Контрольные вопросы

1. Понятие системы кондиционирования воздуха.

2. Назначение комфортного кондиционирования воздуха.

3. Назначение технологического кондиционирования воздуха.

3. Термодинамические свойства влажного воздуха

3.1. Основные параметры и характеристики сухого и влажного воздуха

Воздух является однородной смесью некоторых газов и водяного пара. Количество водяного пара в смеси зависит от ее температуры и состояния пара. Газы, входящие в смесь, образуют сухой воздух. Состав его сравнительно постоянен: азот – 79 %, кислород – 21 % и другие составляющие.

Рассматривая уравнение состояния влажного воздуха как смеси идеальных газов сухого воздуха и влажного пара, получим:

Р V = G R T,

где Р – давление влажного воздуха, Па; V – объем влажного воздуха, м³; G – вес влажного воздуха, кг; Т – температура воздуха, К; R – газовая постоянная, равная для сухого воздуха 287,055 Дж/кг·К

Удельный объем воздуха (v_о) выражает объем единицы веса воздуха м³/кг:

v_о = .

Удельный вес воздуха (γ_t) выражает вес воздуха, заключенного в единице его объема, является обратной величиной удельного объема, кг/м³:

v_t = ,

где t – коэффициент объемного расширения газа.

Теплоемкость воздуха при постоянном давлении зависит от температуры. Если температура изменяется в сравнительно узком интервале, то можно считать теплоемкость воздуха постоянной величиной. В пределах температур от – 50 до + 50°С весовая теплоемкость (с) воздуха в среднем равна 1,0049 кДж/кг К; в то же время при давлении 0,101 МПа объемная теплоемкость воздуха с_о = 1,298 кДж/м³ К. Обе теплоемкости связаны между собой соотношением

с_о = с  v_о.

Водяной пар

Давление насыщенного пара является функцией температуры:

Р = f (Т). Связь между Р и Т определяется эмпирическими выражениями. Для практической работы в основном пользуются специальными таблицами, в которых приведены данные о свойствах водяного пара. Иногда применяют приближенные эмпирические формулы. Для интервала температур между 20°С и 40°С удовлетворительный результат дает выражение

lgР = 9,97 –

Энтальпию сухого насыщенного пара определяют по таблицам или диаграммам. При температурах от 0 до +50°С пользуются приближенным выражением

i_н = 2500+1,8t_н,

где i_н – энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг; t_н – температура сухого насыщенного пара, К.

Энтальпия перегретого пара

i_п = (2500+1,8t_н) · d/1000,

где i_п – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; d – влагосодержание. г/кг.

Из последнего выражения вытекает, что энтальпия перегретого пара при невысоких температурах приблизительно равна энтальпии сухого насыщенного пара той же температуры. В действительности энтальпия перегретого пара немного выше, чем сухого.

Паровоздушная смесь

Содержание пара в единице объема воздуха или его концентрация может быть различной: каждому значению температуры воздуха соответствует содержание пара в единице объема, при котором пар становится сухим и насыщенным. Воздух, содержащий насыщенный пар, называется насыщенным.

Охлаждение насыщенного воздуха сопровождается образованием тумана, т.е. сжижением части пара, содержащегося в воздухе. При нагревании насыщенный воздух переходит в ненасыщенное состояние, а содержащийся в нем насыщенный пар становится перегретым.

По закону Дальтона давление, или упругость, паровоздушной смеси равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и пара, т.е.

Р_о = Р_с + Р_п,

где Р_о – давление, или упругость, паровоздушной смеси, кПа; Р_с – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Р_п – парциальное давление водяного пара, кПа.

Удельный вес паровоздушной смеси равен сумме удельных весов сухого воздуха и пара, т.е.

v_о = v_с + v_п.

Абсолютную влажность воздуха при полном его насыщении водяными парами при данной температуре называют влагоемкостью воздуха и обозначают _н.

Относительная влажность воздуха () – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах (%) или долях единицы:

 = ,

где Р_н – давление насыщенного воздуха водяными парами, кПа.

Величину  применяют и для качественной оценки влажностного состояния воздуха.

Воздух с  < 1 можно охлаждать до определенного предела. Если температура снизится до значения, при котором воздух становится насыщенным, то дальнейшее охлаждение будет сопровождаться конденсацией пара, т.е. снижением влагосодержания при сохранении значения  = 1. Температура, при которой воздух становится насыщенным, называется точкой росы t_р.

Абсолютной влажностью воздуха называют вес водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха при данной температуре и давлении.

Если при данной температуре и абсолютной влажности продолжать вводить пары, то воздух будет насыщаться до определенного предела, выше которого водяной пар не будет усваиваться данным объемом.

Абсолютную влажность воздуха при полном его насыщении водяными парами при данной температуре называют влагоемкостью воздуха и обозначают _н.

_н = ,

где _н – абсолютная влажность воздуха, кг/м³.

Влагоемкость определяют как весовое количество водяных паров, выраженное в кг или г, содержащееся в 1 м³ влажного воздуха при полном его насыщении при данной температуре и давлении.

Количество водяного пара, содержащееся в единице паровоздушной смеси, называется весовой влажностью.

Весовое количество водяного пара в смеси с воздухом, приходящееся на единицу веса сухого воздуха, называется влагосодержанием (d).

d_н = 0,622 .

Энтальпия влажного воздуха I, кДж/кг – это количество содержащегося в нем тепловой энергии, отнесенной к 1 кг сухого воздуха или к (1 + d) влажного:

I = 1,005 · t_в + (2500 + 1,8 · t) d/1000,

где с_в – удельная весовая теплоемкость сухого воздуха равная 1,005 кДж/кг · ^оС;

с_п – теплоемкость водяного пара равная 1,8 кДж/кг · ^оС.

Температура точки росы (t_р) – температура, до которой необходимо охладить ненасыщенный воздух, чтоб он стал насыщенным при постоянном влагосодержании (d = соnst).

Температура мокрого термометра (t_м) – температура, которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и сохранении энтальпии (I = соnst).

Величины I, d, Р_п, , t, t_р – параметры состояния влажного воздуха при определенном барометрическом давлении, характеризующие тепловые и влажностные свойства влажного воздуха. Параметры t и d могут изменяться произвольно и независимо одна от другой. Каждому конкретному сочетанию t и d соответствуют определенные числовые значения всех остальных величин: I, Р_п, , t_р.

3.2. d-I-диаграмма влажного воздуха

В 1906 году Р. Молье (Германия) составил таблицы и построил I-х-диаграмму, а Л.К. Рамзин в 1918 году обработал эти таблицы и построил по ним d-I-диаграмму влажного воздуха. Они отличаются только буквенными обозначениями и размерностью. Именно в I- х-диаграмме Р. Молье впервые предложил шкалу величины ε под названием углового масштаба.

d-I-диаграмма влажного воздуха широко используется в расчетах вентиляции, кондиционирования воздуха, сушке и других процессах, связанных с изменением состояния влажного воздуха. В d-I-диаграмме (рис. 1) графически связаны все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: I, d, t, , Р_п – диаграммы построены в косоугольной системе координат. По оси ординат отложены значения энтальпий I, кДж/кг сухого воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, значения влагосодержаний d, г/кг сухого воздуха. Поле диаграммы разбито линиями постоянных энтальпий I = соnst и влагосодержаний d = соnst. На диаграмму нанесены также линии постоянных температур t = const.

Если какой-либо точке 1 (рис. 1), лежащей на изотерме t₁ = const, соответствует энтальпия I₁, графически на d-I-диаграмме эта энтальпия равна сумме трех отрезков. Размеры отрезков определяются по уравнению

I₁ = 25d₁ + 1005t₁ + 18 · 10^-3 · t₁ d₁.

Кроме линий постоянных I, d и t на поле диаграммы нанесены линии постоянных относительных влажностей воздуха . Если положение изотерм t = const и изоэнтальпий I = const; в d-I-диаграмме практически не зависит от барометрического давления Р_б, то положение кривых

 = const меняется с его изменением. d-I диаграмма построена для стандартного давления, равного 101,3 кПа.

На d-I-диаграмме обычно приводится шкала Р_п, параллельная шкале d, либо шкала Р_п располагается по оси ординат с правой стороны диаграммы, в нижней части которой помещается прямая, соответствующая уравнению

Р_п = .

В диаграмме d-I обычно приводится ее угловой масштаб в виде пучка лучей, соответствующих направлениям процессов изменения состояния воздуха с определенным тепловлажностным отношением, кДж/кг:

 = 1000 = 1000,

где I₁, d₁ и I₂, d₂ – энтальпия и влагосодержание воздуха в начальном и конечном состояниях.

Пучок лучей (прямых) сходится в нулевой точке диаграммы, где I = 0, d = 0, t = 0. Угловой масштаб представляется либо кругом (половиной круга) с лучами, обозначенными соответствующими значениями  от – (вертикаль, идущая вниз от точки 0) до + (вертикаль, идущая вверх от точки 0), либо концами лучей с соответствующими значениями  за пределами диаграммы.

Рис. 1. Диаграмма d-I влажного воздуха

Зная начальное состояние воздуха (точка 1 в диаграмме на рис. 1) и значение  для процесса (например,  = 4190), из точки 1 проводят соответствующий луч процесса, на пересечении которого с линией известного параметра конечного состояния воздуха (например, d₂ = соnst или t₂ = соnst) находят точку 2, характеризующую конечное состояние воздуха.

Один из параметров состояния воздуха, температуру точки росы t_росы, находят в месте пересечения вертикали, проведенной из точки состояния воздуха вниз, с кривой насыщения  = 1,0. Выше кривой насыщения – область ненасыщенного воздуха (линии  = соnst < 1), а ниже – область тумана.

Важной характеристикой воздуха является температура t_м влажного термометра. Поэтому на d-I-диаграмме влажного воздуха наносят линии t_м = соnst.

При t > 0 изотермы в области тумана идут положе изоэнтальп, а при t < 0 – круче. Показана область смешанного тумана (поскольку для насыщенного воздуха t = t_м, то изотермы в области тумана представляются линиями t_м = соnst).

Недостаток диаграммы d-I в том, что ее надо строить для определенного давления воздуха. Величины d и I уменьшаются с увеличением давления Р. Однако влияние изменения давления воздуха на d и I сравнительно невелико, поэтому обычно при построении диаграммы принимают Р = 0,101 МПа и этой диаграммой пользуются также для других несколько отличных барометрических давлений воздуха.

Все поле диаграммы линией  = 100 % разделено на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха. Линия  = 100 % соответствует состоянию воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже этой линии расположена область перенасыщенного состояния воздуха (состояние тумана). В этой области наносят линии процессов изменения состояния воздуха, связанных с расчетами воздушного холодильного цикла (в турбодетандере), а также при использовании воздуха в состоянии тумана.

Каждая точка на поле диаграммы соответствует определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определяется любыми двумя из пяти параметрами состояния. Остальные три параметра могут быть определены по d-I-диаграмме как производные. Диаграмма удобна не только для определения параметров состояния воздуха, но и для построений изменения его состояния при нагревании, охлаждении, увлажнении, осушении, смешении, при произвольной последовательности и сочетании этих процессов.

В технике кондиционирования воздуха и в некоторых смежных отраслях техники применяют иные диаграммы.

Рис. 2. Диаграмма d-I влажного воздуха

Примером может служить I-t-диаграмма (рис. 3), в которой все возможные состояния ненасыщенного воздуха изображают точками, расположенными под кривой  = 1.

Рис. 3. i, t диаграмма

На рис. 4 изображена тепловая диаграмма влажного воздуха, принятая в США. Это так называемая психрометрическая диаграмма построена в системе d, t-координат по сухому термометру. В практике применения преимуществ она не имеет по сравнению с d-I и I-t-диаграммами.

Рис. 4. Психрометрическая диаграмма