Атмосферный воздух представляет собой смесь газов (азот, кислород, благородные газы и др.) с некоторым количеством водяного пара. Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере.

Влажный воздух – смесь сухого воздуха и водяных паров. Знание его свойств необходимо для понимания и расчета таких технических устройств, как сушилки, системы отопления и вентиляции и т.п.

Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным . Воздух, в котором не содержится максимально возможное при данной температуре количество водяного пара, называется ненасыщенным . Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух – из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Водяной пар содержится в воздухе обычно в небольших количествах и в большинстве случаев в перегретом состоянии, поэтому к нему применимы законы идеальных газов.

Давление влажного воздуха В , согласно закону Дальтона, равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара:

В = р В + р П , (2.1)

где В – барометрическое давление, Па, р В , р П – парциальные давления соответственно сухого воздуха и водяного пара, Па.

В процессе изобарного охлаждения ненасыщенного влажного воздуха можно достичь состояния насыщения. Конденсация водяного пара, содержащегося в воздухе, образование тумана свидетельствуют о достижении точки росы или температуры росы . Точкой росы называется температура, до которой необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным.

Точка росы зависит от относительной влажности воздуха. При высокой относительной влажности точка росы близка к фактической температуре воздуха.

Абсолютная влажность ρ П определяет массу водяного пара, содержащуюся в 1 м 3 влажного воздуха.

Относительная влажность φ определяет степень насыщения воздуха водяным паром:

т.е. отношение действительной абсолютной влажности ρ П к максимально возможной абсолютной влажности в насыщенном воздухе ρ Н при той же температуре.

Для насыщенного воздуха φ = 1 или 100 %, а для ненасыщенного влажного воздуха φ < 1.

Величина влагосодержания, выраженная через парциальные давления:

(2.4)

Как видно из уравнения (2.4) с увеличением парциального давления р П влагосодержание d возрастает.

Энтальпия влажного воздуха является одним из основных его параметров и широко используется при расчетах сушильных установок, систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Энтальпию влажного воздуха относят к единице массы сухого воздуха (1 кг) и определяют как сумму энтальпий сухого воздуха i В и водяного пара i П , кДж/кг:

i = i В + i П ∙d (2.5)

id – диаграмма влажного воздуха

id – диаграмма влажного воздуха была предложена в 1918г. проф. Л.К. Рамзиным. В диаграмме (рис. 2.1) на оси абсцисс отложены значения влагосодержания d , г/кг, а по оси ординат – энтальпия i влажного воздуха, кДж/кг, отнесенные к 1 кг сухого воздуха. Для лучшего использования площади диаграммы линии i =const проведены по углом 135 ° к линиям d =const и значения d снесены на горизонтальную линию. Изотермы (t =const) нанесены в виде прямых линий.

По id – диаграмме влажного воздуха для каждого состояния влажного воздуха можно определить температуру точки росы. Для этого из точки, характеризующей состояние воздуха, надо провести вертикаль (линию d =const) до пересечения с линией φ =100%. Изотерма, проходящая через полученную точку, определит искомую точку росы влажного воздуха.

Кривая насыщения φ =100% разделяет id – диаграмму на верхнюю область ненасыщенного влажного воздуха и нижнюю область пересыщенного, в котором влага находится капельном состоянии (область тумана).

id – диаграмму можно использовать для решения задач, связанных с сушкой материалов. Процесс сушки состоит из двух процессов: нагрева влажного воздуха и его увлажнения, вследствие испарения влаги из высушиваемого материала.

Рис. 2.1. id – диаграмма влажного воздуха

Процесс нагревания протекает при постоянном влагосодержании (d =const) и изображается на id – диаграмме вертикальной линией 1-2 (рис. 2.1). Разность энтальпий в диаграмме определяет количество тепла, расходуемого на подогрев 1 кг сухого воздуха:

Q = M В ∙(i 2 - i 1), (2.6)

Идеальный процесс насыщения воздуха влагой в сушильной камере происходит при неизменной энтальпии (i =const) и изображается прямой 2-3′ . Разность влагосодержаний дает количество влаги, выделенной в сушильной камере каждым килограммом воздуха:

M П = М В ∙(d 3 - d 2), (2.7)

Реальный процесс сушки сопровождается уменьшением энтальпии, т.е. i ≠const и изображается прямой 2-3 .

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

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

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).

В атмосферном воздухе, а следовательно, и в воздухе помещений всегда содержится определенное количество водяного пара.

Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м 3 воздуха, называется объемной концентрацией пара или абсолютной влажностью f в г/м 3 . Водяной пар, входящий в состав паровоздушной смеси занимает тот же объем v, что и сама смесь; температура Т пара и смеси одинакова.

Энергетический уровень молекул водяного пара, содержащихся во влажном воздухе, выражается парциальным давлением е

где М е - масса водяного пара, кг; μ м - молекулярный вес, кг/моль: R - универсальная газовая постоянная, кГ-м/град·моль, или мм рт. ст·м 3 /град·моль.

Физическая размерность парциального давления зависит от того, в каких единицах выражены давление и объем, входящие в универсальную газовую постоянную.

Если давление измеряется в кГ/м 2 , то парциальное давление имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт. ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.

В строительной теплофизике для парциального давления водяного пара обычно принимается размерность, выраженная в мм рт. ст.

Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы используются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося в воздухе; количество это выражается в единицах, измеряющих давление или энергию пара.

Сумма парциальных давлений пара и воздуха равна полному давлению паровоздушной смеси

Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмосферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.

Предельное значение парциального давления Е в мм рт. ст. соответствует полному насыщению воздуха водяным паром F макс в г/м 3 и возникновению его конденсации, происходящей обычно на материальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешенном состоянии.

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденсация на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные значения величин Е в мм рт. ст. и F в г/м 3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t=16° С они равны друг другу.

С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха величины е и f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением температуры. Температура, при которой воздух достигает полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы.

Значения величин Е для влажного воздуха с различной температурой (при барометрическом давлении 755 мм рт. ст.) указаны в

При отрицательных температурах следует иметь в виду, что давление насыщенного водяного пара над льдом меньше давления над переохлажденной водой. Это видно из рис. VI.3, на котором представлена зависимость парциального давления насыщенного водяного пара Е от температуры.

В точке О, которая называется тройной, пересекаются границы трех фаз: льда, воды и пара. Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.

Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается относительным парциальным давлением или относительной влажностью.

Относительная влажность ср является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при данной температуре. В физическом отношении величина φ безразмерна и ее значения могут изменяться от 0 до 1; в строительной практике величину относительной влажности обычно выражают в процентах:

Относительная влажность имеет большое значение как в гигиеническом, так и в техническом отношении. Величина φ связана с интенсивностью испарения влаги, в частности, с поверхности кожи человека. Нормальной для постоянного пребывания человека считается относительная влажность в пределах от 30 до 60%. Величина φ характеризует также процесс сорбции, т. е. поглощения влаги пористыми гигроскопическими материалами, находящимися в контакте с воздушной влажной средой.

Наконец, величина φ определяет процесс конденсации влаги как на пылинках и других взвешенных частицах, содержащихся в воздушной среде, так и на поверхности ограждающих конструкций. Если воздух с определенным влагосодержанием подвергнуть нагреванию, то относительная влажность нагретого воздуха понизится, поскольку величина парциального давления водяного пара е останется постоянной, а максимальное его значение Е увеличится с повышением температуры, см. формулу (VI.3).

Наоборот, при охлаждении воздуха с неизменным влагосодержанием, его относительная влажность будет увеличиваться из-за уменьшения величины Е.

При некоторой температуре максимальное значение парциального давления Е окажется равным величине е, имеющейся в воздухе, а относительная влажность φ - равной 100%, что соответствуе точке росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление остается постоянным (максимальным), а излишнее количество влаги конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние. Таким образом, процессы нагревания и охлаждения воздуха связаны с изменениями его температуры, относительной влажности, а следовательно, и первоначального объема.

За основные величины при резких изменениях температуры влажного воздуха (например, при расчетах вентиляционных процессов) часто принимают его влагосодержание и теплосодержание (энтальпию).

где 18 и 29 - молекулярные веса водяного пара и сухого воздуха Р=Р е +Р в - общее давление влажного воздуха.

При постоянном общем давлении влажного воздуха (например, Р=1) его влагосодержание определяется только парциальным давлением водяного пара

Плотность влажного воздуха уменьшается с увеличением парциального давления по линейному закону.

Существенное различие молекулярных весов водяного пара и сухого воздуха приводит к повышению абсолютной влажности и парциального давления в наиболее теплых зонах (обычно в верхней зоне) помещений, в соответствии с закономерностями, .

где с р - удельная теплоемкость влажного воздуха, равная 0,24+0,47d (0,24 - теплоемкость сухого воздуха; 0,47 - теплоемкость водяного пара); t - температура,°С; 595 - удельная теплота испарения при 0°С, ккал/кг; d - влагосодержание влажного воздуха.

Изменение всех параметров влажного воздуха (например, при колебаниях его температуры) можно установить по I - d диаграмме, основными величинами которой являются теплосодержание I и влагосодержание d воздуха при среднем значении барометрического давления.

На I - d диаграмме теплосодержание I отложено по оси ординат, а проекции влагосодержания d - по оси абсцисс; на эту ось спроектированы истинные значения влагосодержания с наклонной оси, расположенной под углом в 135° к оси ординат. Тупой угол принят в целях более четкого построения на диаграмме кривых влажности воздуха (рис. VI.4).

Линии одинакового теплосодержания (I=const) располагаются на диаграмме наклонно, а одинакового влагосодержания (d = const) - вертикально.

Кривая полного насыщения воздуха влагой φ=1 делит диаграмму на верхнюю часть, в которой воздух неполностью насыщен, и нижнюю, где воздух полностью насыщен влагой и могут происходить процессы конденсации.

В нижней части диаграммы расположена построенная в обычной сетке координат по формуле (VI.4) линия p e =f(d) роста парциальных давлений водяного пара, выражаемых в мм рт. ст.

Диаграммы теплосодержания и влагосодержания широко используются в отопительно-вентиляционной практике при расчете процессов нагревания и охлаждения воздуха, а также в сушильной технике. С помощью I - d диаграмм можно установить все необходимые параметры влажного воздуха (теплосодержание, влагосодержание, температуру, точку росы, относительную влажность, парциальное давление), если известны только два из этих параметров.

Примечания

1. Это давление иногда называют упругостью водяного пара.

1. Абсолютная влажность.

Массовое количество пара в 1 м 3 воздуха –

2. Относительная влажность.

Отношение массового количества пара в паровоздушной смеси к максимально возможному количеству при той же температуре

(143)

Уравнение Менделеева – Клапейрона:

Для пара

Откуда:

Для определения относительной влажности воздуха используется прибор ""психрометр"", состоящий из двух термометров: мокрого и сухого. Разность показаний термометров градуируется в значения .

3. Влагосодержание.

Количество пара в смеси, приходящееся на 1 кг сухого воздуха.

Пусть мы имеем 1 м 3 воздуха. Его масса - .

В этом кубометре содержится: - кг пара, - кг сухого воздуха.

Очевидно: .

4. Энтальпия воздуха.

Складывается из двух величин: энтальпия сухого воздуха и пара.

5. Точка росы.

Температура, при которой газ данного состояния, охлаждаясь при постоянном влагосодержании (d=const), становится насыщенным ( =1.0), называется точкой росы .

6. Температура мокрого термометра.

Температура, при которой газ при взаимодействии с жидкостью, охлаждаясь при постоянной энтальпии (J=const), становится насыщенным ( =1.0), называется температурой мокрого термометра t M .

Диаграмма состояния воздуха.

Диаграмма составлена отечественным учёным Рамзиным (1918 год) и представлена на рис.169.

Диаграмма представлена для среднего атмосферного давления Р=745 мм рт. ст. и по сути является изобарой равновесия системы пар - сухой воздух.

Оси координат диаграммы J-d развёрнуты под углом 135 0 . Внизу располагается наклонная линия для определения парциального давления водяного пара P n . Парциальное давление сухого воздуха

Выше на диаграмме проведена кривая насыщения ( =100%). Процесс сушки на диаграмме можно представить только выше этой кривой. Для произвольной точки ""А"" на диаграмме Рамзина можно определить следующие параметры воздуха:

Рис.169. Диаграмма J-d состояния влажного воздуха.

Статика сушки.

В процессе конвективной сушки, например, воздухом влажный материал взаимодействует, контактирует с паровоздушной смесью, парциальное давление водяного пара в которой составляет . Влага может уходить из материала в виде пара, если парциальное давление пара в тонком пограничном слое над поверхностью материала или, как говорят, в материале Р м будет больше .

Движущая сила процесса сушки (Дальтон, 1803 г.)

(146)

В состоянии равновесия =0. Влагосодержание материала, соответствующее условию равновесия, называется равновесным влагосодержанием (U p).

Проведём опыт. В камеру сушильного шкафа при определённой температуре (t=const) поместим абсолютно сухое вещество на длительное время. При определённом воздуха в шкафу влагосодержание материала достигнет U p . Изменяя , можно получить кривую (изотерму) сорбции влаги материалом. При уменьшении - кривую десорбции.

На рис.170 представлена кривая сорбции – десорбции влажного материала (изотерма равновесия).

Рис.170. Изотерма равновесия влажного материала с воздухом.

1-область гигроскопического материала, 2-гигроскопическая точка, 3-область влажного материала, 4-область сорбции, 5-область десорбции, 6-область сушки.

Различают кривые равновесия:

1. гигроскопического

2. негигроскопического материала.

Изотермы представлены на рис.171.

Рис.171. Изотермы равновесия.

а) гигроскопического, б) негигроскопического материала.

Относительная влажность воздуха в сушилке и в атмосфере.

После сушилки при контакте с атмосферным воздухом гигроскопичный материал значительно увеличивает влагосодержание на (рис.171 а) за счёт адсорбции влаги из воздуха. Поэтому гигроскопический материал после сушки должен храниться в условиях, не допускающих контакта с атмосферным воздухом (эксикация, обёртка и др.).

Материальный баланс.

В качестве учёбной обычно принимают туннельную сушилку, т.к. она имеет транспортные средства в виде вагонеток (сушка кирпича, древесины и др.). Схема установки представлена на рис.172.

Рис.172. Схема туннельной сушилки.

1-вентилятор, 2-калорифер, 3-сушилка, 4-вагонетки, 5-линия рецикла отработанного воздуха.

Обозначения:

Расход и параметры воздуха до калорифера, после него и после сушилки.