Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теоретичні відомості

Лабораторна робота № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВОЛОГОГО ПОВІТРЯ

Мета роботи – вивчити методику визначення параметрів вологого повітря за допомогою психрометра та H–d -діаграми; навчитися будувати процеси нагрівання (в електрокалорифері) та зволоження (в сушильній камері) повітря на H–d -діаграмі.

Завдання роботи

1. Виміряти за допомогою психрометра температури мокрого і сухого термометрів, а за допомогою барометра – барометричний тиск.

2. Ознайомитися, використовуючи схему, із будовою та принципом роботи лабораторної установки (конвективної сушарки).

3. За допомогою лабораторної установки здійснити сушіння зволожених зразків тканини нагрітим повітрям. Під час проведення досліду визначити температуру повітря після нагрівання в електрокалорифері та після зволоження в сушильній камері.

4. За допомогою H–d- діаграми вологого повітря побудувати процеси нагрівання і зволоження повітря в сушильній установці, а також визначити параметри волого повітря у відповідних точках.

5. Дослідні дані та параметри вологого повітря, визначені за H–d- діаграмою, занести до відповідних таблиць.

6. Розрахувати:

- кількість теплоти, витраченої на нагрівання повітря в електрокалорифері;

- продуктивність установки по випареній волозі;

- кількість теплоти, яка витрачена на випаровування 1 кг вологи;

- сумарні втрати теплоти.

Теоретичні відомості

Вологе повітря як робоче тіло широко використовують у сушильній техніці, системах кондиціювання, вентиляції й повітряному опаленні.

Атмосферне вологе повітря складається з сухого повітря і водяної пари. До сухої частини повітря входить азот, кисень, інертні гази (зокрема, аргон), двоокис вуглецю і невелика кількість інших газів.

Водяна пара, що міститься у вологому повітрі, може бути перегрітою, сухою насиченою і вологою насиченою.

Вологе повітря може бути:

- ненасиченим, тоді в повітрі міститься перегріта пара;

- насиченим – в повітрі міститься суха насичена пара;

- перенасиченим (або туманом) – в повітрі міститься волога насичена пара.

Із точністю, достатньою для технічних розрахунків, можна вважати, що для вологого повітря справедливі всі закони суміші ідеальних газів. Кожний газ і водяна пара зокрема, що входить до складу суміші, займає той самий об'єм, що і вся суміш. Пара має температуру суміші, знаходиться під своїм парціальним тиском.

Відповідно до закону Дальтона абсолютний тиск вологого повітря Р складається із парціальних тисків сухого повітря Р _с.п і водяної пари Р_п:

, Па. (2.1)

Як правило, тиск вологогоповітря дорівнює атмосферному тиску Р _б, але в деяких випадках, наприклад, у вакуумній сушарці тиск вологого повітря відрізняється від Р _б.

Вміст вологи в повітрі характеризується абсолютною і відносною вологістю, а також вологовмістом.

Абсолютною вологістю повітря називається маса пари, що міститься в 1 м³вологого повітря. Оскільки об'єм вологого повітря V_в.п дорівнює об'єму пари V_п, то абсолютну вологість можна визначити як густину пари при її парціальному тиску і температурі повітря, кг/м³:

. (2.2)

Відносна вологість повітря дорівнює відношенню густини пари до густини насиченої пари, або відношенню парціального тиску водяної пари до парціального тиску насиченої водяної пари при тій же температурі, %:

(2.3)

Вологовміст – це відношення маси пари М_п до маси сухої частини вологого повітря М_с.п, г/кг с.п.:

(2.4)

Ентальпію вологого повітря Н_в.п також відносять до 1 кг його сухої частини. Питома ентальпія вологого повітря дорівнює сумі питомих ентальпій 1 кг сухого повітря і d /1000 кг водяної пари, кДж/кг с.п.:

або

, (2.5)

де h_с.п – питома ентальпія сухого повітря, кДж/кг;

h_п – питома ентальпія пари, кДж/кг;

с_р_с.п – середня ізобарна теплоємність сухого повітря, кДж/(кг·К);

r ₀ – питома теплота пароутворення води при 0 ^оС, кДж/кг;

с_р_п – середня ізобарна теплоємність пари, кДж/(кг·К), чисельні дані для

с_р_с.п та с_р_п взяті для діапазону температур 0…100^оС.

Стан вологого повітря характеризують також температура точки роси і температура мокрого термометра.

Температурою точки роси (t_р)називається така температура, до якої необхідно охолодити повітря при сталому парціальному тиску, щоб воно стало насиченим. За умов відведення теплоти починається конденсація і утворюються крапельки роси.

При адіабатному випаровуванні води температура повітря біля поверхні випаровування знижується, оскільки випаровування відбувається за рахунок теплоти повітря. Температура, яка встановлюється в повітрі при його адіабатному насиченні (Н =соnst), називається температурою мокрого термометра (t_м).

На принципі адіабатного випаровування заснований прилад, який називається психрометром, і призначений для вимірювання відносної вологості повітря.

Психрометр складається із двох однакових термометрів, один із яких
називається сухим (а його показники – температурою повітря за сухим
термометром), а другий – «мокрим», тому що його ртутна кулька покрита
матерією, змоченою у воді.

Показання психрометра дозволяють визначити відносну вологість за допомогою Н–d -діаграми або психрометричної таблиці.

На Н–d -діаграмі (рис. 2.1) крива j = 100% є граничною і розділяє область ненасиченого вологого повітря (зверху) і область туману (знизу).

Лінії j = const є монотонними до перетину ізотерми 99,4 ºС (температура насичення води при Р = 99 кПа = 745мм рт.ст.), після чого майже вертикально піднімаються догори, оскільки при t> t_н параметр j отримує інший фізичний зміст, а саме j = Р_п / Р_б, що чисельно співпадає з об´ємною часткою водяної пари у вологому повітрі, яка не змінюється при підвищенні температури.

У нижній частині діаграми побудована лінія парціального тиску пари Р_п = f (d). Стан вологого повітря (точка А) можна визначити за двома параметрами (j і t або Р_п і t), після чого знайти h і d. Для цього ж стану можна знайти і температуру точки роси, для цього з точки А слід провести вертикаль (d = const) до перетину з лінією j = 100%. Тоді ізотерма, яка проходить через точку перетину, буде відповідати температурі точки роси t_р (рис. 2.1).

Процес нагрівання повітря на Н–d -діаграмі зображується вертикальною лінією d = const (А – В), оскільки при нагріванні кількість водяної пари в повітрі не змінюється (рис. 2.1).

Процес охолодження відбувається також без зміни вологовмісту, якщо повітря не стає насиченим (С – D). Якщо охолодження повітря відбувається до стану повного насичення з j = 100% (процес С – Е), то перетин лінії d = const з лінією j = 100% (точка Е) визначає температуру точки роси. У цьому стані водяна пара у вологому повітря стане насиченою. Подальше охолодження нижче температури роси призводить до конденсації водяної пари (процес Е–F) (рис. 2.1).

Процес адіабатного зволоження повітря (процес В – К), що супроводжується збільшенням вологовмісту повітря і зменшенням його температури, відбувається в сушильній камері конвективної сушарки під час сушіння вологих зразків (рис. 2.1).

Вологе повітря використовується в якості сушильного агента в різних сушильних установках. Сушіння є поширеним технологічним процесом у легкій промисловості.

Рис. 2.1. H–d -діаграма вологого повітря.

Сушінням називається процес видалення вологи із матеріалу шляхом випаровування за рахунок підведеної теплоти.

За способами підведення теплоти розрізняють конвективне, контактне сушіння, а також сушіння в електромагнітному полі та ін. Найчастіше використовуються в легкій промисловості конвективні сушарки (їх також називають повітряними).

Принципова схема конвективної сушарки показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципова схема сушарки і діаграми зміни параметрів повітря.

Конвективна сушильна установка з однократним використанням повітря складається з 3 основних елементів: вентилятора 1 для переміщення повітря; калорифера 2 для нагрівання повітря; сушильної камери 3, в якій розміщується матеріал, який треба висушити. Повітря з приміщення за допомогою вентилятора подається до калорифера, в якому нагрівається до заданої температури. Із калорифера повітря надходить у сушильну камеру, де віддає теплоту на випаровування вологи з матеріалу. Відпрацьоване, тобто зволожене, повітря видаляється із сушильної камери.

Із діаграм, показаних на рис. 2.2, видно, як змінюються параметри повітря в сушильній установці, наприклад, температура спочатку зростає від початкової t ₁ до t ₂після калориферу, потім в сушильній камері температура знижується від t ₂ до t ₃ внаслідок того, що теплота витрачається на випаровування вологи із матеріалу. У процесі випаровування вологи з матеріалу повітря зволожується, його вологовміст збільшується від d ₂ до d ₃, а відносна вологість – від φ ₂ до φ ₃.

Розглянемо тепловий баланс конвективної сушильної установки, яка працює в стаціонарному режимі, коли кількість теплової енергії (далі використовується термін – теплота), що надходить до установки за одиницю часу дорівнює кількості теплоти, що відводиться.

У сушарку надходить:

1) теплота повітря, яке подається в установку LH ₁, кВт;

2) теплота, яка підведена до повітря в електрокалорифері при Р=const

Q_к = L (H₂ – H₁), кВт, (2.6)

де H ₁(t ₁, P), H ₂(t ₂, P), – ентальпії повітря на вході в установку та на виході з електрокалорифера, кДж /кг с.п;

L – масова витрата сухого повітря, кг с.п /с.

3) теплота з вологим матеріалом, яку звичайно розділяють на дві частини:

Q_м1 = С_вW t_м1 + С_мМ₂ t_м1, кВт, (2.7)

де С_в – теплоємність вологи (води); С_м – теплоємність матеріалу;

t_м1 – температура вологого матеріалу на вході в сушильну камеру;

W – маса вологи (води), яка випаровується з матеріалу в сушильній камері за одиницю часу, кг/с;

М₁, М₂ – маса матеріалу, який надходить до сушильної камери та виходить із неї за одиницю часу, кг/с.

Саме тому, що використано М₂, у Q_м1 враховано, що М₁=М₂+W. Виділений доданок С_в W t_м1 називають кількість теплоти маси вологи, що видаляється в процесі сушіння, кВт. Слід нагадати що під терміном теплота матеріалу (або вологи) фактично вводиться ентальпія, рівнем відліку ентальпії прийнято t₀=0^оС, для ізобарного процесу звичайно обчислюють ентальпію за допомогою ізобарної теплоємності, вираз С_в W t_м1 є скороченою формою традиційної формули С_в W (t_м1 – t₀).

4) теплота, яка витрачається на нагрівання транспортних пристроїв (для промислових сушарок)

Q_тр1 = М_трС_трt_тр1, кВт.

Із сушарки виходить:

1) теплота з відпрацьованим повітрям LH₃, кВт, де H ₃(t ₃, P) – ентальпія повітря на виході з сушарки,

2) теплота із висушеним матеріалом Q_м2 = С_м М₂ t_м2, кВт,

3) теплота з транспортними пристроями Q_тр2 = М_трС_трt_тр1, кВт.

Крім того, через стінки сушильної камери відбуваються втрати теплоти в навколишнє середовище Q_вт, кВт.

Рівняння теплового балансу:

LH₁+L(H₂–H₁)+С_вWt_м1+С_мМ₂t_м1+М_трС_трt_тр1=LH₃+С_мМ₂t_м2+М_трС_трt_тр1+Q_вт (2.8)

У промисловості прийнято енергетичні витрати сушарки відносити до 1 кг випареної вологи, тому поділимо обидві частини рівняння на W і після алгебраїчних перетворень отримаємо рівняння:

l (H₃–H₂)= С_вt_м1 – (q_м+q_тр+q_вт), (2.9)

де l=L/W – витрата сухого повітря на 1 кг випареної вологи, кг с.п /(кг вип. вол.),

q_м – питома теплота на нагрівання вологого матеріалу;

q_тр – питома теплота на нагрівання транспортних пристроїв;

q_вт – питомі втрати теплоти через стінки сушильної камери.

Формули для розрахунку відповідної кількості питомої теплоти наступні

q_м = , кДж /(кг вип.вол.),

q_тр_, кДж /(кг вип.вол.),

q_вт = Q_вт/ W, кДж /(кг вип.вол.).

Праву частину рівняння (2.9) позначимо:

. (2.10)

Це рівняння називається внутрішнім тепловим балансом сушарки. У ньому враховані як втрати теплоти, так і надходження її з 1 кг води при температурі t_м1 (доданок С_вt_м1), цей доданок окремо введений у (2.7). На вході в сушарку цей 1 кг вологи був зв’язаний з матеріалом, а на виході – перейшов у повітря.

На основі рівнянь (2.9) і (2.10) одержимо:

Звідси одержимо рівняння реального процесу сушіння:

(2.11)

На практиці при відсутності допоміжного калорифера в сушильній камері Δ < 0, а ентальпія сушильного агенту в процесі сушіння зменшується (Н ₃< Н ₂).

У теорії сушіння для аналізу процесу використовують умовне поняття теоретичної сушарки. Це сушарка, де відсутні втрати теплоти в навколишнє середовище, на нагрівання транспортних пристроїв і матеріалу, що висушується, а температура матеріалу на вході в сушильну камеру і на виході з неї приймається 0°С.

Оскільки при t_м1 = 0°С реалізується С_вt_м1 = 0, то попередні умови означали, що q_м=q_тр=q_вт =0, тому з (2.10) отримаємо Δ=0.

Відносно вологого матеріалу в сушильній камері теоретичної сушарки проходить процес сушіння, а відносно вологого повітря – процес адіабатного зволоження. Процес зволоження є адіабатним внаслідок відсутності надходження та втрат теплоти. При цьому кількість теплоти, що віддається сушильним агентом на випаровування вологи, повертається до нього з теплотою випареної вологи. Крім того, відповідно до (2.11) при Δ = 0 процес є ізоентальпійним, тому H₃= H₂.

Таким чином, процес зволоження повітря в сушильній камері теоретичної сушарки є одночасно адіабатним та ізоентальпійним.

До того ж при сталій ентальпії вологого повітря відбувається перерозподіл величин ентальпій сухого повітрям і водяної пари у загальній сумі. На вході в сушильну камеру повітря має температуру більшу, ніж на виході з неї (t₂ > t₃), а вологовміст d₂ < d₃. Згідно з (2.5) сухе повітря втрачає частину своєї енергії (тому і зменшується його температура). Ця енергія витрачається на випаровування вологи і повертається до вологого повітря, яке на виході має більший вологовміст d ₃. Тобто у Н ₃ частка ентальпії пари в ентальпії вологого повітря більша, ніж у Н₂.

На Н–d -діаграмі (рис. 2.3.) процеси в теоретичній сушарці зображуються процесами 1-2 підігрівання повітря в калорифері (d =соnst) та його зволоженням під час сушіння (Н =соnst). На практиці внаслідок втрат ентальпія сушильного агента в процесі сушіння зменшується (Н₃<Н₂), процес реального сушіння протікає від т. 2 до т. 3 (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Зображення процесів нагрівання вологого повітря 1-2 та

зволоження повітря 2-3 на Н–d -діаграмі.

12 Следующая ⇒