Температура мокрого термометра

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Определение параметров влажного воздуха.

Цель работы: Изучение устройства и принципа действия психрометра, ознакомление и определение параметров состояния влажного воздуха и методы измерения влажности (h-d – диаграмма).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Атмосферный воздух всегда смешан с водяным паром. Такая смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Однако количество водяного пара в газовой смеси не может быть произвольным.

В зависимости от температуры и полного давления смеси количество водяного пара во влажном воздухе не может превышать определённой величины.

Так как в процессах изменения физического состояния влажного воздуха состав сухого воздуха не изменяется, его можно считать одним из компонентов паровоздушной смеси, несмотря на то, что в действительности он сам является смесью газов. Вторым компонентом влажного воздуха является водяной пар. Возможность фазового перехода у одного из компонентов смеси (воды) отличает влажный воздух от обычной газовой смеси.

Кроме водяного пара влажный воздух может содержать мельчайшие капельки воды (в виде тумана) или кристаллики льда. Водяной пар во влажном воздухе может быть в перегретом состоянии. Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе не может быть выше давления насыщения при данной температуре влажного воздуха (). Наибольшее значение парциального давления водяного пара во влажном воздухе р_н определяется только температурой смеси и не зависит от давления смеси р.

Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется ненасыщенным влажным воздухом. Для такой смеси справедливо условие . Смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром называется насыщенным влажным воздухом В насыщенном влажном воздухе .

Понижая температуру насыщенного влажного воздуха при постоянном давлении, можно охладить воздух до такой температуры, при которой парциальное давление водяного пара будет соответствовать состоянию насыщения, и при дальнейшем понижении температуры из воздуха начнет выделяться влага. Так, например, понижение температуры атмосферного воздуха часто приводит к появлению тумана (т.е. к конденсации пара.)

При давлениях, близких к атмосферному, газовая смесь, состоящая из воздуха и водяного пара, по своим свойствам мало отличается от свойств идеального газа.

Парциальное давление водяного пара в воздухе обычно мало, поэтому и водяной пар при этих условиях можно считать идеальным газом.

Абсолютная и относительная влажность воздуха. Масса водяного пара, содержащегося в 1м³ влажного воздуха, называется абсолютной влажностью. Так как влажный воздух представляет собой газовую смесь, то объём водяного пара в смеси равен объёму всей смеси и, следовательно, абсолютная влажность равна парциальной плотности пара р ^,_п в смеси при своём парциальном давлении р _п и температуре смеси:

(12.1)

 

Отношение абсолютной влажности воздуха р^,_н при данной температуре называется относительной влажностью. Так как для идеальных газов в условиях Т=const отношение плотностей можно заменить отношением давлений, то относительная влажность

(12.2)

где р_п и р_н – парциальные давления водяного пара во влажном воздухе и насыщенного пара при температуре влажного воздуха.

Относительная влажность обычно выражается в процентах и изменяется в пределах , так как пределы изменения парциального давления пара. Для сухого воздуха , для насыщенного . Для определения содержания пара во влажном воздухе помимо относительной влажности необходимо знать температуру влажного воздуха, по которой (из паровых таблиц) определяется давление насыщенного пара р_н .

Абсолютная влажность воздуха .

Влагосодержание и степень насыщения. Отношение массы m_в сухого воздуха называется влагосодержанием d влажного воздуха:

(12.3)

где и - парциальные плоскости водяного пара и воздуха.

В некоторых случаях оказывается более удобным иметь дело с молярным влагосодержанием. Отношение количества водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к количеству сухого воздуха называется молярным влагосодержанием x влажного воздуха:

x=(m_п/M_п)/(m_в/M_в), (12.4)

где индексами «п» и «в» отмечены массы и молярные массы водяного пара и сухого воздуха соответственно.

В процессе изменения физического состояния влажного воздуха количество сухого воздуха остаётся неизменным, поэтому все удельные величины, характеризующие состояние влажного воздуха, целесообразно относить к количеству сухого, а не влажного воздуха. С учётом того, что молярные массы водяного пара М_п и воздуха М_в равны 18,016 и 28,96 кг/кмоль или d=0,622x кг/кг.

Кажущаяся молярная масса, газовая постоянная и плотность влажного воздуха.

 

Объёмные доли сухого воздуха и пара во влажном воздухе могут быть определены, если известны парциальные давления пара и сухого воздуха, отношениями r_в=p_в/p=(p-p_п)/p_,r_п=p_п/p, где в соответствии с законом Дальтона p=p_в + p_п. При известных объёмных долях кажущаяся молярная масса влажного воздуха может быть вычислена по формуле (8.16)

M=M_в r_в + М_пr_п=[28,96(p-p_п)/p]+18,016p_п/p=28,96-10,94p_п/p (12.14)

Если учесть, что p_п= p_н, и принять водяной пар, находящийся во влажном воздухе, в качестве идеального газа, то

M=28,96-10,94 p_н/p (12.15)

При заданном давлении влажного воздуха кажущаяся молярная масса влажного воздуха зависит от температуры и относительной влажности воздуха.

Так как, согласно формуле (8.13), газовая постоянная смеси газов R=8314/M, газовую постоянную воздуха можно определить отношением

R=8314/(28,96-10,94p_п/p)=8314/(28,96-10,94 p_н/p) (12.16)

При =0 (соответствует сухому воздуху) R=R_в=287 Дж/(кг * К). В другом предельном случае при =1 (соответствует чистому водяному пару) p_н=p, а R=R_п=461 Дж/(кг * к).

Газовая постоянная влажность воздуха всегда больше газовой постоянной сухого воздуха.

Массовые доли сухого воздуха, и пара во влажном воздухе могут быть выражены через влагосодержание так:

g_в=(m_в/m)=m_в/(m_в=m_п)=1/(1+d); g_п=(m_п/m)=m_п/(m_в=m_п)=d/(1+d).

Используя зависимость (8.9), для газовой постоянной влажного воздуха можно получить формулу

R (287=461d)/(1+d) (12.17)

С учётом (12.16) уравнение состояния влажного воздуха может быть записано в следующей форме: p/ =8314T/ (28,96 – 10,94 p_п/p), откуда плотность влажного воздуха

=(28,6p-10,4p_п)/(8314T). (12.18)

Из полученной формулы следует, что с увеличением парциального давления пара (т.е. с увеличением влажности воздуха) плотность влажного воздуха уменьшается. Поэтому влажный воздух всегда легче, чем сухой.

Так как плотность влажного воздуха равна сумме парциальных плотностей сухого воздуха и водяного пара, а влагосодержание d= , то

(12.19)

Парциальная плотность водяного пара может быть вычислена по уравнению состояния. С учётом формулы (12.7)

=(m_п/V)=p_п/(R_п T)=d*p/[(0,622+d)R_п T] (12.20)

Подставляя значения в выражение (12.19), окончательно получим

=p(1+d)/[(0,622+d)R_п T] (12.21)

Теплоёмкость и энтальпия влажного воздуха

Теплоёмкость влажного воздуха c_р обычно относят к (1+d) кг влажного воздуха (или, что то же самое, к 1 кг сухого воздуха). Она равна сумме теплоёмкостей 1кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

с_р=с_рв + d*с_рв (12.22)

где с_рв и с_рп – массовые изобарные теплоёмкости сухого воздуха и водяного пара соответственно. В приближенных термодинамических расчётах, связанных с влажным воздухом, можно принимать с_рв …1 кДж/(кг*К) и с_рп…1,93 кДж/(кг*К).

 

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1кг сухого воздуха и d кг водяного пара, поэтому

h=h_в+d*h_п

где h_в – энтальпия сухого воздуха, h_п – энтальпия водяного пара. При определении энтальпии газовой смеси необходимо, чтобы энтальпии компонентов смеси имели одно и то же начало отсчёта. Энтальпия сухого воздуха h_в=c_рвt=t, так как c_рв=1. Водяной пар в первом приближении можно принять в качестве идеального газа, энтальпия которого не зависит от давления. Если кроме того, учесть, что в условиях изменения физического состояния влажного воздуха интервал изменения температур мал, то можно принять теплоёмкость водяного пара постоянной. При этих упрощающих предположениях энтальпия водяного пара может быть вычислена по формуле

h_п=r+c_рпt (12.24)

где r – скрытая теплота парообразования при 0⁰С. Так как r=2501 кДж/кг, то h_п=2501+1,93t. Таким образом, формуле (12.23) можно придать вид

h=t+(2501+1,93t)d (12.25)

 

Используя соотношения (11.2) и (11.6), установим зависимость энтальпии влажного воздуха от относительной влажности:

h=t+(1555+1,2t) p_н/(p- p_н) (12.26)

В общем случае, когда влажный воздух помимо водяного пара содержит воду (туман) и лёд (снег), в правой части формулы (12.25) появляется ещё два слагаемых d_жh_ж и d_тh_т, в которых d_ж и d_т – содержание жидкой и твёрдой фазы во влажном воздухе; h_ж=c_жt=4,19t и h_т=2,1t-335 – энтальпия воды и льда соответственно. В этом случае формула для расчёта энтальпии влажного воздуха получит вид

h=t+(2501+1,93t)d+4,19d_жt+(2,1t - 335)d_т (12.27)

При наличии жидкой или твёрдой фазы влагосодержание d=d_н.

Температура мокрого термометра

Процессы тепло - и массообмена между открытой поверхностью воды и потоком влажного воздуха распространены в природе и технике. С этими процессами приходится иметь дело в системах охлаждения электростанций, системах кондиционирования воздуха, системах жизнеобеспечения космических летательных аппаратов, а также в сушильных и вентиляционных установках.

В общем случае температура поверхности воды может быть как ниже, так и выше температуры окружающего влажного воздуха. Однако рассмотрим процесс испарения жидкости при условии, что в начале процесса температура воды равна температуре окружающего влажного воздуха, а слой жидкости достаточно тонкий (т.е. температура жидкости одинакова по толщине слоя). Количество же воздуха неограниченно. Из опыта известно, что парциальное давление пара в тонком слое, прилегающем к поверхности жидкости. Если при этом во влажном воздухе, окружающем поверхность воды, парциальное давление пара p_п окажется меньше давления насыщенного пара p_н , вода начнёт испаряться.

По мере испарения воды температура поверхности жидкости понижается, в то же время как разность температур окружающего воздуха и поверхности жидкости, а также количество теплоты, поступающее от воздуха к жидкости, возрастают. Понижение температуры воды прекратиться только тогда, когда количество внутренней энергии, расходуемое жидкостью от окружающего воздуха.

Температура поверхности жидкости, достигнутая в результате рассматриваемого процесса установления равновесия, называется температурой мокрого термометра (t_м). Эта температура измеряется термометром, чувствительный элемент которого обернут влажной тканью.

Температура мокрого термометра зависит от соотношения коэффициентами, характеризующими интенсивность процессов тепло – и массообмена, протекающих между поверхностью воды и влажным воздухом. Следует подчеркнуть, что для условий, в которых обычно протекают процессы во влажном воздухе, она близка к температуре адиабатного насыщения воздуха. Последняя устанавливается при насыщении ограниченного количества воздуха, находящегося в контакте с водой, если испарение воды происходит только за счёт количества теплоты, передаваемого состояния воздуха.

Уравнение теплового баланса влажного воздуха, находящегося в контакте с водой, можно представить в форме

h₂-h₁=c_жt_м(d₂-d₁), (12.28)

где индекс 1 соответствует начальным значениям энтальпии и влагосодержания, а индекс 2 – конечным. Правая часть этого уравнения определяется также изменение энтальпии испарившейся воды, приходящейся на 1 кг сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе. В пределах воздух в конечном состоянии будет насыщенным. Учитывая значение теплоёмкости воды и принимая начальное влагосодержание равным нулю, получим

h₁=h₂-4,19t_мd₂ (12.29)

где t_м – температура мокрого термометра.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: