса является точка на кривой ϕ = 100 %, которая является температурой мокрого термометра. Одновременно эту же температуру должна приобрести рециркулирующая вода. Однако в реальных СКВ при адиабатических процессах охлаждения и увлажнения воздуха точка ϕ = 100 %, несколько не достигается.

Смешение воздуха с различными параметрами

На d-hдиаграмме параметры смешанного воздуха (с параметрами, соответствующими точкам (X и Y) можно получить следующим образом. Соединяем точки Х и Y прямой. Параметры смешанного воздуха лежат на этой прямой, и точка Z делит ее на отрезки, обратно пропорциональные массе воздуха каждой из составных частей. Если обозначить пропорцию смеси n = Gx/Gy, то чтобы на прямой Х-Y найти точку Z, необходимо прямую Х-Yразделить на количество частей n + 1 и от точки X отложить отрезок, равный одной части.

Точка смеси всегда будет ближе к параметрам того воздуха, сухая часть которого имеет большую массу. При смешивании двух объемов ненасыщенного воздуха с состояниями, соответствующими точкам Х1 и Y1, может случиться, что прямая Х1-Y1 пересечет кривую насыщения ϕ = 100 % и точка Z1 окажется в области туманообразования. Такое положение точки смеси Z2 показывает, что в результате смешения будет происходить выпадение влаги из воздуха.

Точка смеси Z1 при этом перейдет в более устойчивое состояние на кривую насыщения ϕ = 100 % в точку Z2 по изоэнтальпе. При этом на каждый килограмм смеси выпадает dZ1 - dZ2 грамм влаги.

Угловой коэффициент на d-hдиаграмме

Отношение:

ε = (h2 - h1)/(d2 - d1) = Δh/Δd (11)

однозначно определяет характер процесса изменения влажного воздуха. Причем значения величин Δh и Δd могут иметь знак «+» или «-», либо они могут быть равны нулю. Величина ε называется тепловлажностным отношением процесса изменения влажного воздуха, а при изображении процесса лучом на d-hдиаграмме — угловым коэффициентом:

ε = 1000(Δh/Δd) = ±(Qизб/Мв), кДж/кг, (12)

Таким образом, угловой коэффициент равен отношению избытков тепла к массе выделившейся влаги. Угловой коэффициент изображается отрезками лучей на рамке поля d-hдиаграммы (шкала угловых коэффициентов). Так, для определения углового коэффициента процесса X-Z необходимо из точки 0 (по шкале температур) провести прямую параллельную линии процесса X-Z до шкалы угловых коэффициентов. В данном случае линия O-N укажет угловой коэффициент, равный 9000 кДж/кг.

Термодинамическая модель СКВ

Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение составляет совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепловлажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.

Для выбора способов обработки воздуха строят d-hдиаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т.д. Графическое отображение процессов обработки воздуха на d-hдиаграмме называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).

Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Xн = хн(t). Соответственно, совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Xпр = хпр(t), а в обслуживаемом помещении Xпом = хпом(t) (параметры в рабочей зоне).

Технологический процесс есть аналитическое или графическое описание процесса движения многомерной функции Xн к Xпр и далее к Xпом. Отметим, что под переменным состоянием системы х(ϕ) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени. Термодинамическую модель движения функции Xн к Xпом строят на d-hдиаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.

Построение ТДМ начинают с нанесения на d-hдиаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05-91 (параметры Б). Верхней границей является изотерма tл и изоэнтальпа hл (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма tзм и изоэнтальпа hзм (предельные параметры холодного и переходных периодов года).

Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20 до 100 %.Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис. 2). Затем наносят на d-hдиаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне.

Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р1Р2Р3Р4 (комфортное кондиционирование). Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении ε и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепло-влажностном процессе в помещении ориентировочно можно принять в кДж/кг: предприятия торговли и общественного питания — 8500-10000; зрительные залы — 8500-10000; квартиры — 15000-17000; офисные помещения — 17000-20000.

После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях ε, проведенных из граничных точек зоны Р1Р2Р3Р4, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур:

Δt = tпом - tпр, (13)

где tпр — расчетная температура приточного воздуха. Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Хн к функции Хпом. Величину Δt принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения. Например, при использовании воды в качестве хладоносителя конечная температура воды в камере орошения tw составит:

tw = t2 + Δt1 + Δt2 + Δt3, (14)

где t1 — температура воды на выходе чиллера (5-7 °C); Δt1 — повышение температуры воды в трубопроводе от чиллера до водяного теплообменника кондиционера (1 °C); Δt2 — нагрев воды в камере орошения (2-3 °С); Δt3 — нагрев воды за счет коэффициента байпассирования (1°С).Таким образом, температура воды, контактируемой с воздухом, будет tw = 9-12 °С. Практически влажность воздуха достигает величины не более ϕ = 95 %, что повышает tw до 10-13 °С. Температура приточного воздуха будет:

tw = t2 + Δt2 + Δt3 + Δt4, (15)

где Δt4 — нагрев воздуха в вентиляторе (1-2 °С); Δt5 — нагрев воздуха в приточном воздуховоде (1-2 °С).Таким образом, температура приточного воздуха будет 12-17 °С. Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха Δt для производственных помещений составляет6-9 °С, торговых залов — 4-10 °С, а при высоте помещения более 3 м — 12-14 °С.

В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов. Зоны У, П и Р на d-h диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии ε на расстояниях, соответствующих разностей температур:Δt1 = tпом - tпр и Δt2 = tуд - tпом. Соотношение между tпр, tпом и t оценивается коэффициентом:

m1 = (tпом - tпр)/(tуд - tпр) = (hпом - hпр)/(hуд - hпр), (16)

Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к допустимому множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П1П2П3П4).При проектировании, как правило, пользуются электронными d-h диаграммами, различные варианты которых можно найти в Интернете.

Одной из распространенных диаграмм является диаграмма, разработанная компанией Daichi (Москва), www.daichi.ru. С помощью этой диаграммы можно найти параметры влажного воздуха при различном барометрическом давлении, построить линии процессов, определить параметры смеси двух потоков воздуха и др.Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла, которые будут рассмотрены в последующих номерах нашего журнала.

Атмосферный воздух практически всегда является влажным за счёт испарения в атмосферу воды с открытых водоёмов, а также вследствие горения органических топлив с образованием воды и т.п. Нагретый атмосферный воздух очень часто используется для сушки различных материалов в сушильных камерах и в других технологических процессах. Относительное содержание водяных паров в воздухе также является одной из важнейших составляющих климатического комфорта в жилых помещениях и в помещениях для длительного хранения продовольственных товаров и промышленных изделий. Эти обстоятельства определяют важность изучения свойств влажного воздуха и расчёта процессов сушки.

Здесь мы рассмотрим термодинамическую теорию влажного воздуха в основном с целью научиться рассчитывать процесс сушки влажного материала, т.е. научиться рассчитывать расход воздуха, который бы обеспечивал необходимую скорость сушки материала при заданных параметрах сушильной установки, а также с целью рассмотреть вопросы анализа и расчёта установок климатизации и кондиционирования воздуха.

Водяной пар, который присутствует в воздухе, может находиться либо в перегретом состоянии, либо в насыщенном. При определённых условиях водяной пар в воздухе может конденсироваться; тогда влага выпадает в виде тумана (облака), либо происходит запотевание поверхности – выпадение росы. Тем не менее, несмотря на фазовые переходы, находящийся во влажном воздухе водяной пар может с большой точностью рассматриваться как идеальный газ вплоть до состояния сухого насыщенного. В самом деле, например, при температуре t = 50 о С насыщенный водяной пар имеет давление p s = 12300 Па и удельный объём . Имея в виду, что газовая постоянная для водяного пара

т.е. при этих параметрах даже насыщенный водяной пар с ошибкой не более 0.6% ведёт себя как идеальный газ.

Таким образом, мы будем рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов с той лишь оговоркой, что в состояниях, близких к насыщению параметры водяного пара будут определяться по таблицам или диаграммам.

Введём некоторые понятия, характеризующие состояние влажного воздуха. Пусть в объёме пространства 1 м 3 находится влажный воздух в равновесном состоянии. Тогда количество сухого воздуха в этом объёме будет по определению плотностью сухого воздуха ρ св (кг/м 3), а количество водяного пара соответственно ρ вп (кг/м 3). Это количество водяного пара называется абсолютной влажностью влажного воздуха. Плотность влажного воздуха будет, очевидно,

При этом следует иметь в виду, что плотности сухого воздуха и водяного пара должны вычисляться при соответствующих парциальных давлениях, таким образом, что

т.е. мы считаем справедливым закон Дальтона для влажного воздуха.

Если температура важного воздуха равна t , то

Часто вместо плотности водяных паров , т.е. вместо абсолютной влажности, влажный воздух характеризуют так называемым влагосодержанием d , которое определяют как количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Для определения влагосодержания d выделим во влажном воздухе некоторый объём V 1 , такой чтобы масса сухого воздуха в нём составляла 1 кг, т.е. размерность V 1 в нашем случае есть м 3 /кг св. Тогда количество влаги в этом объёме будет d кг вп /кг св. Очевидно, что влагосодержание d связано с абсолютной влажностью ρ вп. В самом деле, масса влажного воздуха в объёме V 1 равна

Но поскольку объём V 1 мы выбрали так, чтобы в нём содержался 1 кг сухого воздуха, то очевидно . Второе же слагаемое есть по определению влагосодержание d , т.е.

Считая сухой воздух и водяной пар идеальными газами, получим

С учётом находим связь влагосодержания с парциальным давлением водяных паров в воздухе

Подставляя сюда численные значения , имеем окончательно

Поскольку водяной пар всё-таки не является идеальным газом в том смысле, что его парциальное давление и температура значительно ниже критических, влажный воздух не может содержать произвольное количество влаги в виде пара. Проиллюстрируем это на диаграмме p–v водяного пара (см. рис. 1).

Пусть начальное состояние водяных паров во влажном воздухе изображается точкой С. Если теперь при постоянной температуре t С добавлять во влажный воздух влагу в виде пара, например, путём испарения воды с открытой поверхности, то точка, изображающая состояние водяного пара, будет перемещаться вдоль изотермы t С =const влево. Плотность водяного пара во влажном воздухе, т.е. его абсолютная влажность, будет возрастать. Это увеличение абсолютной влажности будет продолжаться до тех пор, пока водяной пар при заданной температуре t С не станет сухим насыщенным (состояние S). Дальнейшее увеличение абсолютной влажности при заданной температуре невозможно, так как водяной пар начнёт конденсироваться. Таким образом, максимальное значение абсолютной влажности при заданной температуре есть плотность сухого насыщенного пара при этой температуре, т.е.

Отношение абсолютной влажности при заданной температуре и максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре называется относительной влажностью влажного воздуха, т.е. по определению имеем

Возможен также другой вариант конденсации паров во влажном воздухе, а именно изобарное охлаждение влажного воздуха. Тогда остаётся постоянным и парциальное давление водяного пара в воздухе. Точка C на диаграмме p–v будет смещаться влево вдоль изобары вплоть до точки R. Далее начнётся выпадение влаги. Такая ситуация очень часто осуществляется летом в течение ночи при охлаждении воздуха, когда на холодных поверхностях выпадает роса, а в воздухе образуется туман. По этой причине температура в точке R, при которой начинает выпадать роса, называется точкой росы и обозначается t R . Она определяется как температура насыщения, соответствующая заданному парциальному давлению пара

Энтальпия влажного воздуха в расчёте на 1 кг сухого воздуха вычисляется суммированием

при этом учитывается, что энтальпии сухого воздуха и водяного пара отсчитываются от температуры 0 о С (точнее от температуры тройной точки воды, равной 0.01 о С).

Сушка – это процесс удаления влаги из материалов.

Влагу можно удалять механическим способом (отжимом, фильтрованием, центрифугированием) или тепловым , т. е. путем испарения влаги и отвода образующихся паров.

По своей физической сущности сушка является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению теплоты и влаги внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

– конвективная сушка –непосредственное соприкосновение высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

– контактная сушка –передача теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

– радиационная сушка –передача теплоты инфракрасными лучами;

– диэлектрическая сушка – нагревание в поле токов высокой частоты;

– сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

Форма связи влаги в материале

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с продуктом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. Процесс удаления влаги из продукта сопровождается нарушением ее связи с продуктом, на что затрачивается определенная энергия.

Все формы связи влаги с продуктом делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь, физико-механическая связь. В процессе сушки пищевых продуктов удаляется, как правило, физико-химически и физико-механически связанная влага.

Химически связанная вода удерживается наиболее прочно и при нагревании материала до 120…150 °С не удаляется. Химически связанная влага наиболее прочно соединена с продуктом и может быть удаляется только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из продукта при сушке.

Физико-механическая связанная влага – это жидкость, находящаяся в капиллярах, и жидкость смачивания.

Влага в капиллярах подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров . Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом. В микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах тела. Осмотически связанная влага , называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания.

Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке теплоноситель (сушильный агент) передает продукту теплоту и уносит влагу, испаряющуюся из продукта. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло- и влагоносителя. Состояние влажного воздуха характеризуется следующими параметрами: барометрическое давление и парциальное давление пара, абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, плотность, удельный объем, температура и энтальпия. Зная три параметра влажного воздуха, можно найти все остальные.

Абсолютной важностью воздуха называется масса водяного пара, находящегося в 1 м 3 влажного воздуха (кг/м 3).

Относительной влажностью воздуха , т.е. степенью насыщения воздуха  , называется отношение абсолютной влажности к максимально возможной массе водяного пара (
), которая может содержаться в 1 м 3 влажного воздуха при тех же условиях (температура и барометрическое давление),

, т. е.
100. (1)

Масса водяного пара, кг, содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

, (2)

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t °С как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха
и водяного пара
(Дж/кг сухого воздуха):

, (3)

где с с.в – средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, Дж/(кгК); i n – энтальпия водяного пара, кДж/кг.

I  d -диаграмма влажного воздуха. Основные свойства влажного воздуха можно определять при помощи I  x -диаграммы, впервые разработанной Л.К. Рамзиным в 1918 г. Диаграмма I –х (рис. 1) построена для постоянного давления Р = 745мм рт. ст. (около 99 кН/м 2).

На вертикальной оси ординат отложена в определенном масштабе энтальпия I , а на оси абсцисс – влагосодержание d . Ось абсцисс расположена под углом 135 к оси ординат (для увеличения рабочей части поля диаграммы и удобства разворота кривых  = const).

На диаграмме нанесены линии:

постоянного влагосодержания (d = соnst) – вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

постоянной энтальпии (I = const) – прямые, параллельные оси абсцисс, т. е. идущие под углом 135° к горизонту;

постоянных температур, или изотермы (t = const);

постоянной относительной влажности ( = const);

парциальных давлений водяного пара р п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Рис. 1. I –d- диаграмма

Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары, в отличие от других составляющих смеси, могут находиться в воздухе, как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Содержание водяных паров в воздухе изменяется, как в процессе влажностной обработки его в приточных вентиляционных системах и кондиционерах, так и при ассимиляции воздухом выделений влаги в помещении. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит (по объёму): около 75% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов- аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и других. Указанные компоненты газовой смеси воздуха составляют его сухую часть, прочая часть воздушной массы это водяные пары.

Воздух рассматривается как смесь идеальных газов , что позволяет использовать законы термодинамики для получения расчётных формул.

Согласно закону Дальтона, каждый газ смеси, составляющий воздух, занимает свой объём, имеет своё парциальное давление

P i ,

и имеет одинаковую температуру с другими газами этой смеси.

Внимание! Важное определение:

Сумма парциальных давлений каждого из составляющих смеси равна полному барометрическому давлению воздуха.

B = Σ Р i , Па.

Рассмотрим понятие, что такое парциальное давление ?

Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав этой смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объёме и при той же температуре, что и в смеси.

В расчётах вентиляции влажный воздух мы рассматриваем как бинарную смесь, т.е. смесь двух газов, которая состоит из водяных паров и сухой части воздуха. Сухую часть воздуха мы условно принимаем однородным газом.

Таким образом, барометрическое давление равно сумме парциальных давлений сухого воздуха P с.в. и водяного пара P п , т.е.,

B = P с.в. +P п

При обычных условиях в помещении, когда давление водяного пара Р п приблизительно равно 15 мм. рт. ст., доля второго члена P с.в. в формуле барометрического давления, учитывающая разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составляет всего 0,75% величины плотности сухого воздуха ρ с.в. . Поэтому в наших инженерных расчётах считается, что

ρ возд. = ρ с.в.

При изменении влажности воздуха в вентиляционных процессах масса его сухой части остаётся неизменной. Исходя из этого, принято относить массу водяных паров, содержащихся в воздухе, к 1 кг. сухой части воздуха.

Перейдём непосредственно к тем физическим величинам, которые определяют параметры влажного воздуха. Именно совокупность этих параметров определяет состояние влажного воздуха:

это величина, характеризующая степень нагретости тела . Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. В настоящее время используется температурная шкала Цельсия и термодинамическая шкала температур Кельвина, которая основана на втором законе термодинамики. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется соотношение, а именно:

T, K = 273,15 + t °C

Важно отметить, что параметром состояния является абсолютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу Цельсия, т.е.

dT = dt.

Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нём водяного пара. Массу водяного пара в граммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг.

Величина d равна:

где: B – барометрическое давление, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха.
P с.в. и водяного пара P п ;
P п – парциальное давление водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе.

Величина φ равна отношению парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе P п. к парциальному давлению водяного пара в насыщенном влажном воздухе P н.п. при одной и той же температуре и барометрическом давлении, т.е.,

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом , а водяные пары, содержащиеся в этом воздухе, находятся в насыщенном состоянии.

Если φ < 100%, то воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии и его называют ненасыщенным влажным воздухом .

Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его величину определяют экспериментальным путём и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Pн.п. в Па или в мм. рт. ст . от температуры в t °C .

Например, для области положительных температур от 0°C и выше давление насыщенного водяного пара в Па, приблизительно выражается зависимостью:

P н.п. = 479 + (11,52 + 1,62 t) 2 , Па

Пользуясь понятием относительной влажности φ , влагосодержание воздуха можно определить как

Для вентиляционных процессов диапазон температур это величина постоянная и равна

С с.в. = 1,005 кДж/(кг ×°C).

В обычных для вентиляционных процессов в диапазоне температур эту величину можно считать постоянной и равной

С п = 1,8 кДж/(кг × °C).

J с.в. = С с.в. × t ,

где: t – температура воздуха, в °C.

Энтальпию сухого воздуха J с.в. при t = 0°C принимают равной 0.

для воды при t = 0°C равна 2500 кДж/кг .

в воздухе при произвольной температуре t , составляет

J п = 2500 + 1,8 t.

складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара.

Энтальпия J влажного воздуха, отнесённая к 1 кг сухой части влажного воздуха, в кДж/кг , при произвольной температуре t и произвольном влагосодержании d , равна:

где: 1,005 – C с.в. теплоёмкость сухого воздуха, _кДж/(кг×°С) ;
2500 – r удельная теплота парообразования, кДж/(кг×°С) ;
1,8 – C п теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг×°С) .

Если воздух передаёт явное тепло , он нагревается, т.е. его температура повышается. При нагревании влажного воздуха энтальпия изменяется в результате изменения температуры сухой части воздуха и водяных паров. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой от внешних источников (изотермическое увлажнение паром), ему передаётся скрытая теплота парообразования. Энтальпия влажного воздуха при этом также возрастает, потому что к энтальпии сухой части воздуха прибавляется энтальпия водяного пара. Температура воздуха при этом почти не меняется, что и послужило причиной введения этого термина — скрытая теплота.

В общем случае, энтальпия влажного воздуха состоит из явной и скрытой теплоты, поэтому энтальпию иногда называют полной теплотой.

Для дальнейших расчётов систем вентиляции и кондиционирования нам потребуются следующие основные параметры влажного воздуха:

температура t в , °С ;
влагосодержание d в , г/кг ;
относительная влажность φ в , % ;
теплосодержание J в , кДж/кг ;
концентрация вредных примесей С , мг/м 3 ;
скорость движения V в , м/сек.

Для сушки материалов в качестве теплоносителей и влагоносителей чаще всего используется нагретый в калорифере воздух или смешанные с воздухом топочные газы. Учитывая,что смесь топочных газов с атмосферным воздухом по своим теплофизическим свойствам мало отличается от нагретого влажного воздуха, будем рассматривать важнейшие характеристики влажного воздуха.

Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара. Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами:

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг,

Относительная влажность , или степени насыщения воздуха () называется отношение массы водяного пара в 1м 3 влажного воздуха () к максимально возможной массе водяного пара в 1м 3 воздуха (плотности насыщенного пара) при тех же условиях (t, P).

При увеличении температуры (плотность насыщенного пара) возрастает быстрее, чем(плотность пара), т.о. при нагревании относительная влажность уменьшается.

Влагосодержание - это количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха.

где и-масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг.

Согласно уравнению Менделеева-Клайперона,

Подставляя эти значения в формулу для (x) влагосодержания, получим

Молекулярная масса паров воды (18)

Молекулярная масса сухого воздуха (29)

Отношение18/29=0,622

По закону Дальтона, общее давление газовой смеси (Р) будет равно сумме парциальных давлений компонентов, т.е. для нашего случая , учитывая, что, тогда,

где - давление насыщения

Барометрическое давление

Теплосодержание или энтальпия влажного воздуха выражается суммой энтальпий 1кг сухого воздуха () и водяных паров () содержащихся в нем.

т.к. теплоемкость воздуха , а теплоемкость водяного пара. Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси с воздухом, тогда

Энтальпия перегретого пара при 0 0 С (=2493 кДж/кг)

Температура сухого термометра - обозначается буквой (или),это та температура, которая вокруг нас.

Температура мокрого термометра - температура адиабатического насыщения (т.е. без теплообмена с окружающей средой) или это температура испарения воды со свободной поверхности (обозначается ).

Потенциал сушки - обозначается (ж) это разность между температурой воздуха () и температурой мокрого термометра (), характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала.

Температура точки росы () -это температура насыщения воздуха при постоянном влагосодержании.

Парциальное давление влаги - это давление, которое бы создавали пары влаги, если бы эти пары занимали объем,занимаемый паро-воздушной смесью.

Основные приборы, с помощью которых измеряют параметры воздуха: (барометры, термометры, психрометры, гигрометры, самопишущие приборы- барографы, термографы).