Основные параметры влажного воздуха. Термодинамические параметры влажного воздуха Термодинамическая модель СКВ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Методические указания

для студентов специальностей 280201

дневной и заочной форм обучения

Саратов 2009

Цель работы : углубление знаний по разделу технической термодинамики «Влажный воздух», изучение методики расчета параметров влажного воздуха и получение навыков в работе с измерительными приборами.

В результате работы должно быть усвоено:

1) основные понятия о влажном воздухе;

2) методика определения параметров влажного воздуха по

расчетным зависимостям;

3) методика определения параметров влажного воздуха по

I-d-диаграмме.

1) определить значение параметров влажного воздуха по

расчетным зависимостям;

2) определить параметры влажного воздуха с помощью

I-d-диаграммы;

3) составить отчет о выполненной лабораторной работе.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим воздухом. В природе сухой воздух не встречается, так как атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Влажный воздух широко используется в сушильных и вентиляционных установках, устройствах кондиционирования воздуха и т. д.

Характерная особенность процессов, протекающих во влажном воздухе, заключается в том, что количество водяного пара, содержащегося в воздухе, изменяется. Пар может частично конденсироваться и, наоборот, вода испаряется в воздух.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называется ненасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление пара рп в смеси меньше давления насыщения рн, соответствующего температуре влажного воздуха (рп<рн). Температура пара выше температуры его насыщения при данном парциальном давлении.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара, называется насыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара в смеси равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха. Температура пара равна температуре конденсации при данном парциальном давлении пара.

Смесь, состоящая из сухого воздуха и влажного насыщенного водяного пара (то есть в воздухе имеются частицы сконденсированного пара, находящиеся во взвешенном состоянии и выпадающие в виде росы), называется перенасыщенным влажным воздухом. Парциальное давление водяного пара равно давлению насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха, которая равна в данном случае температуре конденсации находящегося в нем пара. В этом случае температура влажного воздуха называется температурой точки росы t р . Если парциальное давление водяного пара окажется по каким-либо причинам больше давления насыщения, то часть пара сконденсируется в виде росы.

Основными показателями, характеризующими состояние влажного воздуха, являются влагосодержание d , относительная влажность j , энтальпия I и плотность r .

Расчет параметров влажного воздуха производится с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона для идеального газа, которому с достаточным приближением подчиняется влажный воздух. Рассматриваем влажный воздух как газовую смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара.

Согласно закону Дальтона, давление влажного воздуха р равно:

где рв - парциальное давление сухого воздуха, Па;

рп - парциальное давление водяного пара, Па.

Максимальное значение парциального давления водяного пара равно давлению насыщенного водяного пара рн, соответствующего температуре влажного воздуха.

Количество водяного пара в смеси в кг, приходящееся на 1 кг сухого воздуха, называется влагосодержанием d , кг/кг:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image003_38.gif" width="96" height="53">, так как , то ; (3)

Так как , то , (4)

где V – объем газовой смеси, м3;

R в , R п – газовые постоянные воздуха и водяного пара, равные

R в =287 Дж/(кг×К), R п =461 Дж/(кг×К);

Т – температура влажного воздуха, К.

Учитывая, что, и, подставляя выражения (3) и (4) в формулу (2), окончательно получаем:

DIV_ADBLOCK64">

Относительной влажностью j называется отношение плотности пара (то есть абсолютной влажности r п ) к максимально возможной абсолютной влажности (плотности r п max ) при данной температуре и давлении влажного воздуха:

Так как r п и r п max определяются при той же температуре влажного воздуха, то

https://pandia.ru/text/78/602/images/image013_6.gif" width="107" height="31"> . (8)

Плотность сухого воздуха и водяного пара определяется из уравнения Менделеева-Клапейрона, записанного для данных двух компонентов газовой смеси по (3) и (4).

R находится по формуле:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image015_6.gif" width="175" height="64 src=">.

Энтальпия влажного воздуха I представляет собой сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

I = i в + d × i п . (11)

Энтальпия сухого воздуха и пара:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image017_4.gif" width="181" height="39"> , (13)

где t м – показания мокрого термометра, °С;

(tc - t м ) – психрометрическая разность, °С;

х – поправка к температуре мокрого термометра, %, определяется

по графику, расположенному на стенде, в зависимости от t м и скорости

Для определения давления влажного воздуха используется барометр .

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерить температуру сухого и мокрого термометров. Определить истинную величину температуры мокрого термометра по формуле (13). Найти разность D t = tc - t м ист и по психрометрической таблице определить относительную влажность воздуха.

Зная величину относительной влажности, из выражения (7) найти парциальное давление водяного пара.

по (12), (13).

Удельный объем влажного воздуха находится по формуле:

Массу влажного воздуха М , кг, в помещении лаборатории определяют по формуле:

где V – объем помещения, м3;

р – давление влажного воздуха, Па.

Результаты расчетов и показания приборов занести в таблицу по следующей форме.

Протокол записи показаний измерительных приборов

и результатов вычислений

	Наименование определяемой величины	Обозначение	Размерность	Численная величина
	Давление влажного воздуха
	Температура сухого термометра
	Температура мокрого термометра	t м
	Относительная влажность воздуха
	Давление насыщенного пара
	Парциальное давление водяного пара
	Парциальное давление сухого воздуха
	Плотность влажного воздуха
	Абсолютная влажность	r п
	Газовая постоянная влажного воздуха
	Энтальпия влажного воздуха
	Масса влажного воздуха

Далее следует определить основные параметры влажного воздуха по замеренным tc и t м при помощи I-d-диаграммы. Точка пересечения на I-d-диаграмме изотерм, соответствующих температурам мокрого и сухого термометров, характеризует состояние влажного воздуха.

Сопоставить данные, полученные по I-d-диаграмме, с величинами, определенными с помощью математических зависимостей.

Максимальная возможная относительная погрешность определения парциального давления водяного пара и сухого воздуха определяется по формулам:

https://pandia.ru/text/78/602/images/image022_2.gif" width="137" height="51">; ,

где через D обозначен предел абсолютной погрешности измерения

Предел абсолютной погрешности гигрометра в данной лабораторной работе составляет ±6%. Абсолютная допускаемая погрешность термометров психрометра составляет ±0,2%. В работе установлен барометр с классом точности 1,0.

ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о выполненной лабораторной работе должен содержать

следующее:

1) краткое описание работы;

2) протокол записи показаний измерительных приборов и

результатов вычислений;

3) рисунок с I-d-диаграммой, где определено состояние влажного

воздуха в данном эксперименте.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется влажным воздухом?

2. Что называется насыщенным и ненасыщенным влажным воздухом?

3. Закон Дальтона применительно к влажному воздуху.

4. Что называется температурой точки росы?

5. Что называется абсолютной влажностью?

6. Что называется влагосодержанием влажного воздуха?

7. В каких пределах может изменяться влагосодержание?

8. Что называется относительной влажностью воздуха?

9. В I-d-диаграмме покажите линии j=const, I=const; d=const, tс=const, tм=const.

10. Чему равна максимально возможная плотность пара при данной температуре влажного воздуха?

11. Чем определяется максимально возможное парциальное давление водяного пара во влажном воздухе и чему оно равно?

12. От каких параметров влажного воздуха зависит температура мокрого термометра и как она изменяется при их изменении?

13. Как можно определить парциальное давление водяного пара в смеси, если известны относительная влажность и температура смеси?

14. Написать уравнение Менделеева-Клапейрона для сухого воздуха, водяного пара, влажного воздуха и объяснить все входящие в уравнение величины.

15. Как определить плотность сухого воздуха?

16. Как определить газовую постоянную и энтальпию влажного воздуха?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ляшков основы теплотехники / . М.: Высшая школа, 20с.

2. Зубарев по технической термодинамике / , . М.: Энергия, 19с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплотехника»

Составили: СЕДЕЛКИН Валентин Михайлович

КУЛЕШОВ Олег Юрьевич

КАЗАНЦЕВА Ирина Леонидовна

Рецензент

Редактор

Лицензия ИД № 000 от 14.11.01

Подписано в печать Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Копипринтер СГТУ, 7

Состояние влажного воздуха определяется совокупностью параметров: температурой воздуха t в, относительной влажностью в %, скоростью движения воздуха V в м/с, концентрацией вредных примесей С мг/м 3 , влагосодержанием d г/кг, теплосодержанием I кДж/кг.

Относительная влажность в долях или в% показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения и равна отношению давления Р п водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению Р п. н. водяного пара в насыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре и барометрическом давлении:

d= или d=623, г/кг, (1.2)

где В - барометрическое давление воздуха, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха Р С.В. и водяного пара Р П.

Парциальное давление водяных паров, находящихся в насыщенном состоянии, зависит от температуры:

КДж/кг, (1.4)

где с В - теплоемкость сухого воздуха, равная 1,005 ;

с П - теплоемкость водяного пара, равная 1,8 ;

r - удельная теплота парообразования, равная 2500 ;

I = 1,005t + (2500 + 1,8t) d * 10 -3 , кДж/кг. (1.5)

I-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов изменения состояния воздуха. Точка росы и мокрого термометра. Угловой коэффициент и связь его с поступлением тепла и влаги в помещение

I-d диаграмма влажного воздуха - это основной инструмент для построения процессов изменения его параметров. I-d диаграмма основана на нескольких уравнениях: теплосодержания влажного воздуха:

I = 1,005 * t + (2500 + 1,8 * t) * d/1000, кДж/кг (1.6)

в свою очередь давление водяных паров:

давление водяных паров, насыщающих воздух:

Па (Формула Фильнея), (1.9)

а - относительная влажность воздуха, %.

В свою очередь в формулу 1.7 входит барометрическое давление Р бар, разное для различных районов строительства, следовательно, для точного построения процессов требуется I-d диаграмма для каждого района.

I-d диаграмма (рис.1.1) имеет косоугольную систему координат для увеличения рабочей площади, приходящейся на влажный воздух и лежащей выше линии = 100%. Угол раскрытия может быть разным (135 - 150є).

I-d диаграмма связывает воедино 5 параметров влажного воздуха: тепло и влагосодержание, температуру, относительную влажность и давление водяных паров насыщения. Зная два из них, по положению точки можно определить все остальные.

Основными характерными процессами на I-d диаграмме являются:

Нагрев воздуха по d = const (без увеличения влагосодержания) рис.1.1, точки 1-2. В реальных условиях это нагрев воздуха в калорифере. Увеличивается температура и теплосодержание. Уменьшается относительная влажность воздуха.

Охлаждение воздуха по d = const. Точки 1-3 на рис.1.1 Этот процесс происходит в поверхностном воздухоохладителе. Уменьшается температура и теплосодержание. Увеличивается относительная влажность воздуха. Если продолжить охлаждение, то процесс дойдет до линии = 100% (точка 4) и, не пересекая линию, пойдет вдоль нее, выделяя влагу из воздуха (точка 5) в количестве (d 4 -d 5) г/кг. На этом явлении основана осушка воздуха. В реальных условиях процесс не доходит до = 100%, а окончательная относительная влажность зависит от начальной величины. По данным профессора Кокорина О.Я. для поверхностных воздухоохладителей:

max = 88% при начальном нач = 45%

max = 92% при начальном 45% < нач 70%

max = 98% при начальном нач > 70%.

На I-d диаграмме процесс охлаждения и осушки обозначается прямой линией, соединяющей точки 1 и 5.

Однако встреча с = 100% линии охлаждения по d = const имеет свое собственное название - это точка росы. По положению этой точки легко определяется температура точки росы.

Изотермический процесс t = const (линия 1-6 на рис 1.1). Все параметры возрастают. Увеличивается и тепло, и влагосодержание, и относительная влажность. В реальных условиях это увлажнение воздуха паром. То небольшое количество явного тепла, которое вносится паром, обычно не учитывается при построении процесса, т.к оно незначительно. Однако такое увлажнение достаточно энергоемко.

Адиабатный процесс I = const (линия 1-7 на рис.1.1). Снижается температура воздуха, увеличивается влагосодержание и относительная влажность. Процесс осуществляется при непосредственном контакте воздуха с водой, проходя либо через орошаемую насадку, либо через форсуночную камеру.

При глубине орошаемой насадки 100 мм можно получить воздух с относительной влажностью = 45% при начальной - 10%, насадка глубиной 200 мм дает = 70%, а 300 мм - = 90% (по данным блоккамер сотового увлажнения фирмы ВЕЗА). Проходя через форсуночную камеру, воздух увлажняется до величины = 90 - 95%, но со значительно большими энергозатратами на распыление воды, чем в орошаемых насадках.

Продолжив линию I = const до = 100%, мы получим точку (и температуру) мокрого термометра, это равновесная точка при контакте воздуха с водой.

Однако в аппаратах, где происходит контакт воздуха с водой, особенно по адиабатическому циклу, возможно возникновение болезнетворной флоры, и поэтому такие аппараты запрещены для использования в ряде медицинских и продовольственных отраслей.

В странах с жарким и сухим климатом аппараты на основе адиабатического увлажнения весьма распространены. Так, например, в Багдаде при дневной температуре в июне - июле 46єС и относительной влажности 10% такой кулер позволяет снизить температуру приточного воздуха до 23єС и при 10-20-кратном воздухообмене в помещении достигнуть внутренней температуры 26єС и относительной влажности 60-70%.

При сложившейся методике построения процессов на I-d диаграмме влажного воздуха наименование реперных точек получили следующую аббревиатуру:

Н - точка наружного воздуха;

В - точка внутреннего воздуха;

К - точка после нагрева воздуха в калорифере;

П - точка приточного воздуха;

У - точка воздуха, удаляемого из помещения;

О - точка охлажденного воздуха;

С - точка смеси воздуха двух различных параметров и масс;

ТР - точка росы;

ТМ - точка мокрого термометра, которая и будет сопровождать все дальнейшие построения.

При смешивании воздуха двух параметров линия смеси пойдет по прямой, соединяющей эти параметры, а точка смеси будет лежать на расстоянии, обратно пропорциональном массам смешиваемого воздуха.

КДж/кг, (1.10)

Г/кг. (1.11)

При одновременном выделении в помещение избыточного тепла и влаги, что обычно бывает при нахождении в помещении людей, воздух будет нагреваться и увлажняться по линии, называемой угловым коэффициентом (или лучом процесса, либо тепловлажностным отношением) е:

КДж/кгН 2 О, (1.12)

где?Q n - суммарное количество полного тепла, кДж/ч;

W - суммарное количество влаги, кг/ч.

При?Q n = 0 е = 0.

При?W = 0 е > ? (рис.1.2)

Таким образом, I-d диаграмма по отношению к внутреннему воздуху (или к другой точке) разбивается на четыре квадранта:

Iе от? до 0 - это нагрев и увлажнение;

IIе от 0 до - ? - охлаждение и увлажнение;

IIIе от - ? до 0 - охлаждение и осушка;

IVе от 0 до? - нагрев и осушка - в вентиляции и кондиционировании не используется.

Для точного построения луча процесса на I-d диаграмме, следует взять значение е в кДж/гН 2 О, и отложить на оси влагосодержание d = 1, или 10 г, а на оси теплосодержание в кДж/кг соответствующее е и полученную точку соединить с точкой 0 I-d диаграммы.

Процессы, не являющиеся основными, называются политропическими.

Изотермический процесс t = const характеризуется значением е = 2530 кДж/кг.

Рис.1.1

Рис.1.2 I-d диаграмма влажного воздуха. Основные процессы

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.

Лекция СУШКА.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых тел путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Во всех случаях при сушке в виде паров удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель, и.т.д.)

По физической сущности сушка является процессом совместного тепло, массопереноса и сводится к перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому его температура и влагосодержание в общем случае является функцией времени и координат.

В практике используется понятие влажность v, которая определяется как:

(5.2)

Если то тогда

По способу подвода теплоты различают:

Конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента;

Контактную (кондуктивную) сушку, тепло передается к материалу через разделяющую их стенку;

Радиационную сушку – путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

Сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

Диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

При любом способе сушки материал находится в контакте с влажным воздухом. В большинстве случаев из материала удаляется вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух – пары воды.

Параметры влажного воздуха.

Смесь сухого воздуха с парами воды является влажным воздухом. Параметры влажного воздуха:

Относительная и абсолютная влажность;

Теплоемкость и энтальпия.

Влажный воздух, при небольших P и Т, можно считать бинарной смесью идеальных газов – сухого воздуха и водяного пара. Тогда по закону Дальтона можно записать:

(5.3)

где P – давление парогазовой смеси, p c г – парциальное давление сухого воздуха, – парциальное давление водяного пара.

Свободный или перегретый пар – при данных Т и Р он не конденсируется. Максимально возможное содержание паров в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной Т и парциальным давлении .

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание воздуха.

Абсолютная влажность – это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха (кг/м 3) . Понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара при температуре Т и парциальном давлении .

Относительная влажность - это отношение количества паров воды в воздухе к максимально возможному, при данных условиях, или отношение плотности пара при данных условиях к плотности насыщенного пара при тех же условиях:

По уравнению состояния идеального газа Менделеева – Клайперона для пара в свободном и насыщенном состоянии имеем:

и (5.5)

Здесь М п – масса одного моля пара в кг, R – газовая постоянная.

С учетом (5.5) уравнение (5.4) принимает вид:

Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента (воздуха).

Здесь G П – масса (массовый расход) пара, L – масса (массовый расход) абсолютно сухого газа. Выразим величины G П и L через уравнение состояния идеального газа:

,

Тогда соотношение (5.7) преобразуется к виду:

(5.8)

Масса 1 моля сухого воздуха в кг.

Вводя и учитывая получим:

(5.9)

Для системы воздух – водяной пар , . Тогда имеем:

(5.10)

Итак, установлена связь между влагосодержанием х и относительной влажностью φ воздуха.

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара.

Удельная теплоемкость влажного газа c , отнесенная к 1 кг сухого газа (воздуха):

(5.11)

где удельная теплоемкость сухого газа, удельная теплоемкость пара.

Удельная теплоемкость , отнесенная к 1 кг парогазовой смеси:

(5.12)

При расчетах обычно используют с .

Удельная энтальпия влажного воздуха Н относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха Т как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара :

(5.13)

Удельную энтальпию перегретого пара определяют по следующему выражению.

Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются , то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением . Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.

Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие :

1. плотность;
2. теплоемкость;
3. температура;
4. влагосодержание;
5. парциальное давление водяного пара;
6. относительная влажность;
7. температура точки росы;
8. энтальпия (теплосодержание);
9. температура по мокрому термометру.

Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества (кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.

Под воздействием различных факторов может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается , то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется , и это приводит к возникновению конвективных течений : происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха както повышает свою температуру.

Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.

Более менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов : струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.