Физические свойства воздуха, газов и воды

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, и поэтому свойства влажного воздуха приближенно можно описать законами идеальных газов.

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. Абсолютная влажность g, определяющая количество водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м³ водяного пара или плотности пара , кг/м³

(1.1)

2. Относительная влажность воздуха j выражается отношением абсолютной влажности воздуха к максимально возможной влажности его при том же давлении и температуре или отношением массы водяного пара, заключенной в 1 м³ влажного воздуха, к массе водяного пара, необходимой для полного насыщения 1 м³ влажного воздуха при тех же давлении и температуре.

Относительная влажность определяет степень насыщения воздуха влагой:

, (1.2)

где - парциальное давление водяного пара, соответствующее его плотности Па; - давление насыщенного пара при той же температуре, Па; - максимально возможное количество пара в 1 м³ насыщенного влажного воздуха, кг/м³; - плотность пара при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха, кг/м³.

Соотношение (1.2) справедливо только тогда, когда можно считать, что пар жидкости является идеальным газом вплоть до состояния насыщения.

Плотность влажного воздуха r представляет собой сумму плотностей водяного пара и сухого воздуха при парциальных давлениях в 1 м³ влажного воздуха при температуре влажного воздуха Т, К:

(1.3)

где - плотность сухого воздуха при его парциальном давлении в 1 м³ влажного воздуха, кг/м³; - парциальное давление сухого воздуха, Па; - газовая постоянная сухого воздуха, Дж/(кг×К).

3. Влагосодержание воздуха, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха, обозначается через х и представляет собой отношение

. (1.4)

Выражая и по уравнению состояния для воздуха и водяных паров, получаем

, (1.5)

где - массовый расход воздуха и водяного пара, кг/с.

Эти равенства действительны при одном и том же объеме V влажного воздуха и одной и той же температуре. Разделив второе равенство на первое, получим еще одно выражение для влагосодержания

. (1.6)

Подставив сюда значения газовых постоянных для воздуха Дж/(кг×К) и для водяного пара Дж/(кг×К), получим значение влагосодержания, выраженное в килограммах водяного пара на 1 кг сухого воздуха

. (1.7)

Заменив парциальное давление воздуха величиной , где из предыдущего и В – барометрическое давление воздуха в тех же единицах, что и р, получим для влажного воздуха, находящегося под барометрическим давлением

. (1.8)

Таким образом, при заданном барометрическом давлении влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяного пара. Максимально возможное содержание влаги в воздухе , откуда

. (1.9)

Так как давление насыщения растет с температурой, то максимально возможное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры, причем тем больше, чем выше температура. Если уравнения (1.7) и (1.8) решить относительно и , то получим

(1.10)

. (1.11)

Объем влажного воздуха в кубических метрах, приходящийся на 1 кг сухого воздуха, вычисляется по формуле

(1.12)

Удельный объем влажного воздуха v, м³/кг, определяется делением объема влажного воздуха на массу смеси, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха:

. (1.13)

Влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией (в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха), равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара

(1.14)

где - удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×К); t – температура воздуха, °С; i - энтальпия перегретого пара, кДж/кг.

Энтальпия 1 кг сухого насыщенного водяного пара при низких давлениях определяется по эмпирической формуле, кДж/кг:

, (1.15)

где - постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при температуре 0 °С; = 1,97 кДж/(кг×К) – удельная теплоемкость пара.

Подставив значения i в выражение (1.14) и принимая удельную теплоемкость сухого воздуха постоянной и равной 1,0036 кДж/(кг×К), найдем энтальпию влажного воздуха в килоджоулях на 1 кг сухого воздуха:

. (1.16)

Для определения параметров влажного газа используются аналогичные рассмотренным выше уравнения.

Влагосодержание газа:

, (1.17)

где - газовая постоянная для исследуемого газа; Р - давление газа.

Энтальпия газа, кДж/кг,

, (1.18)

где - удельная теплоемкость газа, кДж/(кг×К).

Абсолютное влагосодержание газа:

. (1.19)

При расчете контактных теплообменников для теплоносителей воздух-вода можно пользоваться данными табл. 1.1-1.2 или расчетными зависимостями для определения физико-химических параметров воздуха (1.24-1.34) и воды (1.35). Для дымовых газов могут быть использованы данные табл. 1.3.

Плотность влажного газа, кг/м³:

, (1.20)

где - плотность сухого газа при 0 °С, кг/м³; М_г, М_п – молекулярные массы газа и пара.

Коэффициент динамической вязкости влажного газа, Па×с:

, (1.21)

где - коэффициент динамической вязкости водяного пара, Па×с; - коэффициент динамической вязкости сухого газа, Па×с; - массовая концентрация пара, кг/кг.

Удельная теплоемкость влажного газа, кДж/(кг×К):

. (1.22)

Коэффициент теплопроводности влажного газа, Вт/(м×К):

, (1.23)

где k – показатель адиабаты; В – коэффициент (для одноатомных газов В = 2,5; для двухатомных газов В = 1,9; для трехатомных газов В = 1,72).

Таблица 1.1. Физические свойства сухого воздуха (р = 0,101 МПа)

t, °C	, кг/м^3	, кДж/(кг×К)	, Вт/(м×К)	, Па×с	, м^2/с	Pr
-20	1,395	1,009	2,28	16,2	12,79	0,716
-10	1,342	1,009	2,36	16,7	12,43	0,712
	1,293	1,005	2,44	17,2	13,28	0,707
	1,247	1,005	2,51	17,6	14,16	0,705
	1,205	1,005	2,59	18,1	15,06	0,703
	1,165	1,005	2,67	18,6	16,00	0,701
	1,128	1,005	2,76	19,1	16,96	0,699
	1,093	1,005	2,83	19,6	17,95	0,698
	1,060	1,005	2,90	20,1	18,97	0,696
	1,029	1,009	2,96	20,6	20,02	0,694
	1,000	1,009	3,05	21,1	21,09	0,692
	0,972	1,009	3,13	21,5	22,10	0,690
	0,946	1,009	3,21	21,9	23,13	0,688
	0,898	1,009	3,34	22,8	25,45	0,686
	0,854	1,013	3,49	23,7	27,80	0,684
	0,815	1,017	3,64	24,5	30,09	0,682
	0,779	1,022	3,78	25,3	32,49	0,681
	0,746	1,026	3,93	26,0	34,85	0,680
	0,674	1,038	4,27	27,4	40,61	0,677
	0,615	1,047	4,60	29,7	48,33	0,674
	0,566	1,059	4,91	31,4	55,46	0,676
	0,524	1,068	5,21	33,6	63,09	0,678
	0,456	1,093	5,74	36,2	79,38	0,687
	0,404	1,114	6,22	39,1	96,89	0,699
	0,362	1,135	6,71	41,8	115,4	0,706
	0,329	1,156	7,18	44,3	134,8	0,713
	0,301	1,172	7,63	46,7	155,1	0,717
	0,277	1,185	8,07	49,0	177,1	0,719
	0,257	1,197	8,50	51,2	199,3	0,722
	0,239	1,210	9,15	53,5	233,7	0,724

Теплофизические свойства сухого воздуха могут быть аппроксимированы следующими уравнениями.

Кинематическая вязкость сухого воздуха при температуре от -20 до +140 °С, м²/с:

Па; (1.24)

и от 140 до 400 °С, м²/с:

. (1.25)

Таблица 1.2. Физические свойства воды в состоянии насыщения

t, °C	, кг/м^3	, кДж/(кг×К)	, Вт/(м×К)	, м^2/с		, Н/м	Pr
	999,9	4,212	55,1	1,789	-0,63	756,4	13,67
	999,7	4,191	57,4	1,306	0,7	741,6	9,52
	998,2	4,183	59,9	1,006	1,82	726,9	7,02
	995,7	4,174	61,8	0,805	3,21	712,2	5,42
	992,2	4,174	63,5	0,659	3,87	696,5	4,31
	988,1	4,174	64,8	0,556	4,49	676,9	3,54
	983,2	4,179	65,9	0,478	5,11	662,2	2,98
	977,8	4,187	66,8	0,415	5,70	643,5	2,55
	971,8	4,195	67,4	0,365	6,32	625,9	2,21
	965,3	4,208	68,0	0,326	6,95	607,2	1,95
	958,4	4,220	68,3	0,295	7,52	588,6	1,75
	951,0	4,233	68,5	0,272	8,08	569,0	1,60
	943,1	4,250	68,6	0,252	8,64	548,4	1,47
	934,8	4,266	68,6	0,233	9,19	528,8	1,36
	926,1	4,287	68,5	0,217	9,72	507,2	1,26
	917,0	4,313	68,4	0,203	10,3	486,6	1,17
	907,4	4,346	68,3	0,191	10,7	466,0	1,10
	897,3	4,380	67,9	0,181	11,3	443,4	1,05
	886,9	4,417	67,4	0,173	11,9	422,8	1,00
	876,0	4,459	67,0	0,165	12,6	400,2	0,96
	863,0	4,505	66,3	0,158	13,3	376,7	0,93

Плотность влажного газа, кг/м³:

. (1.26)

Объемный расход газа, м³/с,

, (1.27)

где L – массовый расход газа, кг/с.

Таблица 1.3. Теплофизические свойства дымовых газов при атмосферном давлении (парциальное давление )

t, °C	, кг/м^3	, кДж/(кг×К)	, Вт/(м×К)	, м^2/с	Pr
	1,295	1,042	2,27	12,20	0,72
	0,950	1,068	3,13	21,54	0,69
	0,748	1,097	4,01	32,80	0,67
	0,617	1,122	4,84	45,81	0,65
	0,525	1,151	5,70	60,38	0,64
	0,457	1,185	6,56	76,30	0,63
	0,405	1,214	7,42	93,61	0,62
	0,363	1,239	8,27	112,1	0,61
	0,3295	1,264	9,15	131,8	0,60
	0,301	1,290	10,01	152,5	0,59
	0,275	1,306	10,90	174,3	0,58
	0,257	1,323	11,75	197,1	0,57
	0,24	1,340	12,62	221,0	0,56

Удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг×К):

. (1.28)

Коэффициент теплопроводности сухого воздуха, Вт/(м×К):

. (1.29)

Плотность сухого воздуха, кг/м³:

. (1.30)

Коэффициент динамической вязкости сухого воздуха, Па×с:

. (1.31)

В случае необходимости увеличение влагосодержания газа при сгорании топлива учитывается с помощью формулы:

, (1.32)

где - доля водорода в топливе; - расход топлива, кг/с; - расход воздуха, кг/с.

Парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t, Па:

. (1.33)

Температура мокрого термометра воздуха может быть определена по уравнению[4], °С:

. (1.34)

Уравнение справедливо при кДж/кг.

Теплофизические свойства воды на линии насыщения могут быть аппроксимированы в диапазоне температур 10 - 100 °С следующими уравнениями:

плотность, кг/м³:

теплоемкость, кДж/(кг×К):

(1.35)

теплопроводность, Вт(м×К):

;

кинематическая вязкость, м²/с:

Дымовые газы образуются при сгорании топлива в котлах, печах, сушильных установках и двигателях внутреннего сгорания. Независимо от сжигаемого топлива в дымовые газы входят углекислый газ, азот, кислород, водяной пар и небольшой концентрации. Дымовые газы умеренной температуры могут служить вторичными энергоресурсами различных энергетических установок.

Продукты сгорания, полученные при сжигании природного газа, мало агрессивны и не оказывают коррозионного воздействия на углеродистые стали при значениях температуры до 800 °С. Однако они имеют небольшую теплоемкость и характеризуются низкими значениями коэффициента теплоотдачи. Теплофизические свойства дымовых газов среднего химического состава приведены в табл. 1.3.

Дата добавления: 2014-01-20