Диаграмма Hd для влажного воздуха

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

 

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы

по технической термодинамике

 

 

Уфа

Приводятся теоретические основы и основные свойства влажного воздуха. Описана лабораторная установка и методика проведения эксперимента по определению параметров влажного воздуха.

Работа предназначена для студентов всех специальностей дневной, вечерней и заочной форм обучения.

 

Составители: Гатауллина А.Р., Кулагина О.В., Райзер Ю.С.

 

Рецензент Клявлин М.С.

 

 

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2017

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

 

К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие предварительную проверку знаний по данной теме.

До прихода на занятия в лабораторию студент обязан самостоятельно ознакомиться с описанием лабораторной работы, проработать соответствующие темы предстоящего занятия - раздел учебника, конспекта лекций, изучить применяемые в работе методы измерений, продумать порядок проведения эксперимента и обработки опытных данных, подготовить форму отчета о работе.

Отчет о работе выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и должен содержать:

- цель, задание и краткое описание работы;

- принципиальную схему установки;

- журнал измерений;

- таблицу обработки опытных данных;

- экспериментальные графические зависимости;

- выводы по работе.

Выполняя экспериментальную часть работы, студент руководствуется описанием, указаниями преподавателей и инструкцией по технике безопасности.

По окончании работы студент обязан показать результаты опыта преподавателю для проверки, без чего работа не может считаться выполненной.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

 

Студентам разрешается выполнение необходимых операций на психрометре, связанных с производством отсчета измеряемых величин.

 

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1 Углубить практические знания по теме «Влажный воздух».

2 Освоить методику экспериментального определения параметров влажного воздуха.

3 Научиться производить расчеты с влажным воздухом по Hd-диаграмме.

2 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

 

Гигрометр-психрометрический ВИТ-2, барометр, диаграмма влажного воздуха, таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

 

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

 

Знание свойств влажного воздуха имеет очень большое значение при оценке микроклимата рабочих помещений, при расчете калориферов, кондиционеров, сушильных установок и других устройств, в которых происходят процессы испарения воды в воздухе.

 

Сухой воздух

Атмосферный воздух представляет собой смесь не взаимодействующих между собой газов, водяного пара и различных загрязнителей (дым, пыль, промышленные, транспортные и другие газовые выбросы).

Смесь газов, содержащихся в атмосферном воздухе, без водяного пара и загрязнителей называется сухим воздухом.

Состав сухого воздуха относительно стабилен (таблица 1), однако в зависимости от времени года, географического положения, высоты местности и погоды возможны небольшие изменения количества некоторых компонентов.

Таблица 1 - Состав сухой части атмосферного воздуха

 

Наименование компонента	Химическое обозначение	Содержание по объему, %
Азот	N2	78,084
Кислород	О2	20,9476
Аргон	Аr	0,934
Углекислый газ	СО2	0,0314
Неон	Ne	0,001818
Гелий	Не	0,000524
Метан	СН4	0,00015
Водород	Н2	0,00005
Двуокись серы	SO2	от 0 до 0,0001
Озон	О3	1×10-6
Криптон	Кr	1×10-4
Ксенон	Хе	8×10-6
Радон	Rn	6×10-18

 

Задачей расчета газовых смесей, в т.ч. и сухого воздуха, является определение газовой постоянной, молекулярной массы, плотности и удельного объема, удельных теплоемкостей и других величин на основе заданного состава смеси.

Для сухого воздуха указанные величины определяют на основе уравнений и соотношений для идеального газа.

 

Вода и водяной пар

Вода, как и любое другое вещество, может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях, а в зависимости от соотношения давления и температуры - одновременно в двух и даже в трех состояниях.

Таким образом, вода может быть гомогенной системой (лед, вода, пар) и гетерогенной системой (пар-вода, вода-лед, пар-лед, пар-вода-лед).

Каждая гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках, называется фазой.

Фазовым переходом называется процесс, сопровождающийся затратой теплоты и изменением объема, в котором происходит изменение агрегатного состояния вещества. Переход вещества из одной фазы в другую происходит через поверхность раздела фаз.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением, из твердого в газообразное - сублимацией, из жидкого в газообразное - парообразованием. Обратные процессы соответственно называют затвердеванием, десублимацией и конденсацией.

В свою очередь, процесс парообразования реализуется в виде испарения и кипения.

Испарением называется парообразование, которое происходит только с поверхности жидкости. Кипение - процесс превращения жидкости в пар, который происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри нее, т.е. это процесс парообразования во всей массе жидкости.

Газообразная фаза воды в зависимости от температуры и давления может быть в виде сухого насыщенного, перегретого и влажного насыщенного пара.

Сухой насыщенный пар - это пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью на границе раздела фаз, не содержащий частиц жидкой фазы.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то его температура будет возрастать и пар становится перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой сухого насыщенного пара называется степенью перегрева.

Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плотность меньше плотности сухого ненасыщенного пара, а удельный объем больше.

Влажный пар является гетерогенной системой, которая может быть двух- или трехфазной.

При температуре выше 0 °С и давлении больше 0,61 кПа (для плоской поверхности раздела фаз) влажный пар состоит из водяного пара и воды; при температуре 0 °С и давлении 0,61 кПа влажный пар состоит из водяного пара, воды и льда, а при температуре ниже 0 °С и давлении меньше 0,61 кПа - из водяного пара и льда.

Указанные выше параметры характеризуют тройную точку воды, которой соответствует давление 0,61 кПа и температура 0,01 °С. В тройной точке внутренняя энергия, энтальпия и энтропия воды условно принимаются равными нулю.

 

Влажный воздух

В термодинамике атмосферный воздух рассматривают как смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара, который может быть в перегретом, насыщенном или в сконденсированном взвешенном состоянии в виде капельного или ледяного (при отрицательной температуре) тумана.

Последнее состояние является неустойчивым и изучается обычно при решении некоторых специальных задач, например в холодильной технике.

При расчетах систем вентиляции и кондиционирования атмосферный воздух считают бинарной гомогенной смесью, в состав которой входят сухой воздух и водяной пар.

Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется ненасыщенным влажным воздухом, а смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром - насыщенным влажным воздухом. При этом условие насыщения рассматривается как равновесное состояние между водяным паром во влажном воздухе и водой в жидкой или твердой фазах при одинаковой температуре на плоской поверхности раздела.

Количество водяного пара во влажном воздухе изменяется от нуля (сухой воздух) до некоторого максимального значения, которое зависит от температуры и барометрического давления, и в процессах кондиционирования обычно не превышает 3... 4%.

Поэтому с достаточной для технических расчетов точностью влажный воздух можно считать идеальным газом, который подчиняется всем законам смеси идеальных газов, хотя в ряде случаев необходимо учитывать реальные свойства водяного пара. Термодинамические свойства сухого воздуха и водяного пара различны, поэтому свойства влажного воздуха зависят от его количественного состава.

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Согласно закону Дальтону можно записать:

(1)

где Р_вв - давление влажного воздуха (смеси);

Р_{с в} - парциальное давление сухого воздуха в смеси;

Р_п - парциальное давление пара.

Рисунок 1 – pv диаграмма водяного пара

Если температура влажного воздуха t_воз выше температуры насыщения t_H, соответствующей парциальному давлению пара, то пар во влажном воздухе является перегретым, а влажный воздух является насыщенным. Такое состояние пара соответствует точке 1 на pv-диаграмме (рисунок 1).

Если ненасыщенный влажный воздух охлаждать при p = const, то может наступить момент начала конденсации, когда р_п = p_H ( p_H - давление насыщенного пара).

Это состояние пара во влажном воздухе соответствует точке А на верхней пограничной кривой х = 1. При этом справедливо соотношение:

(2)

В этом случае пар во влажном воздухе становится сухим насыщенным.

При дальнейшем охлаждении смеси пар начнет конденсироваться, то есть будет наблюдаться образование тумана (выпадение росы). Температура, при которой в изобарном процессе охлаждения парциальное давление пара р_п становится равным давлению насыщения р_н, называется температурой точки росы.

Изложенное показывает, что парциальное давление пара во влажном воздухе не может быть выше давления насыщения, то есть

pn < pH.

(3)

Из (3) следует, что массовая доля пара во влажном воздухе ограничена парциальным давлением пара, которое не может быть выше давления насыщения, соответствующего температуре влажного воздуха.

Чем выше p_H относительно p_n, тем воздух менее влажен. Содержание влаги в воздухе характеризуют абсолютная, относительная влажность и влагосодержание во влажном воздухе.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м³ влажного воздуха. Она обозначается через ρ_п и измеряется в кг/м³ или г/м³. Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе:

	(4)
	(5)

 

Отношение действительной абсолютной влажности воздуха ρ_п к максимально возможной абсолютной влажности ρ_н при той же температуре называется относительной влажностью.

,

(6)

где Р_п – парциальное давление водяного пара во влажном воздухе;

Р_н – максимально возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Относительная влажность обычно выражается в процентах и изменяется в пределах . Для сухого воздуха , для насыщенного .

При повышении температуры (при p= const) относительная влажность уменьшается, а абсолютная влажность не меняется.

Отношение массы водяного пара m_п, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха m_с.в. называется влагосодержанием d воздуха и измеряется в килограммах на килограмм

(7)

где и - парциальные плотности водяного пара и воздуха, кг/м³.

Влагосодержание ненасыщенного влажного воздуха определяется формулой

(8)

Влагосодержание воздуха в состоянии насыщения определяется как

(9)

откуда

(10)

 

В процессах изменения состояния влажного воздуха влага может вводиться или удаляться из смеси и содержание пара вследствие фазового перехода может изменяться. Стабильным остается только масса сухого воздуха.

Энтальпия влажного воздуха Н массой (1 + d) кг складывается из удельной энтальпии 1 кг сухого воздуха и энтальпии d кг пара, в нем содержащегося, (кДж/кг сухого воздуха):

Н = hс.в. + d; hn = Ср с.в.t+dhп.

(11)

 

Диаграмма Hd для влажного воздуха

Hd-диаграмма влажного воздуха была создана в 1918 году Л.К.Рамзиным. Плодами труда этого русского учёного пользуются до сих пор. Его диаграмма в настоящее время остаётся верным и надёжным инструментом при расчётах основных свойств влажного воздуха.

Так как расчёт изменения состояния атмосферного воздуха связан с проведением сложных вычислений, то обычно пользуются более простым и удобным методом. Т.е. применяют расчёт, основанный на hd-диаграмме Рамзина, которую ещё называют психрометрической диаграммой.

В координатах hd-диаграммы нанесены зависимости основных параметров влажного воздуха. Это температура, влагосодержание, относительная влажность, энтальпия. При заданном барометрическом давлении по оси ординат откладывают энтальпию на 1 кг сухого воздуха (кДж/кг). По оси абсцисс откладывают влагосодержание воздуха в г на 1 кг сухого воздуха.

Система координат hd-диаграммы является косоугольной. Угол между осями равен 135º. Такое расположение осей позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха. Таким образом, диаграмма становится более удобной для графических построений.

Линии постоянной энтальпии h=const проходят под углом 135º к оси ординат. Линии постоянного влагосодержания d=const проходят параллельно оси ординат.

Образованная линиями h=const и d=const сетка состоит из параллелограммов. На них строят линии изотерм t=const и линии постоянных относительных влажностей φ=const.

Стоит отметить, что хоть изотермы и представляют собой прямые линии, но они вовсе не параллельны между собой. Угол их наклона к горизонтальной оси различен. Чем ниже температура, тем более параллельны изотермы между собой. Линии температур, изображённые на диаграмме, соответствуют значениям по сухому термометру.

Кривую с относительной влажностью φ=100 % строят исходя из данных таблиц насыщенного воздуха. Выше этой кривой на диаграмме располагается область ненасыщенного влажного воздуха. Соответственно ниже этой кривой расположена область перенасыщенного влажного воздуха. Влага насыщенного воздуха, характеризующаяся данной областью, находится в жидком или твёрдом состоянии, т.е. представляет собой туман. Данная область диаграммы не используется в расчётах характеристик влажного воздуха, поэтому её построение опускается.

Все точки диаграммы характеризуют конкретное состояние влажного воздуха. Чтобы определить положение любой точки, нужно знать два параметра состояния влажного воздуха из четырёх - h, d, t или φ.

Влажный воздух в любой точке hd-диаграммы характеризуется определённым влаго- и теплосодержанием. Все точки, расположенные выше кривой φ=100 %, характеризуют такое состояние влажного воздуха, при котором водяной пар в воздухе находится в перегретом состоянии. Точки, расположенные на кривой φ=100 %, так называемой кривой насыщения, характеризуют насыщенное состояние водяного пара в воздухе. Все точки, распложенные ниже кривой насыщения, характеризуют состояние, при котором температура влажного воздуха ниже температуры насыщения. Следовательно, в воздухе будет находиться влажный пар. Это означает, что влага в воздухе будет состоять из смеси сухого пара и капелек воды.

При решении практических задач hd-диаграмма применяется не только для вычисления параметров состояния воздуха. С её помощью также строят изменения его состояния при процессах нагревания, охлаждения, увлажнения, осушения, а также их произвольном сочетании. В расчётах часто используются такие параметры воздуха, как температура точки росы t_р и температура мокрого термометра t_м. Оба параметра могут быть построены на h-d диаграмме.

Рисунок 2 – Состояния влажного воздуха на hd-диаграмме

 

Пользование Hd-диаграммой

Как уже говорилось выше для определения состояния воздуха нужно знать любые два параметра диаграммы. Например, возьмем какую-либо температуру по сухому термометру и какую-либо температуру по мокрому термометру. Найдя точку пересечения линий этих температур, получим состояние воздуха при заданных температурах. Таким образом, данная точка чётко характеризует состояние воздуха. Аналогично примеру, по этим температурам можно найти состояние воздуха в любой точке hd-диаграммы.

Чтобы найти относительную влажность φ, следует найти точку пересечения кривых температур «мокрого» и «сухого» термометров, которая и определяет относительную влажность. Значения этих температур берутся по показаниям психрометра. Они численно равны между собой на линии насыщения (φ = 1).

Температура точки росы t_р – это температура, соответствующая значению, до которого должен быть охлаждён влажный воздух, чтобы стать насыщенным при постоянном влагосодержании (d=const). На hd-диаграмме температура точки росы t_р определяется следующим образом. Берётся точка, характеризующая заданное состояние влажного воздуха. Из неё проводим параллельно оси ординат прямую до пересечения с кривой насыщения φ=100%. Та изотерма, которая будет пересекать эту кривую в полученной точке, и будет показывать температуру точки росы t_р при заданном влагосодержании воздуха.

Температура мокрого термометра t_м – это температура, при которой влажный воздух, охлаждаясь, становится насыщенным при постоянном влагосодержании. Для определения температуры мокрого термометра на hd- диаграмме делают следующее. Через точку, характеризующую заданное состояние влажного воздуха, проводят линию постоянной энтальпии h=const до пересечения с кривой насыщения φ=100 %. Значение температуры мокрого термометра будет соответствовать изотерме, проходящей через точку пересечения.

На hd-диаграмме все процессы перехода воздуха из одного состояния в другое изображаются лучами, проходящими через точки, характеризующие начальное и конечное состояние влажного воздуха.

Несмотря на то, что Hd-диаграмма построена для единственного давления воздуха (99,3 кПа), ею без больших погрешностей можно пользоваться для расчетов при любых давлениях, близких к атмосферным.

Для расчетов процессов изменения состояния влажного воздуха, совершающихся при давлениях, отличных от атмосферного и в общем случае меняющихся в течение процесса, применяют диаграмму Hs для влажного воздуха.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: