Основные параметры, характеризующие физические

Свойства воздуха

Основными параметрами, характеризующими, физически свойства влажного воздуха, являются: температура, давление, влажность, влагосодержание, плотность или удельный объем, теплоемкость, энтальпия. Рассмотрим эти параметры.

1. Температура— термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. Это обычно принимаемое определение температуры следует непосредственно из повседневного опыта. Молекулярно-кинетическая теория вещества позволила дать более отчетливое определение температуры. Эта теория устанавливает, что даже в состоянии теплового равновесия молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом (так называемом тепловом) движении. Из молекулярно-кинетической теории следует, что средняя кинетическая энергия теплового движения молекулы Е определяется выражением

E=3/2·kT , (1)

где: k - постоянная Больцмана; k = 1,38*10 ^-16 эрг/K; Т - абсолютная температура, °К.

Таким образом, температура тела прямо пропорциональна кинетической энергии теплового движения молекул. Температура, как и все параметры, характеризующие физическое состояние воздуха, имеет смысл только в том случае, когда рассматриваемое тело содержит громадное число молекул. Мерой изменения температуры тела может служить изменение какой-либо величины, характеризующей ее, например, объема, удельного сопротивления и т. д. На этом основаны различные способы измерения температуры. B технике кондиционирования воздуха применяются две системы градуировки термометров: по шкале Цельсия и Фаренгейта (градуировка по шкале Реомюра имеет лишь историческое значение).

По шкале Цельсия постоянные точки таяния льда и кипения воды при нормальном давлении обозначены соответственно 0 и 100°С, по шкале Фаренгейта те же точки обозначены 32 и 212°Ф. (Промежутки между этими константами разделены на 100 частей в шкале Цельсия (100 градусная шкала) и на 180 частей в шкале Фаренгейта. Каждое деление выражает 1°С и 1°F. Соотношение между показаниями по этим шкалам следующее:

t°C = 5/9(Т°Ф - 32); t °Ф = 9/5( t°С + 32).

Одним из следствий второго начала термодинамики является доказательство универсальной (т. е. не зависящей от метода измерения и термометрического вещества) температуры, совпадающей с той, которая входит в уравнение состояния идеального газа: P v = RT. На этом основании возникает возможность построения универсальной температурной шкалы, за естественное начало которой принимается абсолютный нуль температуры. Такая шкала предложена Кельвином в качестве абсолютной термодинамической шкалы. Соотношение между шкалой Кельвина (Т°К) и стоградусной шкалой:

T°K= t° C + 273,16.

В технических расчетах принимают T = t + 273. Исследования Нернста и Планка показали, что абсолютный нуль температуры не может быть достигнут; в частности, современная квантовая теория и экспериментальные исследования подтверждают факт уменьшения теплоемкости твердого тела до нуля при понижении температуры его до температур, близких абсолютному нулю.

2. Давление - термодинамическая величина, представляющая действие системы на внешнюю среду, которое можно оценить как силу, отнесенную к единице площади. Окружающий Землю слой воздуха оказывает на поверхность Земли давление, называемое физической атмосферой (атм), представляющее собой давление, измеряемое на уровне моря высотой ртутного столба в 760 мм при 0°С или 10330 мм вод. ст. Техническая атмосфера (ат) меньше физической и составляет 735,5 мм рт. ст. или 10000 мм вод. ст., что соответствует давлению 10000 кг/м² (1 кг/см²).

Если давление выражено не в мм рт. ст., а в других единицах, для пересчета следует пользоваться следующими соотношениями:

1 мм рт. ст.= 133,322 н/м² =133,322 Па = 0,00133322 бар;

1 мм вод. ст. = 9,80665 н/м² = 9,80665 ∙10 ^{- 5} бар;

1 техническая атмосфера (ат) = 1 кг/см² = 98066,5 н/м² = 9, 8066·10⁴Па= =735 мм рт.;

1 физическая атмосфера (атм) = 760 мм рт. ст =1,0332 кг/см² =1, 013∙10⁵Па;

1 бар = 10⁵Па.

Давление атмосферного воздуха играет известную роль в расчетах кондиционирующих установок, в связи с чем необходимо рассматривать состояние воздуха для каждой проектируемой установки при давлении, наиболее типичном для данной местности и времени работы установки, если она работает периодически.

Влажность и влагосодержание воздуха.

Как мы уже отмечали, в воздухе всегда находится то или иное количество водяного пара. Давление водяных паров не зависит от присутствия воздуха. Водяной пар не абсорбируется, не уничтожается и не изменяется воздухом. При отсутствии химической реакции водяной пар может находиться в любом газе или смеси газов; он также может находиться в пространстве и без какого-либо другого газа, тогда производимое им давление зависит исключительно от температуры и пространства, занятого паром.

Количество водяного пара, находящегося в воздухе, зависит от его давления и температуры. Это значит, что при определенной температуре и атмосферном давлении смесь, насыщенная водяным паром, будет иметь вполне определенное давление и определенное количество водяных паров. Если, например, общее давление смеси повысить до 2 атм при постоянной температуре, то половина количества водяных паров сконденсируется и выпадает в виде воды, но давление пара останется неизменным. Если теперь общее давление снова понизить до 1 атм и вернуть смеси начальный объем при постоянной температуре, то сконденсировавшийся пар снова перейдет из жидкого в парообразное состояние, количество пара в воздухе достигнет прежней величины, но давление пара опять-таки останется неизменным. Так как в установках кондиционирования воздуха общее давление смеси воздуха и пара постоянно и близко к атмосферному, то повышение давления пара компенсируется равным понижением давления воздуха, и количество содержащегося в воздухе водяного пара изменяется пропорционально температуре смеси, если, конечно, при этом не достигнуто еще состояние насыщения, характеризуемое максимумом давления водяного пара.

Влажность воздуха характеризуется следующими показателями:

а) абсолютная влажность представляет собой массу водяных паров, содержащуюся в 1м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность обычно обозначается символом ω и измеряется в г/м³. Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения носит название влагоемкости ω_н. Величина влагоемкости является функцией температуры воздуха, что видно из табл. 1.

Таблица 1

б) относительная влажность, правильное определение вытекает из закона Дальтона о парциальных давлениях. Согласно этому закону давление атмосферного воздуха представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха p_св и водяного пара p_п

p_б = p_св + p _п . (2)

При данной температуре парциальное давление водяных паров не может превысить определенного предела, известного под названием «давление насыщения» p_н. Парциальное давление присутствующих в воздухе паров всегда меньше или равно давлению насыщения, т. е.

p_п / p_н = φ ≤ 1. (3)

Величина φ (в процентах), выражающая отношение парциального давления паров, находящихся во влажном воздухе, к давлению их в состоянии насыщения при той же температуре, называется относительной влажностью воздуха;

в) влагосодержанием называется количество водяных паров в г, содержащееся во влажном воздухе и отнесенное к 1 кг сухой части этого воздуха (d—г/кг сухой части воздуха или сокращенно d г/кг с. в.).

В соответствии с этим определением влагосодержание влажного воздуха представляет собой отношение массы пара к массе сухой части воздух

(4)

4. Плотность и удельный объем влажного воздуха. Плотность воздуха — это масса (кг) 1 м³ влажного воздуха при определенной температуре и относительной влажности, представляет собой отношение массы влажного воздуха к его объему V

. (5)

Удельный объем v, м³/кг — величина, обратно пропорциональная плотности, кг/м³

v = 1/ρ, м³/кг.

Плотность и удельный объем влажного воздуха являются величинами переменными, зависящими от температуры и относительной влажности воздушной среды. Эти величины необходимо знать при подборе вентиляторов, при решении задач, связанных с расчетом воздуховодов и других вопросов. Обычно при расчете вентиляционных установок дается объем влажного воздуха. Все графоаналитические методы решения задач проводятся для влажного воздуха, сухая часть которого 1 кг. Поэтому для расчетов всегда требуется определять массу сухой части в заданном объеме влажного воздуха

с.в.,

где ρ_св- плотность сухой части воздуха, заключающейся в 1 м³ влажного воздуха.

Теплоемкость и теплосодержание

Для измерения всех видов работы и любого рода энергии установлена одна универсальная единица — Джоуль (Дж.). Эта единица является производной и имеет размерность 1 Дж = (1 н)•(1 м), т. е. определяет работу, производимую силой в 1 н на пути 1 м.

Связь этой единицы с единицами измерений в других системах определяется следующими соотношениями:

1 кал = 4,1868Дж,

1 эрг = 10^-7 Дж,

1 ккал = 4186,8 Дж,

1 л. с. =2, 65 ·10⁶ Дж. 1 ккал = 4186,8 Дж.

Количество тепла, необходимое для нагревания на 1 град единицы массы (1 кг) данного тела, называется удельной массовой теплоемкостью тела. Удельная массовая теплоемкость измеряется в Дж/(кг град) в системе СИ и в ккал/(кг·град) - в технической системе.

Удельная массовая теплоемкость газов изменяется в зависимости от того, находится ли газ под постоянным давлением ( ) или сохраняет постоянный объем ( ). всегда больше , так как на расширение затрачивается некоторая доля тепловой энергии. Для каждого газа отношение

.

В расчетах кондиционирования воздуха учитывается С_р;

для воздуха

.

Удельную теплоемкость влажного воздуха Св в относят, как и влагосодержание, к единице массы сухой части воздуха:

Свв = Ссв + Сп·d /1000_{__}[_{_}кДж/кг сух. возд.·град ], (6)

где С_св—средняя удельная теплоемкость сухого воздуха; для температур в интервале 0÷100°С

С_св = 0,24 ккал/(кг•град) = 1,005 кдж/(кг • град);

С_п -средняя удельная теплоемкость водяного пара;

С_п = 0,46 ккал/(кг•град) = 1,926 кдж/(кг•град).

Удельное теплосодержание (энтальпия) сухого воздуха равно

= С_свt, [Дж/кг],

где t — температура воздуха.

Теплосодержание влажного воздуха также относят к единице веса сухой части воздуха; оно численно равно сумме теплосодержания сухой части воздуха при данной температуре, теплосодержания водяного пара в воздухе при 0°С (скрытая теплота фазового перехода) и теплосодержания этого пара при температуре процесса.

Теплосодержание влажного воздуха определяется по формуле:

J_BB = 0,24t + (597,4 + 0,46t)d • ккал/кг с. в., или

J_BB =1,0051+(2495+l,926t)d• кДж/кг с.в. (7)

Так как теплоемкость влажного воздуха С_ВВ = С_СВ + С_П •d• , то выражения (7) можно переписать в следующем виде

, (8)

или

.

Пример 1

Рассмотрим задачу, связанную с определением состава воздуха в вентилируемых помещениях. Известно, что человек выдыхает в минуту около 0,04 м³ воздуха, содержащего 4% углекислого газа.

Требуется определить, как будет меняться состав воздуха по СО₂ в помещении объемом 400 м³, в котором находится 50 человек, если известно, что вентилятор доставляет в минуту 40 м³ чистого воздуха, содержащего 0,04% СО₂, а начальное содержание СО₂ в воздухе—0,1%.

Решение.

Обозначим содержание углекислого газа в 1 м³ воздуха через у. Приращение содержания углекислого газа Δy за время Δτ (мин.) слагается из следующих составляющих:

1. Углекислого газа, вводимого в помещения дыханием 50 человек, каждый из которых выдыхает в минуту 0,04·0,04 ,что приводит к увеличению количества в 1 воздуха на

.

2. Углекислого газа, вводимого вентилятором вместе с чистым воздухом

.

3. Углекислого газа, выводимого вентилятором из помещения

Тогда баланс помещения по СО₂

.

.

Рассматривая величины Δy и Δτ как бесконечно малые, получим дифференциальное уравнение, характеризующее изменение состава в помещении

.

При решении уравнения получим:

.

Из начальных условий: при τ = 0 у = 0,001.

Откуда С = - 0,0014.

Окончательно получим искомое выражение

.

Вопросы для самопроверки

1. Каков основной состав атмосферного воздуха?

2. Охарактеризуйте компоненты, входящие в состав влаж
ного воздуха, с точки зрения их влияния на эффективность труда и отдыха человека.

3. Какими параметрами описывается состояние влажного
воздуха? Дайте определение каждого параметра.

4. Назовите единицы измерения каждого из параметров состояния воздуха.