5 Графическое определение параметров влажного воздуха

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы – графическое определение параметров влажного воздуха.
В ряде установок влажный воздух (обычно это атмосферный воздух) используется как рабочее тело. Знание свойств влажного воздуха имеет особенное значение при изучении сушильного дела, вентиляции и других процессов.
Во всех этих процессах смесь воздуха и водяного пара можно рассматривать
как смесь идеальных газов.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Поскольку влажный воздух рассматривается как смесь идеальных газов,
то к нему применим закон Дальтона, согласно которому каждый газ, входящий в смесь, находится под своим парциальным давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси:
p  pâ  pï ,
где p – давление влажного воздуха (атмосферное давление); pв – парциальное
давление сухого воздуха в смеси; pп – парциальное давление сухого пара.
Состояние водяного пара во влажном воздухе определяется температурой влажного воздуха tсм и парциальным давлением водяного пара pп. Если
температура влажного воздуха tсм равна или ниже температуры насыщения tн,
соответствующей парциальному давлению водяного пара, то водяной пар в
смеси является соответственно сухим насыщенным или влажным.
Состояние водяного пара в атмосферном воздухе можно определить по
is - диаграмме для воды и водяного пара (рис.1). В точке А пар является перегретым, в точке В – сухим насыщенным, а в точке С – влажным.
Рис. 1. Диаграмма is
Максимальным значением парциального давления водяного пара pп. макс.
также является давление насыщения pн.см, соответствующие температуре смеси tсм.
3
Если в воздухе содержится перегретый пар, то его плотность п будет
меньше плотности сухого насыщенного пара  и соответственно удельный
объем п будет больше удельного объема сухого насыщенного пара  (см.
рис.1, точка А):
1
1
.
(1)
 
è ï 

ï
Если во влажном воздухе находится сухой пар (см. рис.1, точка В), то его
плотность будет равна плотности сухого насыщенного пара ï   .
Если во влажном воздухе содержится влажный насыщенный пар (см.
рис.1, точка С), то его плотность будет больше плотности сухого насыщенного пара ï   .
При охлаждении смеси, содержащей сухой насыщенный пар, ниже температуры насыщения tн , соответствующей парциальному давлению водяного
пара pп , пар конденсируется (выпадает роса). Температура tн в данном случае
называется температурной точкой росы.
Абсолютной влажностью воздуха является масса пара, содержащегося в
1 м3 влажного воздуха. В связи с тем, что все газы, составляющие смесь, занимают полный объем смеси (в данном случае 1 м3) абсолютная влажность
равна плотности пара п, соответствующей его парциальному давлению при
температуре смеси
m
(2)
ï  n ,
Vn
где mn – масса пара; Vn – объем пара (смеси).
Относительная влажность воздуха  определяется как отношение плотности водяного пара при его парциальном давлении и температуре смеси к
плотности сухого насыщенного пара при той же температуре, т.е. к максимальной плотности водяного пара :

  n 100 % .
(3)

Значение    n при tсм можно определить по диаграмме is для воды и
водяного пара (см. рис.1, точка D) или по таблицам термодинамических
свойств водяного пара.
Поскольку принято, что водяной пар в воздухе является идеальным газом, относительную влажность можно определить через парциальные давления пара
p
(4)
  n 100 % ,
pí
где p í – давление насыщения, соответствующее температуре смеси tсм . С
понижением температуры tсм
уменьшается p í
4
и увеличивается . При
  100% , когда pï  pí , воздух становится насыщенным. При дальнейшем
понижении tсм из воздуха выпадает роса.
Влагосодержание d влажного воздуха – это количество водяного пара
(или воды в граммах) в 1 кг сухого воздуха. Определяется влагосодержание
как отношение количества водяного пара mп к количеству сухого воздуха mв:
d
mn
mâ
.(5)
Влагосодержание связано с парциальным давлением водяного пара уравнением
pn
.
(6)
d  622
p  pn
Зная абсолютную влажность ï и влагосодержание d, можно определить
плотность влажного воздуха см по формуле
d  1000
.
(7)
d
Энтальпия влажного воздуха также относится к 1 кг сухого воздуха. Энтальпия влажного воздуха i слагается из энтальпии сухого воздуха iс.в. и энтальпии водяного пара iп. Энтальпия сухого воздуха определяется по формуле
ñì  ï
icâ  c ð t ñì ,
где c ð  1,0 кДж/(кгК) – изобарная теплоемкость воздуха.
Энтальпия водяного пара определяется по формуле
dï
d
xr0  c p.n t   æ c ð.æ t ,
1000
1000
где r0 =2501 кДж/кг – теплота парообразования воды в тройной точке;
c p .ï =1,91 кДж/(кгК) – изобарная теплоемкость водяного пара;
iï 
c ð.æ =4,19 кДж/(кгК) – изобарная теплоемкость воды.
После подстановки значений параметров и упрощения получим расчетную формулу для определения энтальпии влажного воздуха:
i t
dï
d
2501  1,92t   æ 4,19t .
1000
1000
(8)
id - ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА.
Расчеты, связанные с влажным воздухом, значительно упрощаются и
становятся нагляднее, если используются графические методы с применением диаграммы id, которая строится на основании уравнений (1)-(8). Такая
диаграмма построена для давления влажного воздуха p =745 мм рт ст., что
соответствует среднему годовому значению барометрического давления в
5
Рис.2. I-d диаграмма влажного воздуха
6
центральных районах России (рис. 2). При оси ординат диаграммы отложены
значения энтальпии влажного воздуха i кДж/кг. сух. возд. По оси абсцисс,
которая для лучшего использования площади диаграммы проведена под углом 1350 к оси ординат, отложены значения влагосодержания d г/кг.сух.возд.
Соответствующие точки спроектированы на горизонтальную условную ось.
На диаграмме нанесены линии постоянных относительных влажностей
  const температур tñì  const и энтальпий влажного воздуха i  const .
В нижней части диаграммы нанесена линия, выражающая зависимость
парциального давления водяного пара от влагосодержания pï  f d  . На
диаграмме нанесены также изотермы “мокрого” термометра t ì  const .
Изотермы “сухого” и “мокрого” термометров, соответствующие одному
и тому же значению температуры, пересекаются на линии насыщенного воздуха, т.е. на линии   100% .
Эта линия является пограничной кривой. Область над кривой   100%
является областью ненасыщенного воздуха. В этой области в воздухе находится перегретый пар. Под кривой   100% расположена область тумана,
т.е. область таких состояний, когда в воздухе присутствуют и пар, и мельчайшие капельки жидкости (влажный пар).
ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ
Наиболее часто состояние влажного воздуха задается двумя параметрами
– его температурой и относительной влажностью. Изменение температуры
воздуха не представляет трудности и осуществляется чаще всего с помощью
ртутного термометра. Для определения относительной влажности применяются специальные приборы – психрометры и гигрометры.
Чаще всего на практике пользуются психрометром (рис.3). Он имеет два ртутных термометра – “сухой” 2 и “мокрый” 1, чувствительная часть которого обернута батистом,
смачиваемым водой. При этом “сухой” термометр показывает действительную температуру
воздуха, а “мокрый” – с некоторой степенью
приближения – теоретическую температуру
“мокрого” термометра. При обтекании воздухом шарика “мокрого” термометра последний
с большим или меньшим приближением покажет температуру “мокрого” термометра.
Степень приближения температуры, которую
покажет “мокрый” термометр, будет тем блиРис. 3. Психрометр
же к теоретической, чем меньше сказывается
приток тепла к термометру посредством излучения и теплопроводностью через выступающий столбик. Отсчет показаний
7
по “сухому” и “мокрому” термометру производят в момент, когда температура “мокрого” термометра достигнет минимума.
По показаниям психрометра относительная влажность воздуха  может
быть определена с помощью специальных психрометрических таблиц. Однако проще определить относительную влажность и другие параметры (влагосодержание, парциальное давление) при помощи диаграммы id.
Для этого необходимо найти точку пересечения изотермы, соответствующей температуре “сухого” термометра tc  tñì с изотермой “мокрого” термометра tм.
Эта точка (точка А на рис.4) и определит состояние влажного воздуха.
Соответствующее значение относительной влажности может быть прочитано на диаграмме.
НАХОЖДЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ
Чтобы найти температуру точки росы, необходимо из точки А, характеризующей состояние влажного воздуха, провести вниз линию d=const до пересечения с кривой   100% . Изотерма, проходящая через эту точку, определит температуру точки росы (см. рис.4, точка В).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПАРА
Чтобы определить парциальное давление пара во влажном воздухе, состояние которого характеризуется точкой А, нужно спроектировать точку А
по вертикали на кривую парциального давления pï  f d  (см. рис.4, точка
С) и затем по горизонтали на ось pп находящуюся с правой стороны.
Рис. 4. Определение параметров влажного воздуха по диаграмме i - d.
8
Задание
По показаниям психрометра определить с помощью диаграммы для
влажного воздуха и диаграммы id для водяного пара следующие параметры:
1) относительную влажность ;
2) влагосодержание d;
3) температуру точки росы tн ;
4) парциальное давление водяных паров pп ;
5) энтальпию влажного воздуха i;
С помощью диаграмм is для воды и водяного пара определить абсолютную влажность воздуха п .
Контрольные вопросы
1. Как Вы понимаете такие состояния, как насыщенный и ненасыщенный влажный воздух?
2. Что называется абсолютной, относительной влажностью и влагосодержанием
влажного воздуха?
3. Какова связь между относительной влажностью воздуха и его влагосодержанием?
4. Дайте определение понятию точки росы. Как определяется температура точки
росы на диаграмме?
5. Как формулируется и записывается закон парциальных давлений для влажного
воздуха?
6. Как выражается и из чего складывается теплосодержание (энтальпия) влажного
воздуха?
7. Как устроена диаграмма I-d влажного воздуха и, каким образом определяются
параметры влажного воздуха с помощью диаграммы по показаниям сухого и мокрого
термометров?
Библиографический список
1. Техническая термодинамика. Учеб. пособие для втузов / Кудинов В.А., Карташов Э.М. -4-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2005. 261 с.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Название и цель работы.
2. Перечень основных параметров влажного воздуха с необходимыми
формулами и пояснениями.
3. Устройство и описание психрометра.
4. Схема определения основных параметров влажного воздуха по id диаграмме (рис. 4).
5. Таблица измеренных и вычисленных величин.
6. Выводы по работе.
9
Приложение
Свойства воды и водяного пара
t, 0С
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
p, бар
, м3/кг
0,012271
0,013118
0,014015
0,014967
0,015974
0,017041
0,018170
0,019364
0,020626
0,021960
0,023368
0,024855
0,026424
0,028079
0,029824
0,031663
0,033600
0,035639
0,037785
0,040043
0,042417
0,044913
0,047536
0,050290
0,053182
0,056217
0,059401
0,062740
0,066240
0,069907
0,073749
0,0010003
0,0010003
0,0010004
0,0010006
0,0010007
0,0010008
0,0010010
0,0010012
0,0010013
0,0010015
0,0010017
0,0010019
0,0010022
0,0010024
0,0010026
0,0010029
0,0010032
0,0010034
0,0010037
0,0010040
0,0010043
0,0010046
0,0010049
0,0010053
0,0010056
0,0010060
0,0010063
0,0010067
0,0010070
0,0010074
0,0010078
, м3/кг
106,419
99,896
93,828
88,165
82,893
77,970
73,376
69,087
65,080
61,334
57,833
54,556
51,488
48,615
45,923
43,399
41,031
38,811
36,726
34,768
32,929
31,199
29,572
28,042
26,602
25,246
23,968
22,764
21,629
20,558
19,548
10
h, кДж/кг
41,99
46,19
50,38
54,57
58,75
62,94
67,13
71,31
75,50
79,68
83,86
88,04
92,22
96,41
100,59
104,77
108,95
113,13
117,31
121,48
125,66
129,84
134,02
138,20
142,38
146,56
150,74
154,92
159,09
163,27
167,45
h, кДж/кг
2519,4
2521,2
2523,0
2524,9
2526,7
2528,6
2530,4
2532,2
2534,0
2535,9
2537,7
2539,5
2541,4
2543,2
2545,0
2546,8
2548,6
2550,4
2552,3
2554,1
2555,9
2557,7
2559,5
2561,4
2563,2
2565,0
2566,8
2568,6
2570,4
2572,2
2574,0
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Методические указания
к лабораторной работе № 5
Самара
Самарский государственный технический университет
2008
11
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 536.242.2
Графическое определение параметров влажного воздуха: метод. указ. /
Сост. В.А. Кудинов, В.И. Кугай, Г.М.Синяев. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. –
8 с.
Методические указания предназначены для студентов спец. 1005, 1007, 1008 и
других родственных специальностей при выполнении ими лабораторных работ по
курсу «Техническая термодинамика».
Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 1 назв.
УДК 536.242.2
Составители: В.А. Кудинов, В. И. Кугай, Г. М. Синяев
Рецензент: д-р техн. наук, проф. А.А. Кудинов
© В.А. Кудинов, В.И. Кугай,
Г.М. Синяев, составление, 2008
© Самарский государственный
технический университет, 2008
12
Графическое определение параметров влажного воздуха
Составители: Кугай Валентин Иванович
Синяев Геннадий Михайлович
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор Г. Н. Ш а н ь к о в а
Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 0,7. Усл. кр.-отт. .Уч-изд. л. 0,69. Тираж 50. Рег №210.
__________________________________________________________________________
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Главный корпус.
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Корпус № 8.
13
14