13.1. Параметры состояния влажного воздуха

В некоторых важных для инженерной практики случаях использования воздуха, таких как сушка, кондиционирование, создание условий для длительного хранения самых разнообразных изделий и т.д., необходимо обязательно учитывать наличие водяного пара в составе воздуха. В этих случаях воздух рассматривается как смесь двух идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара и называется влажным воздухом.

То обстоятельство, что «сухой воздух» сам является смесью О₂, N₂, СО₂ и других компонентов не принимается во внимание, т.к. в упомянутых примерах в воздухе изменяется лишь содержание водяного пара, а содержание компонентов сухого воздуха остается неизменным.

Процессы во влажном воздухе протекают при давлениях близких к атмосферному и парциальное давление водяного пара настолько мало, что водяной пар с большой точностью следует уравнению состоянию идеального газа даже вблизи состояния насыщения. Согласно закону Дальтона:

где – абсолютное давление влажного воздуха, Па;

– парциальное давление сухого воздуха, Па;

– парциальное давление пара, Па.

Масса пара, содержащегося в 1м³ смеси его с газом, называется абсолютной влажностью воздуха ( ).

Абсолютная влажность – это плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха.

При заданной температуре парциальное давление пара может быть меньше или равно давлению насыщения Р_Н.

При Р_п < Р_Н пар перегретый, при Р_п = Р_Н пар становится сухим насыщенным и имеет максимальную плотность , возможную при заданной температуре. В этом состоит принципиальные отличия влажного воздуха от других газовых смесей, в которых доля каждого из компонентов может произвольно меняться в пределах от 0 до 1.

Влажный воздух, для которого Р_п = Р_н, называется насыщенным, а влажный воздух при Р_п < Р_н – ненасыщенным.

Отношение абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при заданной температуре называется относительной влажностью

которую обычно выражают в процентах

Масса водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха

где m_п и m_св – масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, ;

– плотность абсолютно сухого воздуха, .

Для того, чтобы установить связь между влагосодержанием d и относительной влажностью воспользуемся уравнением состояния идеальных газов:

Для водного пара

Для абсолютно сухого воздуха

где Т – абсолютная температура, К;

М_n – мольная масса водяного пара, равная 18 кг/кмоль;

– универсальная газовая постоянная, равная 8,314 кДж/кмоль к;

Р_n – парциальное давление водяного пара, Па;

Р_с.в. – парциальное давление абсолютно сухого воздуха, Па;

М_с.в. – мольная масса абсолютно сухого воздуха, равная 29 кг/кмоль.

Разделим уравнение на уравнение

Тогда

Подставляя в приведенное выше выражение численные значения мольных масс М_n и М_с.в., а также используя уравнение Дальтона в виде

Получим

Если влажный воздух охлаждать при постоянном давлении, то по достижении температуры насыщения, определенной по давлению Р_п, пар из влажного воздуха начнет конденсироваться. Это температура называется температурой точки росы t_т.р. По температуре точки росы можно точнее всего определить содержание пара в воздухе. Для сушильной практики большое значение имеет понятие о теоретическом процессе адиабатического испарения в системе поверхность испарения – воздух. В этом процессе воздух только испаряет, а не нагревает влагу. Непосредственно над поверхностью испарения воды (а в равной степени и над поверхностью влажного материала в начальный период сушки) образуется слой насыщенного пара ( ), находящегося в равновесии с водой. Температура влаги при этом имеет постоянное значение и называется температурой мокрого термометра t_м.

Прибор, позволяющий определить относительную влажность и влагосодержание влажного воздуха, называется психрометром. Он состоит из двух термометров – сухого и мокрого. Шарик ртути мокрого термометра покрыт слоем ткани смоченной водой. Если влажный воздух, окружающий термометры, будет ненасыщенным, то с поверхности материи мокрого термометра будет испаряться вода и он покажет более низкую температуру, чем сухой термометр t_c. Знать разность t_c – t_м, по специальным психрометрическим таблицам или по I,d – диаграмме влажного воздуха, которая будет рассмотрена ниже, можно определить ряд характеристик влажного воздуха (относительную влажность, влагосодержание, точку росы и др.)

Энтальпия I (теплосодержание) влажного воздуха относится к 1кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара

где i_с.в. = с_{с.в. ;}

i_п = с_{р.п. ;}

с_св – удельная изобарная теплоемкость сухого воздуха;

с_в – удельная изобарная теплоемкость водяного пара можно принять ; _.

Энтальпию водяного пара можно рассчитать по уравнению , где – удельная теплота фазового превращения при 0⁰С. Тогда

Подставив все значения в данное уравнение, получим уравнение энтальпии

Отсюда следует, что энтальпия является функцией влагосодержания d и температуры t.