Краткие теоретические сведения. Знание свойств влажного воздуха имеет очень большое значение при оценке микроклимата рабочих помещений

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.

Умение измерять относительного влажность воздуха и регулировать ее бывает необходимо в быту и на производстве. В сухом воздухе происходит очень быстрое испарение влаги с поверхности тела человека, высыхают слизистые оболочки дыхательных путей. При относительной влажности, близкой к 100% прекращается испарение воды с поверхности тела и, тем самым, затрудняется возможность терморегуляции человеческого организма. Особенно сильно сказывается на самочувствии человека недостаток или избыток влаги при достаточно высоких температурах воздуха.

Например, в пустыне, где воздух бывает не только сухим, но и очень горячим, человек быстро теряет влагу, во-первых, за счет обильного потения, во-вторых, в процессе дыхания (при выдохе человек выдыхает большое количество водяных паров) и может даже погибнуть в течение нескольких часов, если не будет принимать воду. И наоборот, очень высокая влажность тоже негативно сказывается на самочувствии и работоспособности. Все, например, знакомы с явлением, когда летом, часто за несколько часов перед грозой или сильным дождем в воздухе резко повышается влажность или, как говорят, «парит». Относительная влажность при этом достигает почти 100% при температуре 20-25°С и выше, в результате чего прекращается испарение пота с поверхности тела и происходит быстрый перегрев организма, что приводит к ухудшению самочувствия и снижению физической работоспособности. Поэтому для человека вреден как слишком сухой, так и слишком влажный воздух. Наиболее благоприятной для человека является относительная влажность от 40 до 60%.

Необходимость поддерживать определенную влажность воздуха возникает на многих производствах (ткацком, кондитерском и др.) для обеспечения нормальных условий производственного процесса, а также в библиотеках, музеях, хранилищах произведений искусства для обеспечения лучшей сохранности книг и различных произведений искусства.

Расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняют, как правило, при давлениях, близких к атмосферному, а парциальное давление пара в нем мало. Тогда для определения параметров влажного воздуха без большой погрешности можно применять закономерности, полученные для идеальных газов и для смеси идеальных газов, связывая параметры влажного (но не насыщенного парами) воздуха с помощью уравнения состояния идеального газа:

или (3.1)

и закона Дальтона

Р = Р_В + Р_П, (3.2)

где Р - давление влажного воздуха; Р_В -парциальное давление воздуха; Р_П -парциальное давление пара; V -объем влажного воздуха; r - плотность влажного воздуха; R -универсальная газовая постоянная; Т -температура влажного воздуха; m - молярная масса воздуха (28, 95 г/моль) или пара (18, 016 г/моль).

Количество водяного пара в воздухе выражают с помощью нескольких величин. Рассмотрим основные из них.

Давление водяного пара (парциальное), ввиду его малости при обычных условиях, часто выражают в специальных внесистемных единицах: миллибарах (мб), или в тысячных долях бара. 1 миллибар равен 0, 75 мм.рт.ст. Можно выражать давление водяного пара в воздухе в мм.рт.ст., т.к. оно мало и при обычных условиях (близких к комнатным) составляет, как правило, от 5 до 25 мм.рт.ст., но при расчетах, разумеется, необходимо переводить давление в системные единицы - Па, используя соотношение: 1 мм.рт.ст. = 133, 32 Па.

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

(3.3)

где т - масса водяного пара; V - объем влажного воздуха. Если принять объем воздуха равным 1 м³, то из формулы (3.3) следует, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара, содержащегося в воздухе. Принято выражать абсолютную влажность воздуха в г/м³, а не в кг/м³, ввиду малой массы водяных паров, находящихся обычно в воздухе.

Относительной влажностью воздуха называют отношение плотности пара при его парциальном давлении к плотности сухого насыщенного пара при одной и той же температуре, выраженное в процентах. Из формулы (3.1) следует, что относительная влажность может быть определена как отношение парциального давления паров воды к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Таким образом:

или (3.4)

где j - относительная влажность; r _П - абсолютная влажность; r _S – плотность насыщенного пара; P_S -давление насыщенного пара.

Давление и плотность насыщенных водяных паров в воздухе при повышении температуры быстро увеличиваются, причем зависимость эта носит нелинейный характер, качественно близкий к экспоненциальной зависимости, но не является экспоненциальной и, вообще, не выражается в элементарных функциях. В настоящее время существуют специальные таблицы и графики, выражающие зависимость давления и плотности насыщенных водяных паров от температуры, полученные на основании экспериментальных данных. В таблице 3.1 приведены значения давления насыщенных паров воды при различных температурах, а также абсолютная влажность воздуха при этих температурах.

Таблица 3.1 Давление насыщенных паров воды и абсолютная влажность воздуха в зависимости от температуры.

В приложении к лабораторной работе на рис.3.2 приведен график зависимости давления насыщенных паров воды от температуры для диапазона температур от 0 до 30°С. Как видно из табл. 3.1 и рис. 3.2, с понижением температуры содержание водяных паров в воздухе сильно снижается. При повышении температуры допустимое содержание водяных паров в воздухе может быть более высоким. В связи с этим относительная влажность воздуха внутри помещений подвержена сезонным изменениям, а при взаимодействии теплого и холодного воздуха происходит конденсация водяных паров. Например, выдыхаемый человеком воздух на морозе превращается в туман (конденсированный пар), т.к. человек выдыхает теплый увлажненный воздух, имеющий очень высокую, почти 100%-ую относительную влажность при температуре около 37°С, быстро охлаждающийся на морозе и становящийся даже не насыщенным, а пересыщенным паром, который очень быстро конденсируется в микроскопические капельки тумана. Такое же явление наблюдается и при выбросе выхлопных газов автомобилей. Многие, наверное, замечали, что в сильный мороз выхлопные трубы автомашин сильно «дымят», чего нельзя увидеть летом в жару. В действительности они не дымят, а «парят», поскольку сгораемое в двигателе топливо - это углеводороды, продуктом сгорания которых является не только большое количество углекислого газа, но водяного пара. Этот пар, попадая в морозный воздух, становится, как и дыхание человека, пересыщенным паром и быстро конденсируется, причем, чем сильнее мороз, тем больше капель воды образуется и тем более густым кажется дым.

В жилых помещениях в зимний период относительная влажность оказывается довольно низкой. Связано это с тем, что попадающий с улицы в помещение воздух через систему вентиляции, двери и окна, даже если на улице он имеет высокую относительную влажность, прогревается и становится сухим. Так, если при температуре -20°С воздух имеет абсолютную влажность 1 г/м³, что соответствует относительной влажности немногим более 90% (см. табл. 3.1), то, прогревшись до 20°С, воздух будет иметь относительную влажность всего около 6%. Если в помещении пребывает люди, увлажняющие воздух дыханием, то относительная влажность несколько увеличивается, но и после такого увлажнения может составить всего 20-30%, что меньше оптимального уровня. В летнее время в помещениях относительная влажность повышается, т.к. теплый уличный воздух, имеющий высокую относительную влажность, попадая в помещения, не прогревается или прогревается очень слабо, что не приводит к заметному обсушиванию воздуха, т.е. к понижению его относительной влажности. Приведем еще один факт, доказывающий, что зимой в помещениях воздух суше, чем летом. Деревянные двери в конце лета - осенью (особенно если лето сырое и дождливое) закрываются туже, а зимой и ранней весной свободнее в плотном тугом притворе деревянного дверного косяка. Так происходит потому, что летом воздух влажнее и деревянная дверь набирает из воздуха влагу и «разбухает» даже не смотря на то, что может быть покрытой лаком или окрашенной, а зимой наоборот, отдает влагу относительно сухому воздуху и «усыхает», немного уменьшаясь в размерах.

Давление насыщенных паров зависит также от того, находятся ли пары над поверхностью переохлажденной воды или над поверхностью льда. Надо льдом давление насыщенного пара меньше, чем над переохлажденной водой при той же температуре. Это значит, что если в воздух, содержащий водяной пар вблизи состояния насыщения, внести кусочек льда и капельку переохлажденной воды, то на поверхности льда начнется конденсация, и он будет увеличиваться в размерах, а капелька воды будет испаряться и уменьшаться. Этот процесс имеет очень большое значение при образовании осадков.

Температурой точки росы t_p называется температура воздуха, которая в изобарном процессе охлаждения равна температуре насыщения при данном парциальном давлении. Другими словами, при охлаждении воздуха находящийся в нем пар при некоторой температуре становится насыщенным и при дальнейшем понижении температуры происходит его конденсация. Например, пусть при температуре t = 25°С воздух имеет относительную влажность j = 70%, используя соотношение (3.4) и график рис.3.2, находим:

Р_П = 0, 7 P_S = 0, 7× 23, 8 = 16, 7 мм.рт.ст.

Из этого же графика определим, что при давлении 16, 7 мм.рт.ст. пар станет насыщенным при температуре 19, 2°С. При охлаждении воздуха ниже этой температуры пар конденсируется, например, в виде капель росы на траве. Все знают, чем холоднее летняя ночь, тем обильнее выпадает роса, а если ночь теплая, то росы не бывает.

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

. (3.5)

Паровое влагосодержание можно определить исходя из уравнения состояния (3.1) и закона Дальтона (3.2), рассчитав массы содержащихся в 1м³ сухого воздуха и водяного пара.