ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Цель работы – измерение параметров влажного воздуха с помощью психрометра и освоение I–d диаграммы влажного воздуха.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Атмосферный воздух состоит из сухой части и некоторого количества водяных паров, поэтому его называют влажным воздухом. В состав сухой части воздуха входят (в % по массе): азот – 75.5, кислород – 23.1, углекислота – 0.05 и инертные газы – 1.3, а также незначительное количество водорода и азота.

Сухой воздух и водяной пар при температуре от –30 до +150 ⁰С подчиняются законам для идеальных газов.

При расчетах процессов, где в качестве рабочего тела участвует влажный воздух (например, процессы вентиляции и кондиционирования), его можно рассматривать как смесь двух газов: сухой части воздуха и водяного пара. Состояние воздуха характеризуется следующими параметрами.

Давление. Согласно закону Дальтона, сумма парциальных давлений сухой части воздуха и водяного пара будет равна давлению влажного воздуха, т.е. барометрическому давлению:

, (1)

а объемы этих частей равны объему влажного воздуха:

. (2)

Температура. Измеряется в градусах Цельсия (t,⁰С) или в Кельвинах (Т, К). Соотношение между температурами:

. (3)

Плотность. На основании уравнения состояния газа

(4)

для плотности сухой части воздуха получаем

, (5)

где – удельная газовая постоянная сухого воздуха.

Для плотности водяного пара имеем

, (6)

где – удельная газовая постоянная водяного пара.

Плотность влажного воздуха

. (7)

Для воздуха, находящегося в помещениях, содержание водяного пара мало, поэтому в расчетах систем вентиляции и кондиционирования можно принимать .

Влажность. Влагосодержанием называется масса водяного пара во влажном воздухе, приходящаяся на единицу массы сухой его части:

, (8)

где и – масса пара и сухой части воздуха, кг.

Учитывая, что объемы пара и сухой части воздуха одинаковы, можно написать: , а с учетом формул (5) и (6):

. (9)

Предельно-возможное влагосодержание воздуха соответствует состоянию, когда давление достигает значения давления насыщения водяного пара при температуре влажного воздуха:

, (10)

где определяется по таблицам для водяного пара в зависимости от температуры.

С повышением температуры резко возрастает и увеличивается.

Относительной влажностью воздуха называется отношение влагосодержания воздуха к предельно возможному:

. (11)

Используя выражения (1), (5) и (6), можно записать:

. (12)

Энтальпия. Удельной энтальпией влажного воздуха называется количество тепла во влажном воздухе, приходящееся на единицу массы сухой его части: сухого воздуха. Удельная энтальпия влажного воздуха складывается из удельной энтальпии сухой части воздуха и удельной энтальпии водяного пара:

, (13)

где и – теплоемкости воздуха и водяного пара, кДж/(кг×К);

r – скрытая удельная теплота испарения воды при температуре

0⁰С.

Учитывая, что , , , вместо (13) можно записать:

сухого воздуха. (14)

2. ДИАГРАММА I-d ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

При выполнении инженерных расчетов широко используется I-d диаграмма, которая представляет собой графическую связь параметров t, d, φ и I влажного воздуха (рис.1). В основу построения диаграммы положены зависимости (12) и (14). Диаграмма на рис.1 построена для барометрического давления в косоугольной системе координат.

В нижней части диаграммы имеется линия парциальных давлений пара, точка пересечения которой с вертикальной линией d=const определяет величину Р_П по шкале на правой стороне диаграммы.

Процесс нагревания влажного воздуха (например, в калорифере сушилки) изображается на I-d диаграмме вертикальной линией, восстановленной из начальной точки А до пересечения в точке Б с изотермой t_б, соответствующей температуре подогретого воздуха. Процесс охлаждения воздуха в поверхностном охладителе также идет при d=const, и прямая линия процесса проводится от начальной точки А вниз до пересечения с изотермой t_б, соответствующей температуре охлажденного воздуха.

Если при построении линии процесса охлаждения воздуха она пересекается с линией φ=100%, то температура в точке пересечения соответствует так называемой точке росы t_р. При этой температуре воздух оказывается в насыщенном влагой состоянии, и дальнейшее его охлаждение идет по линии φ=100% влево до достижения изотермы t_б. Изменение влагосодержания воздуха на данном участке линии процесса охлаждения соответствует количеству сконденсированной из воздуха капельной влаги.

Диаграмма I-d широко применяется для расчетов сушки различных материалов, где в качестве сушильного агента используется воздух. В этом случае рассматриваются два процесса: нагрев воздуха в калорифере и увеличение влагосодержания воздуха при контакте его с высушиваемым материалом в камере сушилки.

Если не учитывать потери тепла через стенки камеры сушилки в окружающую сферу, то процесс увеличения влагосодержания воздуха изображается прямой линией I=const, идущей от точки Б состояния воздуха за калорифером до точки С, через которую проходит изотерма, соответствующая температуре воздуха t_с за сушилкой. Энтальпия сушильного агента остается постоянной потому, что тепло, отбираемое от воздуха для испарения влаги, в том же количестве возвращается в воздух с испарившейся влагой. Разность влагосодержания воздуха после и до сушилки сухого воздуха дает величину влаги, испарившейся в расчете на 1 кг сухого воздуха.

Рис. 1. Диаграмма I-d

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Работа выполняется в следующем порядке:

а) измерить с помощью аспирационного психрометра Ассмана температуру воздуха в помещении по сухому и мокрому термометрам;

б) по результатам измерений, пользуясь I-d диаграммой, определить параметры состояния воздуха φ, d, I, P_П;

в) решить задачу.

4. ОПИСАНИЕ АСПИРАЦИОННОГО ПСИХРОМЕТРА

АССМАНА

Психрометр состоит из двух термометров, нижние части которых помещены в металлические гильзы 1 (рис. 2), которые, в свою очередь, заключены (центрично) в трубки 2. Наружные трубки 2 привернуты к концу 3 так, что они не сообщаются с гильзами 1, а между гильзой 1 и трубкой 2 образуется воздушная прослойка, предохраняющая баллоны термометров от действия лучистой теплоты. Гильзы 1 переходят далее в общую трубку 4, подводящую воздух к вентилятору, который установлен в головной части 5 прибора. Вентилятором, приводимым в движение от заводной пружины или маленького электродвигателя, воздух просасывается через гильзы 1 со скоростью около 2,5 м/с в общую трубку 4, откуда выбрасывается через щели 6 в окружающую среду.

При измерении параметров воздуха на один из термометров (обычно правый) надевают чулок 7 из марли или батиста, который смачивают водой из пипетки; после этого заводят (полностью) пружину вентилятора или включают электродвигатель. Спустя 3-4 минуты записывают показания обоих термометров (при установившемся состоянии термометров).

Вследствие испарения воды с поверхности ткани ее температура понижается. В установившихся условиях смоченный водой термометр покажет температуру, которую называют температурой мокрого термометра t_мок. Разность температур тем выше, чем суше воздух; если же воздух насыщен паром, то сухой и мокрый термометры покажут одинаковую температуру.

Поле диаграммы I-d разделено кривой φ=100% на две части: область ненасыщенного влажного воздуха, лежащую выше кривой, и область перенасыщенного влажного воздуха (область тумана). Каждая точка на поле диаграммы соответствует определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определяется любой парой параметров состояния.

Процессы изменения тепловлажностного состояния воздуха обычно изображаются на диаграмме I-d прямыми линиями (лучами), проходящими через точки, соответствующие начальному и конечному состоянию воздуха. Если параметры начального состояния соответствуют точке А (I_A, d_A), а конечного – точке Б (I_Б, d_Б), то при его увлажнении расход тепла Q и влаги W можно выразить следующим образом:

где 0,278 – коэффициент перевода кДж/ч в Вт; G – массовый расход воздуха, кг сух. воздуха/ч.

5. ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ

Ознакомившись с настоящим руководством по работе и психрометром Ассмана, необходимо подготовить протокол измерений и обработки опытных данных по форме:

Далее следует завести до отказа пружину привода вентилятора психрометра. Через 3-4 минуты после пуска вентилятора в строке 1 протокола зафиксировать результаты измерений. Затем, восстанавливая завод пружины, повторять измерения через тот же интервал времени. Измерения закончить при выходе на стационарный режим процесса тепло- и влагообмена между смоченной тканью мокрого термометра и воздухом. Об этом будет свидетельствовать идентичность показаний термометров в двух-трех идущих друг за другом измерениях. К обработке принимаются измерения, соответствующие установившемуся режиму.

6. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Для определения параметров состояния воздуха в помещении с помощью I-d диаграммы из точки пересечения изотермы, соответствующей измеренной температуре мокрого термометра t_мок , с линией насыщения φ=100% провести линию t_мок=const (на диаграмме рис.1 – пунктирные линии t_м) до пересечения ее с изотермой, соответствующей измеренной температуре сухого термометра t=t_сух. Последняя точка определит искомое состояние воздуха (его относительную влажность, влагосодержание, энтальпию и парциальное давление пара). Найденные по диаграмме значения параметров заносятся в таблицу.

7. КОНТРОЛЬНАЯ ЗАДАЧА

Для сушильной установки, схема которой приведена на рис. 3, с помощью I-d диаграммы определить расход воздуха L, кг сух. воздуха/ч, необходимый для испарения заданного количества влаги W, кг/ч, и количество тепла Q, Вт, которое затрачивается на подогрев воздуха в калорифере сушилки. На миллиметровке или листе бумаги дать в I-d координатах изображение процессов нагрева воздуха в калорифере и увеличения влагосодержания воздуха в сушильной камере. Численные значения исходных величин взять по индивидуальному номеру, названному преподавателем в соответствии с таблицей.

Рис. 3. Схема сушильной установки:

1 – атмосферный воздух; 2 – вентилятор; 3 – калорифер; 4 – выпуск конденсата; 5 – подача греющего пара; 6 – подача влажного материала; 7 – сушильная камера; 8 – выход сухого материала; 9 – выход влажного воздуха

8. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1) цель работы;

2) схему психрометра Ассмана;

3) заполненный протокол измерений и обработки данных;

4) схему сушильной установки, условие и решение задачи, изображение процессов изменения состояния воздуха в установке.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение следующих понятий: влажный воздух; парциальное давление; влагосодержание; относительная влажность; температура точки росы; температура мокрого термометра.

2. При каком состоянии влажного воздуха сухой и мокрый термометры будут показывать одинаковые значения температуры?

3. Как изменяются параметры влажного воздуха при его нагревании и при его охлаждении в поверхностных теплообменных аппаратах?

4. Как изменяются параметры воздуха по пути его движения в сушильной камере?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Печенегов Ю.Я. Общая энергетика: учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2005. – 149 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4