Параметры воздуха.

Чистый атмосферный воздух является однородной смесью нескольких газов, составляющих его сухую часть, и водяных паров. Поэтому воздух в целом называют влажным. Сухая часть воздуха относительно постоянна. Основная по массе эта часть атмосфер­ного воздуха состоит из азота, которого в нём содержится порядка 75,55%, кислорода 23,1% и аргона 1%, Лишь около 0,05% приходится на долю диоксида углерода (углекислого газа), а также 0,3% на смесь криптона, неона, гелия и водорода. Однако даже в чистом воздухе содержатся следы монооксида углерода (угарного газа), оксидов азота, а также озона, аммиака и метана. Присутствие здесь этих газов обусловлено существованием озонового слоя в верхних слоях атмосферы, природными процессами гниения и разложения (аммиак, метан, монооксид углерода) и электрическими атмосферными явлениями (оксиды азота). Указанные примеси образуют естественный фон.

Что же касается естественного присутствия водяных паров в атмосферном воздухе, то этот влажный воздух рассматривается как смесь идеальных газов (сухая составляющая и водяные пары). Считается, что к этой смеси в диапазоне температур и давлений, характерных для большинства случаев его обработки, можно применить закономерности, которым подчиняются идеальные газы.

Состояние влажного воздуха при определённом барометрическом давлении характеризуют его основные параметры такие как температура t по сухому и t_м по мокрому (влажному) термометрам, температура точки росы t_р, влагосодержание d, энтальпия I (теплосодержание), плотность r и удельная теплоёмкость C_р. Кроме того, при характеристике условий в процессах оперируют таким понятием, как относительная влажность воздуха j, %. Для уяснения его сущности следует иметь в виду, что в зависимости от содержания водяных паров во влажном воздухе он может быть насыщенным и ненасыщенным.

Воздух называют насыщенным, если пары воды в нём находятся в состоянии насыщения. При этом его относительная влажность является предельной (j = 100%), При таком состоянии воздуха дополнительное поступление пара в его объём или снижение температуры t воздуха вызывают конденсацию избытка влаги в виде росы (туман, оседание капель воды на холодных поверхностях). Температура t_р, при которой данный воздух становится насыщенным, называется точкой росы этого воздуха.

При ненасыщенном воздухе его относительная влажность менее 100%, т.е. водяные пары находятся в перегретом состоянии. Имеется несколько определений сущности понятия «относительная влажность». Упрощённо её можно представить как отношение идеальной массы пара в данном воздухе (абсолютная влажность) к удельной массе пара в насыщенном воздухе (влагоемкости) при одной и той же температуре воздуха по сухому термометру. Другими словами - это есть отношение количества фактически содержащихся в воздухе водяных паров к максимально возможному их содержанию при полном насыщении воздуха, выраженное в процентах. Следовательно, величина j показывает в процентах степень насыщения воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения при одной и той же температуре по сухому термометру,

Влагосодержанием (удельным влагосодержанием) d влажного воздуха называют количество водяных паров в граммах, отнесённое к одному килограмму сухой части этого воздуха (размерность - г/кг сухого воздуха).

Энтальпия (удельная энтальпия) I влажного воздуха является суммой энтальпий сухого воздуха и водяного пара в нём и характеризует количество теплоты, содержащееся в одном килограмме сухого воздуха (размерность - кДж/кг сухого воздуха или ккал/кг сухого воздуха).

Теплоёмкость (удельная теплоёмкость) C_р характеризует количество теплоты, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха, чтобы повысить его температуру на один градус (размерность - кДж/кг×град или ккал/кг×град). При атмосферном давлении в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур C_р считается постоянной и равной

1,005 кДж/кг×град или 0,24 ккал/кг×град.

Плотность влажного воздуха r есть отношение его массы к занимаемому объёму (размерность - кг/м³). Она меньше плотности сухого воздуха и возрастает с понижением его температуры. Так, например, при температурах плюс 40, 20, 0 и минус 20°С плотность воздуха составляет соответственно 1,128; 1,205; 1,293 и 1,396 кг/м³.

Из имеющихся методов оценки состояния влажного воздуха распространённым является замер температуры с помощью психрометра, содержащего два расположенных рядом термометра. Датчик (баллончик) одного из них свободен (сухой термометр), а у другого он обернут мягкой гигроскопической тканью, которая смачивается чистой водой (мокрый термометр). При обдуве термометров воздухом вода с ткани испаряется, на что тратится теплота парообразования. Вследствие этого по сравнению с сухим термометром температура влажной ткани снижается до определённого предела t_м который и называют температурой мокрого термометра. Разность показаний обоих термометров ∆t= t – t_м называют психрометрической разностью, которая даёт возможность определить относительную влажность воздуха с помощью специальных таблиц и диаграмм,

Для практического использования при определении параметров влажного воздуха в процессе его обработки на основе существующих уравнений, связывающих эти параметры Л. М. Рамзиным построена диаграмма I - d, широко применяемая специалистами по вентиляции, отоплению и кондиционированию воздуха. Поскольку параметры воздуха зависят от атмосферного давления, разработаны диаграммы I - d, приведенные к расчётным давлениям 715, 730, 745 и 760мм ртутного столба (соответственно 0,095325; 0,097325; 0,099325 и 0,101325 МПа), охватывающим диапазон, достаточный для практики. С помощью указанных диаграмм на основании любых известных двух параметров воздуха можно найти остальные, а также построить на них процессы изменения состояния воздуха при его обработке в соответствующих аппаратах и в помещении, что позволяет теоретически и практически объективно оценить их возможности ещё на стадии проектирования.

Характерный вид диаграммы I - d показан на рис.4.64. Она построена в косоугольной системе координат (вертикальные линии постоянного влагосодержания d и под углом к ним - линии постоянной энтальпии I). На полученной таким образом сетке проведены линии изотерм t и кривые постоянной относительной влажности j.

Параметры воздуха, например, в точке Н определяются следующим образом. Проведя из точки Н линию параллельно изотермам t до пересечения с линией d=0, определим температуру по сухому термометру t_н. Проведя из точки Н параллельно I = const до пересечения с линией j=100% линию, определим температуру по мокрому термометру t_мн. Проведя из неё линию по

d = const до пересечения с линией j=100%, найдём точку росы (температуру) t_рн. Значения параметров I_н, d_н и j_н определяются положением точки Н на соответствующих линиях. Некоторые из случаев изменения состояния влажного воздуха, встречающиеся в практике, показаны на рис.4.64. в виде лучей процессов. Отметим, что лучам процесса называют прямую линии, соединяющую точки, характеризующие начальное и конечное состояние влажного воздуха.

Рис.4.64. Диаграмма I - d влажного воздуха

Луч процесса Н - 1 характеризует случай, когда воздух с начальными параметрами в точке Н подвергается нагреванию с повышением температуры при неизменном влагосодержании. В практике это имеет место при обработке воздуха в теплообменнике отопителя (нагревательного прибора) или при повышении температуры воздуха в помещении, где отсутствуют влаговыделения.

Луч процесса Н –2 характеризует случай, когда при обработке воздуха одновременно повышаются его температура и влагосодержание. В практике это имеет место при изменении состояния воздуха непосредственно в помещении в тёплый период года, когда приточный воздух повышает свою температуру за счёт теплопоступлений в объект, а влагосодержание - за счёт влаговыделений внутри него.

Луч процесса Н - 3 характерен тем, что воздух из состояния в точке Н переходит в состояние в точке 3 со снижением температуры при одновременном повышении влагосодержания, но без изменения энтальпии. Такой процесс носит название «адиабатное увлажнение», и в практике это имеет место при непосредственном контакте воздуха с водой без поступления в неё дополнительной теплоты, как это происходит при обдувании воздухом мокрого термометра в психрометре.

Луч процесса Н - 4 характеризует случай, когда снижается температура воздуха при одновременном повышении его влагосодержания и уменьшения энтальпии. В практике это имеет место при изменении состояния воздуха непосредственно в помещении при подаче его в подогретом виде в холодный период года. При этом температура воздуха и энтальпия снижаются за счёт теплопотерь через ограждения помещения, а влагосодержание увеличивается за счёт влагопоступлений в него (например, влаговыделения людей при дыхании и потоотделении).

Луч процесса Н - 5 характеризует процесс, при котором снижаются температура и энтальпия воздуха при постоянном влагосодержании. В практике имеет место при охлаждении воздуха поверхностью, температура которой выше его точки росы.

Луч процесса Н - 6 характерен для процесса с одновременным снижением температуры, энтальпии и влагосодержания обрабатываемого воздуха, т.е. он идёт с его осушением, На практике такой процесс осуществляется при контакте воздуха с поверхностью, имеющей температуру ниже его точки росы, в результате чего здесь происходит конденсация влаги.

Направление лучей процессов на диаграмме I - d определяет угловой коэффициент e, являющийся отношением избыточной теплоты (избыточного теплосодержания) воздуха ∆I к избыточному влагосодержанию ∆d. По контуру диаграммы нанесены направления так называемых «масштабных лучей», соответствующих значениям угловых коэффициентов e от минус ∞ до плюс ∞, кДж/кг. Отметим, что эти два указанных значения e характеризуют процессы, в которых обеспечивается d = const.