Параметры влажного воздуха

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха и водяных паров. При этом под сухим воздухом понимается воздух, совершенно не содержащий водяных паров. Усреднённый процентный состав сухого атмосферного воздуха приведён в нижеследующей таблице.

Таблица 1

Атмосферный воздух практически всегда является влажным за счёт испарения в атмосферу воды с открытых водоёмов, а также вследствие горения органических топлив с образованием воды и т.п. Нагретый атмосферный воздух очень часто используется для сушки различных материалов в сушильных камерах и в других технологических процессах. Относительное содержание водяных паров в воздухе также является одной из важнейших составляющих климатического комфорта в жилых помещениях и в помещениях для длительного хранения продовольственных товаров и промышленных изделий. Эти обстоятельства определяют важность изучения свойств влажного воздуха и расчёта процессов сушки.

Здесь мы рассмотрим термодинамическую теорию влажного воздуха в основном с целью научиться рассчитывать процесс сушки влажного материала, т.е. научиться рассчитывать расход воздуха, который бы обеспечивал необходимую скорость сушки материала при заданных параметрах сушильной установки, а также с целью рассмотреть вопросы анализа и расчёта установок климатизации и кондиционирования воздуха.

Водяной пар, который присутствует в воздухе, может находиться либо в перегретом состоянии, либо в насыщенном. При определённых условиях водяной пар в воздухе может конденсироваться; тогда влага выпадает в виде тумана (облака), либо происходит запотевание поверхности – выпадение росы. Тем не менее, несмотря на фазовые переходы, находящийся во влажном воздухе водяной пар может с большой точностью рассматриваться как идеальный газ вплоть до состояния сухого насыщенного. В самом деле, например, при температуре t = 50^оС насыщенный водяной пар имеет давление p_s= 12300 Па и удельный объём . Имея в виду, что газовая постоянная для водяного пара

имеем

т.е. при этих параметрах даже насыщенный водяной пар с ошибкой не более 0.6% ведёт себя как идеальный газ.

Таким образом, мы будем рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов с той лишь оговоркой, что в состояниях, близких к насыщению параметры водяного пара будут определяться по таблицам или диаграммам.

Введём некоторые понятия, характеризующие состояние влажного воздуха. Пусть в объёме пространства 1 м³ находится влажный воздух в равновесном состоянии. Тогда количество сухого воздуха в этом объёме будет по определению плотностью сухого воздуха ρ _св (кг/м³), а количество водяного пара соответственно ρ _вп (кг/м³). Это количество водяного пара называется абсолютной влажностью влажного воздуха. Плотность влажного воздуха будет, очевидно,

При этом следует иметь в виду, что плотности сухого воздуха и водяного пара должны вычисляться при соответствующих парциальных давлениях, таким образом, что

т.е. мы считаем справедливым закон Дальтона для влажного воздуха.

Если температура важного воздуха равна t, то

Часто вместо плотности водяных паров , т.е. вместо абсолютной влажности, влажный воздух характеризуют так называемым влагосодержанием d, которое определяют как количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Для определения влагосодержания d выделим во влажном воздухе некоторый объём V ₁, такой чтобы масса сухого воздуха в нём составляла 1 кг, т.е. размерность V ₁ в нашем случае есть м³/кг_св. Тогда количество влаги в этом объёме будет d кг_вп/кг_св. Очевидно, что влагосодержание d связано с абсолютной влажностью ρ _вп. В самом деле, масса влажного воздуха в объёме V ₁ равна

Но поскольку объём V ₁ мы выбрали так, чтобы в нём содержался 1 кг сухого воздуха, то очевидно . Второе же слагаемое есть по определению влагосодержание d, т.е.

Считая сухой воздух и водяной пар идеальными газами, получим

С учётом находим связь влагосодержания с парциальным давлением водяных паров в воздухе

Подставляя сюда численные значения , имеем окончательно

Поскольку водяной пар всё-таки не является идеальным газом в том смысле, что его парциальное давление и температура значительно ниже критических, влажный воздух не может содержать произвольное количество влаги в виде пара. Проиллюстрируем это на диаграмме p–v водяного пара (см. рис. 1).

Пусть начальное состояние водяных паров во влажном воздухе изображается точкой С. Если теперь при постоянной температуре t _С добавлять во влажный воздух влагу в виде пара, например, путём испарения воды с открытой поверхности, то точка, изображающая состояние водяного пара, будет перемещаться вдоль изотермы t _С=const влево. Плотность водяного пара во влажном воздухе, т.е. его абсолютная влажность, будет возрастать. Это увеличение абсолютной влажности будет продолжаться до тех пор, пока водяной пар при заданной температуре t _С не станет сухим насыщенным (состояние S). Дальнейшее увеличение абсолютной влажности при заданной температуре невозможно, так как водяной пар начнёт конденсироваться. Таким образом, максимальное значение абсолютной влажности при заданной температуре есть плотность сухого насыщенного пара при этой температуре, т.е.

Отношение абсолютной влажности при заданной температуре и максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре называется относительной влажностью влажного воздуха, т.е. по определению имеем

Возможен также другой вариант конденсации паров во влажном воздухе, а именно изобарное охлаждение влажного воздуха. Тогда остаётся постоянным и парциальное давление водяного пара в воздухе. Точка C на диаграмме p–v будет смещаться влево вдоль изобары вплоть до точки R. Далее начнётся выпадение влаги. Такая ситуация очень часто осуществляется летом в течение ночи при охлаждении воздуха, когда на холодных поверхностях выпадает роса, а в воздухе образуется туман. По этой причине температура в точке R, при которой начинает выпадать роса, называется точкой росы и обозначается t _R. Она определяется как температура насыщения, соответствующая заданному парциальному давлению пара

Энтальпия влажного воздуха в расчёте на 1 кг сухого воздуха вычисляется суммированием

при этом учитывается, что энтальпии сухого воздуха и водяного пара отсчитываются от температуры 0^оС (точнее от температуры тройной точки воды, равной 0.01^оС).