Лабораторная работа №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Задание

На примере смеси идеальных газов с водяным паром с помощью аналитических выражений, практических измерений и таблиц определить параметры влажного воздуха.

 

Приборы и принадлежности:

психрометр, термометр, барометр, диаграмма влажного воздуха, таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

 

Краткие теоретические сведения.

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. Атмосферный воздух практически никогда не бывает совершенно сухим. В нем всегда имеется некоторое количество влаги, чаще всего в виде водяного пара. Такая газообразная смесь называется влажным  воздухом.

Так как расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняют, как правило, при давлениях, близких к атмосферному, и парциальное давление пара в нем мало, то без большой погрешности можно применять закономерности, полученные для идеальных газов и для смеси идеальных газов, связывая параметры влажного воздуха, т.е. можно использовать уравнение состояния

               или          ,                                       (1)

и закон Дальтона

                                                                                                         (2)

где Р - давление влажного воздуха; - парциальное давление воздуха; - парциальное давление пара; - удельный объем влажного воздуха; - плотность влажного воздуха;  - удельная газовая постоянная влажного воздуха;  - температура влажного воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называют отноше­ние массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к его объему:

                                                                                                     (3)

где     - масса водяного пара; - объем влажного воздуха.

Из формулы (3) следует, что абсолютная влажность численно равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение плотности пара при его парциальном давления к плотности сухого насыщенного пара при одной и той же температуре, что соответствует отношению абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре:

                                                          ,                                                    (4)

где  - относительная влажность; - абсолютная влажность;  - плотность сухого насыщенного пара.

Если , то плотность пара достигает максимального значения , а относительная влажность = 100%.

Из уравнения состояния (1) абсолютная влажность

                                                                                              (5) 

а максимально возможная абсолютная влажность воздуха при той же температуре

                                                                                                        (6)

 где  - удельная газовая постоянная водяного пара; - действительное парциальное давление пара;  - максимально возможное давление (парциальное) при той же температуре.

Таким образом, относительную влажность воздуха можно определить и как отношение действительного парциального дав­ления пара к максимально возможному парциальному давлению пара при той же температуре:

                                                                                                               (7)

Парциальное давление пара по сравнению с барометрическим давлением воздуха незначительно, поэтому обычное состояние водяного пара в воздухе - перегретый пар.

Температурой точки росы tр называется температура воздуха, которая в изобарном процессе охлаждения равна температуре насыщения при данном парциальном давлении.

Паровым влагосодержанием    называют отношение массы пара , к массе сухого воздуха , что соответствует отношению их массовых долей:

                                                                                  (8)

Массовые доли   и  можно выразить через молярные доли     и  :

                                                      

где     = 18,016 г/моль - молярная масса пара; = 28,95 г/моль - молярная масса сухого воздуха; - молярная масса  влажного воздуха.

Таким образом, учитывая что молярные доли равны объёмным долям

  ,   

 паровое влагосодержание

                                            (9)

Из выражения (9) следует:

                                                                                              (10)

Энтальпия влажного воздуха определяется как сумма энтальпии сухого воздуха

                                               

и водяного пара

                                          .

         Энтальпия 1 кг сухого воздуха, выраженная  в , численно равна его температуре t, так как теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении равна .  Следовательно,

                                            .

Энтальпия одного килограмма водяного пара определяется по формуле

                                          .

Таким образом, энтальпия влажного воздуха

 ,                        (11)

где     проставляется в г/кг.

Если влагосодержание воздуха увеличивается за счет испарения воды, то такой процесс называют  адиабатным испарением воды, так как теплота, необходимая  для испарения, берется из окружающего воздуха. Температура воздуха при этом понижается, причем, если процесс продолжается до полного насыщения воздуха, тo температура его понижается до так называемой температуры мокрого термометра – температуры адиабатного насыщения воздуха.

На практике для определения этой температуры пользуются психрометром.

 Психрометр - прибор, состоящий из двух термометров. Шарик одного из них обернут влажной тканью, вследствие чего показания сухого и мокрого термометров различны. Очевидно, чем меньше степень насыщения влагой атмосферного воздуха, тем интенсивнее процесс испарения с влажной ткани и, следовательно, больше разность температур сухого и мокрого термометров. Для установившегося теплообмена между мокрым термометром и окружающей средой уравнение психрометра имеет вид:

                                                                               (12)

где - давление насыщения при температуре мокрого термомет­ра (определяется по таблицам «Состояние насыщения по температурам»; - барометрическое давление; - психрометрическая разность (между показаниями сухого и мокрого термометров); - парциальное давление пара, - психрометрическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей психрометра:

                                                            (13)

где - скорость движения воздуха.

Зная психрометрическую разность, барометрическое давление и используя таблицы водяного пара, можно аналитически рассчитать параметры влажного воздуха. Графически (экспресс-метод), используя -диаграмму влажного воздуха и показания психрометра, можно определить те же параметры влажного воздуха.

 

 

 

Методика выполнения работы

Ткань мокрого термометра психрометра смочить при помощи пипетки дистиллированной водой. При смачивании вода не должна попадать на термометр и на внутреннюю поверхность его кожуха. Воду нужно брать комнатной температуры. Включить вентилятор психрометра и следить за показаниями термометра. Когда показания термометров установятся (через 4-5 минут), произвести с точностью до десятых долей градуса отсчет температур сухого  и  мокрого  термометров, учитывая их табличные поправки. По результатам измерений провести определение параметров влажного воздуха двумя способами.

Аналитический расчет

 1. Вычислить постоянную психрометра  по формуле (13) для скорости воздуха, создаваемой вентилятором психрометра . 

2. Определить парциальное давление пара (12).

3. Рассчитать влагосодержание (9).

4. Энтальпию влажного воздуха определить по формуле (11).

5. Для определения относительной влажности воздуха по формуле (7) значение  определить из таблицы "Состояние насыщения по температурам" по температуре сухого термометра.

6. Температуру точки росы tр взять как температуру насыщения из таблиц "Состояние насыщения по давлениям" по парциальному давлению пара.

7. Результаты измерений и вычислений привести в отчете и занести в таблицу 1.

Графический экспресс-метод

1. Изучить стандартную   иаграмму влажного воздуха и подготовить её копию для выполнения работы.

2. На линии пересечения изотерм сухого и мокрого термометров  определить на -диаграмме точку, соответствующую состоянию влажного воздуха.

3. Опустить перпендикуляр из полученной точки на ось влагосодержания и произвести отсчет влагосодержания  .

4. Точка пересечения перпендикуляра c линией 100%-ной относительной влажности даст отсчет на изотерме сухого термометра точки росы.

5. На пересечении указанного перпендикуляра с линиями парциального давления (подвал -диаграммы) произвести отсчет парциального давления .

6. По изолинии энтальпии, проходящей через точку, соответствующей состоянию влажного воздуха, определить значение энтальпии.

7. Результаты занести в таблицу 1.

 

Таблица 1

 

, Па

d, г/кг

I, кДж/кг

, %

tр, оС

Аналитический расчёт

 

 

 

 

 

Экспресс-метод

 

 

 

 

 

 

 

    Сопоставить полученные двумя методами результаты и сделать выводы.

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.        Влажный  воздух.

2.        Понятие абсолютной и относительной влажности.

3.        Влагосодержание.

4.        Температура  точки росы.

5.        Энтальпия влажного воздуха.

6.        Принцип работы психрометра.

7.         -диаграмма влажного воздуха.

8.        Испарение воды в адиабатных условиях происходит во влажный воздух с параметрами t =70 оС, φ=10 %  и давлением, близким к атмосферному. Определить влагосодержание воздуха в конце процесса испарения, если его температура понизилась до 40оС.

9.        Влажный воздух с параметрами t = 20 оС, φ = 60 % и давлением, близким к атмосферному, нагревается до 60 оС. Определить количество тепла, затраченного на нагревание 1 кг воздуха.

10.    В сушильную камеру поступает воздух, который первоначально подогревают от 10 до 80 оС при d = 6 г/кг. В сушильной камере окончательная влажность воздуха 100 %. Сколько влаги примет каждый килограмм воздуха в процессе сушки?