Влажного воздуха

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Лабораторная работа 2

Цель работы – определить на основании опытов основные параметры влажного воздуха: относительную и абсолютную влажность; влагосодержание; энтальпию; психрометрическую разность; которые являются необходимыми при тепловых расчетах и конструировании ряда установок, например, сушильных.

1.Основные сведения о влажном воздухе

1.1. Влажный воздух представляет собой механическую смесь сухого воздуха и паров воды. Вследствие малых парциальных давлений пары воды считают идеальным газом. Следовательно, в условиях термодинамического равновесия (когда температура смеси сухого воздуха и паров воды, т.е. влажного воздуха одинакова по всему объёму) процессы с влажным воздухом рассчитывают по уравнениям состояния идеальных газов Клапейрона – Менделеева для смеси:

, (2.1)

где р_mix –абсолютное давление смеси, Па (индекс «mix» везде относится к параметрам газовой смеси, образован от англ. mixture-смесь); V_mix – полный объём смеси, м³; m_mix – масса смеси, равная сумме масс всех компонентов:

, кг, (2.2)

где m_i – масса i -го компонента, кг; n – число компонентов в смеси;

μ_mix – кажущаяся молярная масса смеси:

, (2.3)

где g_i – массовая доля i -го компонента;

; (2.4)

R_u –универсальная газовая постоянная, R_u = 8314 Дж/(кмоль К); Т_mix – абсолютная температура смеси, К; R_mix – газовая постоянная смеси, R_mix= R_u /μ_mix.

Согласно закону Дальтона каждый газ, входящий в смесь, находится под своим парциальным давлением р_i, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси р_mix:

. (2.5)

Следовательно, давление влажного воздуха есть сумма парциальных давлений сухого воздуха и паров воды :

. (2.6)

Поскольку модель идеального газа пренебрегает размерами микрочастиц, объём V_i, занимаемый каждым компонентом, равен объёму всей смеси V_mix:

V_i=V_mix. (2.7)

Тогда, учитывая, что отношение массы вещества к объёму есть его плотность ρ (ρ=m/V), из (2.1) для компонентов влажного воздуха запишем::

а) уравнение состояния сухого воздуха

; (2.8)

б) уравнение состояния паров воды

. (2.9)

Здесь

, , , ,

где ρ_п, ρ_в, ρ – плотности соответственно паров воды (абсолютная влажность), сухого воздуха и влажного воздуха (смеси); , - молярные массы компонентов – воды, воздуха; , , - масса паров воды, сухого воздуха, влажного воздуха (смеси); V - объем влажного воздуха.

Парциальное давление паров воды является важной характеристикой влажного воздуха, так как состояние влажного воздуха определяется соотношением парциального давления паров воды p_п и давлением насыщенных паров воды р_s при температуре влажного воздуха.

Состояние насыщения (кипения жидкости) наступает, если при данной температуре давление насыщенных паров р _s равно давлению окружающей среды p. В неограниченном объеме , в замкнутом объеме .

1.2. Состояния влажного воздуха. В зависимости от соотношения р_п и р_s, можно рассмотреть следующие состояния влажного воздуха.

Ненасыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды р_п меньше давления насыщения р_s при данной температуре, р_п<р_s. Температура паров воды (влажного воздуха) больше температуры насыщения (кипения) воды при данном давлении, t_в>t_s. Пары воды находятся в перегретом состоянии относительно температуры насыщения.

Насыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды равно давлению насыщения при температуре воздуха, р_п=р_s. Температура влажного воздуха равна температуре насыщения воды при данном давлении, t_в=t_s.

Перенасыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды больше давления насыщения при температуре воздуха, р_п>р_s. Температура влажного воздуха меньше температуры насыщения воды при давлении р_п, t_в<t_s. Происходит конденсация части паров или пары (при отсутствии центров конденсации) остаются в термодинамически неустойчивом (пересыщенном) состоянии.

1.3. Основные характеристики влажного воздуха. Все расчеты влажного воздуха ведут на 1 кг массы сухого воздуха, поскольку в процессе сушки только сухая часть влажного воздуха остаётся величиной постоянной.

Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара ρ_п при его парциальном давлении и температуре.

Отношение массы водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха ρ_п, к максимально возможной в том же объёме при том же давлении и при той же температуре ρ_н называется относительной влажностью воздуха

. (2.10)

При расчете процесса сушки оперируют параметром удельного влагосодержания d - массой водяного пара, отнесённой к 1 кг сухой части воздуха.

Величина удельного влагосодержания насыщенного воздуха (φ=1, р_п=р_s.) может быть определена из зависимости

(2.11)

где р, р_п – давление влажного воздуха и парциальное давление водяного пара следует подставлять в одних и тех же единицах измерения, предпочтительно в системе СИ – Н/м² (в МКГСС – кгс/см² или СГС- кгс/см², мм. рт. ст.).

Удельную энтальпию i (теплосодержание) влажного воздуха относят к 1 кг сухой части, т.е. определяют энтальпию смеси, состоящей из сухого воздуха (массой m_в=1кг) и водяного пара (m_п =d m_в).

(2.12)

где i_в - энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; i_п - энтальпия пара, кДж/кг.

Энтальпия 1 кг сухого воздуха, кДж/кг,

(2.13)

где с_с.в – удельная изобарная теплоёмкость сухого воздуха, в приближённых расчетах в небольшом диапазоне температур с_с.в =1 кДж/(кг К); t – температура влажного воздуха, ^оС;

Энтальпия 1 кг пара i_п, кДж/кг, достаточно точно может быть вычислена по формуле, в которой теплота испарения воды q_п при 0^оС принята равной q_п= 2500 кДж/кг, а удельная изобарная теплоёмкость пара с_р.п.= 2 кДж/(кг К)

, (2.14)

тогда

. (2.15)

Параметры влажного воздуха весьма удобно определять при помощи диаграммы i-d влажного воздуха (см.рис.3 и прил.3).

Диаграмма i-d значительно упрощает решение различных задач, связанных с изменением состояния влажного воздуха.

В диаграмме i-d по оси абсцисс отложено влагосодержание d, а по оси ординат - энтальпия i влажного воздуха (на 1 кг сухого воздуха). Барометрическое давление принято равным В=745 мм рт. ст. – среднегодовое давление центральной полосы РФ.

Для более удобного расположения отдельных линий на диаграмме координатные оси в ней проведены под углом 135⁰.

В выполненных диаграммах наклонная ось влагосодержания не вычерчивается, а вместо неё из начала координат проводится горизонталь, на которую значения d спроектированы с наклонной оси. Поэтому линии энтальпии i идут наклонно, параллельно наклонной оси абсцисс, линии же d=const идут вертикально, параллельно оси ординат. В диаграмме построены изотермы (t=const).

2. Описание экспериментальной установки

Состояние влажного воздуха в большинстве случаев задаётся двумя параметрами: его температурой и относительной влажностью. Наиболее распространенным прибором для определения относительной влажности воздуха является «Психрометр Августа» (рис.4). Прибор имеет два ртутных термометра: сухой 1 и мокрый 2, чувствительная часть которого обёрнута батистом, смачиваемым водой из ёмкости 3.

	Рис.4. Психрометр Августа: 1, 2 - ртутные термометры; 3 - ёмкость с водой; 4 - вентилятор

При этом сухой термометр показывает действительную температуру влажного воздуха, а мокрый с некоторой степенью приближения – теоретическую температуру мокрого термометра. Показания мокрого термометра тем ближе к теоретической температуре, чем больше скорость потока воздуха, обдувающего чувствительную часть термометра, так как при этом меньше сказывается приток тепла излучением и теплопроводностью. Поэтому психрометр снабжен специальным вентилятором, который создаёт поток воздуха со скоростью 2 м/с.

Привод вентилятора осуществляется при помощи наружного механизма 4. Когда начинает работать вентилятор, температура мокрого термометра вследствие испарения воды на его чувствительной части начнет понижаться.

Отсчет показаний по сухому и мокрому термометрам производится в момент, когда температура мокрого термометра достигнет минимума.

3. Порядок выполнения работы

3.1. Перед началом работы необходимо проверить наличие дистиллированной воды в чашечке под мокрым термометром.

Уровень воды в ёмкости должен находиться на расстоянии 30-40 мм от ртутного шарика мокрого термометра.

3.2. Замерить показания мокрого и сухого термометров при данных атмосферных условиях. С этой целью необходимо завести пружинный механизм центробежного вентилятора при помощи ключа.

Затем, когда установятся постоянные показания сухого и мокрого термометров, записать их в табл.2 наблюдений, необходимо также записать показания барометра.

Таблица 2

Результаты наблюдений

Барометрическое давление В, мм рт.ст	Температура сухого термометра t, ^0C	Температура мокрого термометра tм, ^0C

3.3. С помощью нагревательных элементов изменить температуру воздуха в шкафу и повторить измерения согласно п. 3.2 (число опытов задаётся преподавателем).

3.3. По разности температур между показаниями сухого и мокрого термометров определяется относительная влажность по психрометрической таблице, приложенной к психрометру Августа.

3.4. Выполнить необходимые расчеты:

3.4.1. Определить относительную влажность:

а) определение относительной влажности производится по формуле

где p_п – парциальное давление водяного пара, определяемое по формуле

(2.16)

где p_н^м – давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра (берётся из таблиц Вукаловича «Термодинамические свойства водяного пара» и прил.1); А – опытный коэффициент, А = 0,00089; t-t_м – разность показаний сухого и мокрого термометра психрометра (психрометрическая разность), ⁰С; В – барометрическое давление (должно быть подставлено в формулу в тех же единицах измерения, что и давление насыщенного водяного пара p_н); p_н – давление насыщенного водяного пара при температуре сухого термометра (берётся из таблиц Вукаловича и прил.1);

б) определить относительную влажности при помощи таблиц.

В таблице по температуре сухого термометра и психрометрической разности определить относительную влажность воздуха (см.п.3.3).

3.4.2. Определить абсолютную влажность воздуха:

по температуре сухого термометра и по парциальному давлению водяных паров воздуха определить удельный объём перегретого пара по таблицам Вукаловича «Термодинамические свойства водяного пара» и прил.2 и затем плотность, см.п.1.3.

3.4.3. Определить влагосодержание воздуха:

а) расчетное влагосодержание определяется по формуле (2.11):

б) табличное влагосодержания находится при помощи диаграммы:

при температуре влажного воздуха (показания сухого термометра) и относительной влажности по i-d диаграмме определяется влагосодержание (см.прил.3).

3.4.4. Определить энтальпию влажного воздуха:

а) расчетное определение энтальпии выполняется по (2.15):

б) табличное определение энтальпии при помощи диаграммы:

энтальпия влажного воздуха по диаграмме i-d так же, как и влагосодержание определяется по температуре влажного воздуха и относительной влажности. Полученные данные записываются в табл.3 результатов расчета (1 кал =4 ,1868 Дж).

Таблица 3

Результаты расчетов

Температура влажного воздуха	Психрометрическая разность температур	Относительная влажность	Абсолютная влажность	Влагосодержание	Энтальпия
расчетная	табличная	расчетное	по диаграмме	расчетная	по диаграмме
t, ^0С	t- tм ^0С	jр, %	jт, %	r, кг/м^3	dр, кг/кг	dд, кг/кг	iр, кДж/кг	iд, кДж/кг
…

4. Контрольные вопросы

4.1. Какой газ называется идеальным?

4.2. При каких условиях воздух можно считать идеальным газом?

4.3. Как формулируется закон Дальтона для смеси идеальных газов?

4.4. Назовите и дайте определения основных характеристик влажного воздуха.

4.5. Каковы устройство и принцип действия психрометра Августа?

4.6. Каким образом по i-d диаграмме определяются параметры влажного воздуха?

Дата добавления: 2015-05-26