afanasev_a_e_fizicheskie_processy_torfyanogo_proizvodstva

81

	Влажные серые почвы	0,1	– 0,2
	Водная поверхность (среднее	15	– 20
	значение)

Атмосфера частично поглощает как солнечную радиацию, так и собственное излучение Земли. Излучение нагретой атмосферы, поступающее

к земной поверхности, называется встречным излучением δEa (λ = =4…40 мкм, ИК область спектра поглощается до 95%). Основным излуче-

нием Eа служат пары воды и углекислого газа.
Разность
		Eз δEa Eэф		(3.10)
называется	эффективным	излучением	земной	поверхности.

Eэф = 0,07…0,11 кВт/м2 (ясные ночи), днем оно повышается вследствие нагрева почвы.

Одним из основных факторов, определяющих метеорологические условия сушки торфа, является радиационный баланс В. Радиационный баланс – это алгебраическая сумма составляющих солнечной радиации на горизонтальную поверхность поля сушки или разность между поглощенной радиацией и собственным излучением поверхности:

B Q R E	S' D R (E	δE ) ,	(3.11)
эф	з	a
В Q	1 А Еэф ,

где Q (1 – А) – поглощенная радиация.

Солнечная радиация численно равна количеству теплоты, посту-

пающей в единицу времени на единицу поверхности, и измеряется в Вт/м2

(Дж/м2 с).

Радиационный баланс торфяной поверхности оказывает существенное влияние на распределение температуры в верхнем слое залежи и сушимом торфе, в приземном слое атмосферы, а также на процессы испарения, образования туманов, изменение свойств воздуха.

Отношение B составляет (по станции наблюдения г. Москва): 52%

Q

(май), 50 (июнь), 49 (июль), 46 (август), 41 (сентябрь). Радиационный баланс считается положительным, если Q (1 A) Eэф , и отрицательным,

если Q (1 A) Eэф , т.е. утром и ночью в летние месяцы сезона сушки торфа В отрицательно.

3.1.2. Время

Истинное солнечное время определяется по фактически наблюдаемому неравномерному движению центра диска истинного Солнца. В ас-

82

трономии оно отсчитывается от истинного полдня (τ). В метеорологии для него принят «гражданский счет» от предыдущей полночи:

τ τ 12 ч 00 мин .

Среднее солнечное время (иногда называется местным) определя-

ется по равномерному движению центра диска воображаемого «среднего» Солнца. В астрономии оно также отсчитывается от полдня и обозначается τm, а в метеорологии используются «гражданский счет» и обозначение tm, так что

τm tm 12 ч 00 мин.

Среднее солнечное время отличается от истинного на величину Δτ, которая называется уравнение времени, т.е. τm τ Δτ .

Значения уравнения времени приведены в приложении 3.4.

Поясное время τп – среднее солнечное время на основном меридиане

часового пояса. На любой долготе λ

τп τm λ ,

где Δλ – разность между заданной долготой и долготой основного меридиана,

λ λ λо.м ,

выраженная в единицах времени (1º = 4 мин, 1’ = 4 с).

Декретное время τд – время, идущее на 1 ч впереди поясного: τд τп 1 ч 00 мин .

Летнее время τл – время, идущее на 1 ч впереди декретного:

τл τд 1 ч 00 мин .

Московское декретное время (м.д.в.) τм.д	– декретное время 2 – часового
пояса. Для других поясов τд τм.д. Ν	, где N – разность номеров дан-

ного пояса и пояса, в котором расположена Москва (Москва расположена в 2 - часовом поясе).

Основные меридианы часовых поясов имеют значения:

№ пояса	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Меридиан	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150

3.1.3. Примеры решения типовых задач

Пример 1. Вычислить альбедо, если поток прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность составляет S = 800 Вт/м2, рассеянной D = 250 Вт/м2, отраженной R = 110 Вт/м2, а высота солнца 40º.

Альбедо находится по формуле (3.7)

A QR 100% .

83

Предварительно нужно найти величину потока суммарной радиации на горизонтальную поверхность:

Q S ' D S sin h D 800 sin 40 250 764 Вт/м2,

A 110764 100% 14,4% .

Пример 2. Определить величину радиационного баланса, если прямая солнечная радиация , поступающая на перпендикулярную к лучам поверхность, равна 0,65 кВт/м2, рассеянная радиация – 0,32 кВт/м2, альбедо торфяной поверхности – 16%, эффектное излучение – 0,25 кВт/м2, а высота солнца – 50º.

Найдем составляющие радиационного баланса. Прямая солнечная радиация на горизонтальной поверхности

S ' S sin h 0,65sin 50 0,498 кВт/м2 .

Суммарная солнечная радиация

Q S ' D 0,498 0,32 0,818 кВт/м2 .

Отраженная радиация

	R	Q A		0,818 16	0,131 кВт/м 2 .
		100		100

Радиационный баланс

B Q R Eэф 0,818 0,131 0,250 0,437 кВт/м2 .

Пример 3. Как изменится альбедо поверхности, если влага торфа изменилась от 40 до 60% при степени разложения торфа 10%.

Вследствие увеличения количества воды альбедо с ростом влаги торфа будет уменьшаться. Численные значения такого изменения можно оценить по эмпирической формуле, предложенной О.А. Белоцерковской:

Ai 6 0,0042 (90 ωi ) (75 Rт ),

откуда

A A1 A2 0,0042 (75 Rт ) (90 ω1) (90 ω2 ) 5,46% .

Пример 4. Найти московское декретное время и среднее солнечное на меридиане 57 14 , когда по декретному времени здесь 22 ч 43 мин.

Точка с долготой 57 14 находится в четвертом часовом поясе. Следовательно, московское декретное время определяется из соотношения

τм.д. τд Ν 22 ч 43 мин 2 20ч 43 мин .

Найдем поясное время (среднее солнечное на основном меридиане) τп τд 1 ч 00 мин 22 ч 43 мин 1 21 ч 43 мин .

Определяем разность по долготе между данной точкой и средним

меридианом 4- часового пояса:

λ 57 14 60 2 46 .

Выражаем разность по долготе в разность по времени ( 1 4 мин, 1' 4 с) с округлением до минуты:

84

t (2 4 мин 46 4 с) 11 мин .

Среднее солнечное время составит

τм τп t 21 ч 43 мин ( 11) мин 21 ч 32 мин .

Задачи к разделу 3.1

1.Определить величину встречного излучения атмосферы, если суммарная солнечная радиация 0,8 кВт/м2, радиационный баланс равен 52% от суммарной солнечной радиации, альбедо 14%, температура воздуха 28ºС. Излучение земной поверхности принять равным излучению черного тела.

2.Вычислить поток солнечной радиации на горизонтальную площадку на верхней границе атмосферы при высотах солнца 0, 10, 30, 50, 70

и90º.

3.Найти декретное время, московское декретное время и истинный

полдень 16 июля на станции с долготой 61 45 .

4. Вычислить альбедо, если поток прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность 800 Вт/м2, рассеянной – 250, высота солнца 40º, отраженная радиация 110 Вт/м2.

5. Поток прямой солнечной радиации на перпендикулярную солнечным лучам поверхность в течение дня изменяется в соответствии с данными:

Часы	5	7	9	11	13	15	17	19
h , град	7,5	26	43	57	59	46	27,5	10
S, Вт/м2	482	705	803	845	845	824	677	370

Вычислить для каждого срока поток прямой радиации на горизонтальную поверхность торфяной залежи. Построить и проанализировать график суточного хода обоих потоков солнечной радиации.

6. Вычислить часовую сумму поглощенной радиации на свежесфрезерованной торфяной залежи ( ωн 80% ) и на поверхности фрезерного

торфа перед уборкой ( ωк 20% ), если степень разложения торфа 25% , а

суммарная радиация в среднем за этот час на обоих полях 800 Вт/м2.

7. Радиационный баланс деятельного слоя торфяной залежи в безоблачный июльский день представлен данными:

	Срок, ч		1		3		5	7	9		11
	В, Вт/м2		–42		–42		63	195	342		426
	Срок, ч		13		15		17	19		21		23
	В, Вт/м2		447		412		188	–40		–63		–63

Представить эти данные в виде графика и проанализировать.

8. На сколько градусов мог бы за час нагреться противопожарный водоем глубиной 1 м на торфяных полях, если суммарная радиация равна

85

0,7 кВт/м2, альбедо водоема 5%, а поглощенная, водоемом часть суммарной радиации расходуется только на его нагревание?

На какие процессы, кроме нагревания воды, расходуется в действительности лучистая энергия, поглощенная водоемом?

9. Средние за июль температуры воздуха и упругость пара одной из торфяных баз Ленинградской области характеризуются данными:

Время, ч.мин	00.30	06.30	09.30	12.30	15.30	18.30
t , С	11,8	14,7	17,6	18,9	18,9	17,3
e, кПа	1,36	1,43	1,41	1,39	1,39	1,42

Вычислить для каждого срока встречное излучение. Результаты представить графически и проанализировать.

10. Найти радиационный баланс деятельного слоя, если поглощенная часть коротковолновой радиации равна 112 Вт/м2, а эффективное излучение 84 Вт/м2.

11. Радиационный баланс деятельной торфяной залежи при безоблачном небе в один из летних дней:

	Срок, ч.		1		3		5	7	9		11
	В, Вт/м2		–42		–42		63	195	342		426
	Срок, ч.		13		15		17	19		21		23
	В, Вт/м2		447		412		188	–42		–63		–63

Изобразить суточный ход радиационного баланса графически и проанализировать. Отметить наиболее благоприятное время суток для сушки торфа.

3.2. Термодинамика влажного газа

При полевой сушке испарение является ведущим процессом удаления влаги из торфа, связанным с тепло- и влагообменом сушимого материала с воздухом. Атмосферный воздух – один из источников теплоты, необходимой для испарения. Поэтому определение параметров влажного воздуха имеет большое значение.

При изучении процессов сушки влажный воздух рассматривается как смесь абсолютно сухого воздуха и водяного пара и характеризуется температурой, общим (барометрическим) давлением, парциальными давлениями сухого воздуха и водяного пара, удельным объемом, плотностью и энтальпией. К дополнительным параметрам следует отнести относительную влажность воздуха, теплоемкость, точку росы и другие.

При атмосферном давлении с достаточной для практических целей точностью к влажному воздуху применимы основные законы, установленные для идеальных газов (см. раздел 1.1).

86

Характеристическое уравнение состояния идеального газа связывает между собой три основных параметра влажного воздуха – давление p, удельный объем υ и температуру T (1.4):

pυ RT .

Уравнение (1.4) получается из уравнения Клапейрона-Менделеева для идеальных газов (1.2):

pV mμ R*T .

Если разделить правую и левую части уравнения на V, получим формулу

р	m R*			(3.12)
	V	T .
		μ
Обозначив m γ – плотность газа,		кг/м3;	R*	R – удельная газовая
V			μ
постоянная, кДж/(кг·К), получим формулу
p γ R T .				(3.13)
Для влажного воздуха как смеси различных газов справедлив закон
Дальтона:
pб = pп + pсв.				(1.3)
Масса влажного воздуха
mвв = mп + mсв,				(3.14)
где mп – масса водяного пара, кг; mсв – масса сухого воздуха, кг.
Плотность влажного воздуха
γвв= γп + γсв,				(3.15)

где γп и γсв – плотности соответственно водяного пара и сухого воздуха, кг/м3.

На метеорологических станциях в течение всего года проводятся наблюдения за атмосферным давлением и температурой воздуха. Относительная влажность воздуха определяется показаниями сухого и мокрого термометров психрометра.

Используя характеристическое уравнение состояния идеального газа и закон Дальтона для влажного воздуха, а также барометрическое давление, температуру сухого tс и смоченного tм термометров, определяют упругость водяного пара в воздухе е, влажность воздуха φв, температуру точки росы tр, влагосодержание d, энтальпию I , плотность γ, удельный объем υ влажного воздуха и его химический потенциал μ.

3.2.1. Расчет параметров влажного воздуха

87

Исходными данными для расчета параметров влажного воздуха являются: температура сухого tс, ºС смоченного термометра tм, ºС, а также барометрическое давление рб, кПа.

При данных температуре и барометрическом давлении содержание водяного пара в воздухе может быть различным. Упругость водяного пара есть парциальное давление водяного пара и обозначается е = рп.

Парциальное давление водяного пара при данной температуре не превышает давления насыщенного водяного пара, или максимальной упругости Е. Влага в состоянии насыщения может находиться в виде газа и жидкости.

Максимальная упругость водяного пара, находящегося в состоянии насыщения по отношению к плоской поверхности химически чистой воды, определяется температурой воздуха:

7,5 t
Е 0,61 10 238 t ,	(3.16)

где Е – давление насыщенного водяного пара (максимальная упругость), кПа; t – температура воздуха, ºС.

Максимальная упругость водяного пара может быть определена так-
же по данным табл. 3.2.
Упругость водяного пара в воздухе е рассчитывается по психромет-
рической формуле
е = Ем– А·рб(tс – tм),	(3.17)
где Ем – максимальная упругость водяного пара при температуре смочен-

ного термометра, кПа; А – психрометрический коэффициент, зависящий от скорости воздушного потока и других факторов:

		А = α	/(α	m	р r), К 1 ,
		q			о
где α	q	– коэффициент теплообмена, кВт/(м 2				∙К); α	m	– коэффициент массо-
обмена, кг/(ч∙м 2 ∙кПа); ро – нормальное						атмосферное давление, ро ≈

101кПа; r – удельная теплота фазового превращения, кДж/кг, А ≈ 0,0008 К

1 .

Таблица 3.2

Максимальная упругость водяного пара (через один градус)

	Температура,		Максимальная упругость водяного пара, кПа
	t, ºС
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	0	0,61	0,66	0,71	0,76	0,81	0,87	0,94	1,00	1,07	1,15
	10	1,23	1,31	1,40	1,50	1,60	1,71	1,82	1,94	2,06	2,20
	20	2,34	2,49	2,64	2,81	2,98	3,17	3,37	3,57	3,78	4,01
	30	4,25	4,50	4,76	5,03	5,32	5,63	5,95	6,29	6,63	6,99
	40	7,38	7,77	8,20	8,64	9,10	9,52	10,02	10,62	11,15	11,75
	50	12,33	12,96	13,63	14,32	15,00	15,74	16,50	17,30	18,17	19,02

88

Абсолютная влажность воздуха, или плотность пара γп (кг/м 3 ) –

масса водяного пара, находящегося в 1 м 3 влажного воздуха при данной температуре, определяется из характеристического уравнения (1.2). При условии е = р, γ = γп , Т = Тс получаем формулу

	γп	е	.	(3.18)
		Rп Tс

При данной температуре количество насыщенного водяного пара в

1 м 3 воздуха – абсолютная влажность насыщенного воздуха γн (кг/м 3 ),

определяемая из выражения (1.2). При условии Е = р, γ = γн , Т = Тс получаем формулу

	γн	Е	.	(3.19)
		Rп Tс

Величина предельного насыщения зависит от температуры воздуха и его давления. При полевой сушке торфа барометрическое давление рб ≈ const является величиной постоянной. Изменение же температуры воздуха оказывает влияние на величину абсолютной влажности воздуха. При снижении температуры значение абсолютной влажности воздуха снижается, а при увеличении – возрастает (при рб ≈ const).

Относительная влажность воздуха φ – отношение массы пара, на-

ходящегося в 1 м 3 воздуха, к максимально возможной массе пара в 1 м 3 при тех же температуре и давлении воздуха (%, доли единицы):

	γ	п	.	(3.20)
	γ
		н

В метрологии в соответствии с законом Клапейрона-Менделеева

	e	.	(3.21)
	E

Значения относительной влажности воздуха φ в зависимости от температуры сухого tс и смоченного tм термометров, помещенных на метеостанции в психрометрической будке, приведены в табл. 3.3.

При определении относительной влажности воздуха по температурам tс и tм вводится поправка на истинные показания мокрого термометра в зависимости от скорости воздуха Vв. Она определяется по графику [18]. Величина tм рассчитывается по формуле

tм = tм'– (tc tм ) , 100

где tм' – показания мокрого термометра психрометра, ºС; – погрешность в % от измерения психрометрической разности. При скорости воздуха 1,5…2 м/с составляет 1% от измерения психрометрической разности и может не учитываться в определении φ.

Недостаток (дефицит) насыщения dв определяется из уравнения

dв = Е – е.

(3.22)

89

Таблица 3.3

Относительная влажность воздуха, % (давление 100 кПа)

tс,													tм, ºСْ
ºСْ	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16		17		18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28
10	38	50	62	74	87	100
11	30	40	52	63	76	88	100
12	22	32	43	54	65	76	88	100
13	15	25	35	45	55	66	77	88	100
14	9	18	28	37	47	57	67	78	89	100
15	4	12	21	30	39	49	58	68	79	89	100
16		7	15	24	32	41	50	59	69	79	89	100
17			10	18	26	34	43	52	60	70	79	90		100
18			6	13	20	28	36	45	53	62	71	81		90		100
19				9	15	23	30	38	46	54	63	71		80		90	100
20				5	11	18	25	32	40	47	56	64		72		81	90	100
21					7	14	20	27	34	41	49	57		65		73	82	91	100
22						10	16	23	29	36	43	50		58		66	74	82	91	100
23						6	12	19	25	31	38	44		52		59	67	74	88	91	100
24							9	14	20	27	33	39		46		53	60	67	75	83	92	100
25							6	11	17	22	28	34		41		47	54	64	73	76	84	91	100
26								8	13	19	24	30		36		42	49	55	62	69	76	84	92	100
27								5	10	15	21	26		32		37	44	50	56	63	70	77	84	92	100
28									8	12	17	22		28		33	39	45	51	57	63	70	77	85	92	100
29									5	10	14	19		24		29	34	40	46	52	58	64	71	78	85	92

90

Продолжение табл. 3.3

tс,												tм, ºСْ
ºС	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37
30	7	12	16	21	26	31	36	41	47	53	59	65	71	78	85	92
31		9	13	18	22	27	32	37	43	48	54	60	66	72	79	86	93
32		7	11	15	20	24	29	33	39	44	49	55	60	66	73	79	86	93
33			9	13	17	21	25	30	35	40	45	50	55	61	67	73	80	86	93
34				11	14	18	23	27	31	36	41	46	51	56	62	67	73	80	86	93
35					12	16	20	24	28	33	35	42	47	52	57	62	68	74	80	87	93
36						14	18	21	25	29	34	38	43	48	53	58	63	69	75	80	87
37						12	15	19	23	27	31	35	39	44	48	53	58	64	69	75	81	87
38							13	17	20	24	28	32	36	40	45	49	54	59	64	70	75	81	87
39								15	18	21	25	29	33	37	41	45	50	55	60	65	70	76	81	87
40									16	19	23	26	30	34	38	42	46	51	56	60	65	71	76	82