Влажный воздух. 
Термодинамика и теория теплообмена

Основные свойства влажного воздуха

Атмосферный воздух всегда содержит то или иное количество водяного пара. Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Кроме водяного пара влажный воздух может содержать мельчайшие капельки воды (в виде тумана) или кристаллы льда (снег, ледяной туман).

В связи с возможностью перехода воды влажного воздуха в различные агрегатные состояния при изменении параметров атмосферного воздуха необходимо учитывать его специфические свойства.

Давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р_{с в} и водяного пара р_п:

Плотность влажного воздуха может быть определена как сумма плотности сухого воздуха р_{с в} и водяного пара р_п, взятых при парциальных давлениях и температуре смеси:

При заданных параметрах влажного воздуха всегда существует такое состояние, когда в нем находится максимальное количество водяного пара. Такой влажный воздух называется насыщенным. Он состоит из сухого воздуха и сухого насыщенного пара.

Для насыщенного воздуха парциальное давление водяного пара р_п равно давлению его насыщения р_и при температуре воздуха^[1], г. е.

Если р_п < р_н, то водяной пар в воздухе будет в перегретом состоянии, а такой воздух называется ненасыщенным.

При охлаждении ненасыщенного воздуха состояние водяного пара, находящегося в нем, можно довести до состояния насыщения. Температура, до которой надо охладить ненасыщенный воздух данного влагосодержания, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы ?р. Определяется температура точки росы по таблицам насыщенного пара как температура насыщения при парциальном давлении пара. Если температура воздуха ниже температуры точки росы, то произойдет конденсация избытка влаги.

Кроме парциального давления и температуры точки росы состояние влажного воздуха может характеризоваться абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием.

Абсолютной влажностью воздуха называют массу водяного пара, содержащуюся в 1 м³ влажного воздуха. Она равна плотности пара во влажном воздухе:

где /?" — газовая постоянная водяного пара.

Относительной влажностью воздуха ф называют отношение массы пара в 1 м³ влажного воздуха (р_п) к массе пара в 1 м³ насыщенного воздуха (р_н) при одинаковых давлениях и температурах:

Поскольку плотности р_п и р_н относят к одной и той же температуре, то по закону Бойля — Мариотта их отношение можно заменить отношением давлений:

Для насыщенного воздуха ф = 1 (ф = 100%), для ненасыщенного — ф < 1. При обработке воздуха в системах сушки, системах кондиционирования воздуха и т. п. изменяется его влажность, а количество сухого воздуха остается постоянным. Поэтому об изменении состояния воздуха в данных процессах удобнее судить по изменению количества влаги в 1 кг сухого воздуха. Эту величину называют влагосодержанием и обозначают ?/. Она равна отношению массы пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха, т. е.

Величину б/ обычно измеряют в граммах на килограмм.

Если считать водяной пар идеальным газом, то уравнения состояния для пара и сухого воздуха, входящего в состав влажного воздуха, при общих Т и V представимы как.

где К_{с в} — газовая постоянная сухого воздуха.

Разделив почленно одно уравнение на другое, получим.

где 0,622 — отношение молярной массы пара (18,016 кг/кмоль) к молярной массе сухого воздуха (28,96 кг/кмоль); р — давление влажного воздуха, Па. Для насыщенного воздуха уравнение (2.48а) примет вид.

где (1_п — максимально возможное влагосодержание влажного воздуха (без наличия конденсированной воды).

Отношение влагосодержания d к максимально возможному влагосодержанию d_H влажного воздуха (при той же температуре и давлении смеси) называется степенью насыщения

Связь между относительной влажностью воздуха ф и степенью насыщения |/ имеет вид.

Энтальпию влажного воздуха I определяют как сумму энтальпий сухого воздуха i_{c в} и водяного пара i_n и относят ее к 1 кг сухого воздуха, кДжДкг сух. возд.):

где 1,0048 — изобарная теплоемкость сухого воздуха, кДжДкг • К).

Энтальпию пара i_n находят по таблицам водяного пара или по эмпирической формуле.

где 2500 кДж/кг — открытая теплота парообразования воды; l, 8068i — теплота перегрева пара; t — температура влажного воздуха.

Массовую теплоемкость влажного воздуха рассчитывают по формуле.

При расчетах с влажным воздухом параметры насыщенного воздуха определяются по психрометрическим таблицам, в которых приводятся данные по парциальному давлению пара, влагосодержаиию, плотности, теплоемкости и энтальпии насыщенного воздуха в зависимости от температуры.

Наряду с таблицами насыщенного воздуха в расчетах применяют диаграмму Id влажного воздуха, предложенную Л. К. Рамзиным. В координатах Id наносят зависимости основных параметров влажного воздуха: температуры, влагосодержания, относительной влажности, парциального давления и энтальпии при заданном барометрическом давлении (рис. 2.21). По оси ординат откладывают энтальпию на 1 кг сухого воздуха, а по оси абсцисс — влагосодержание воздуха (в граммах на 1 кг сухого воздуха). Для удобства расположения отдельных линий диаграмму строят в косоугольной системе координат с углом между осями 135°. Линии постоянной энтальпии (/ = const) проходят под углом 135° к ординатам, а линии постоянного влагосодержания (d = const) располагаются параллельно оси ординат.

На диаграмме Id наносят линии постоянной температуры (/ = const) и относительной влажности (ф = const).

Рис. 2.21. Диаграмма Ы для влажного воздуха при давлении 760 мм рт. ст.

Кривую с относительной влажностью ср = 100% строят по данным таблиц насыщенного воздуха. Область диаграммы выше этой кривой относится к области ненасыщенного влажного воздуха, а область диаграммы ниже кривой насыщения (ср = 100%) характеризует состояние пересыщенного влажного воздуха, т. е. когда насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой фазе (туман). Поскольку эта часть диаграммы не используется в расчетах, то ее и не строят. В данной части диаграммы проводят линию парциального давления пара.

Диаграмму Id строят для определенного барометрического давления. На рис. 2.21 приведена диаграмма Id для давления 760 мм рт. ст.

Линия насыщения (ф = 100%) и другие линии относительной влажности (ф < 100%) при разных барометрических давлениях различны, гак как при различных давления в объеме 1 кг воздуха содержится различное количество пара. Несмотря на это, по /?-диаграмме, построенной для заданного барометрического давления, можно производить расчеты параметров влажного воздуха и для других давлений. Любая кривая ф = const на данной /?-диаграмме может быть использована для любых барометрических давлений, однако величина относительной влажности окажется различной и определяется отношением р/ф = const. Так, линия насыщения для различных давлений будет соответствовать линиям диаграммы Id для р = = 760 мм рт. ст. но соотношению.

Таким образом, по (2.55) легко установить, что:

давлению р = 380 мм рт. ст. соответствует ф = 0,5;

давлению р = 608 мм рт. ст. — ф = 0,8 и т. д.

• [1] Здесь индекс «и» относится к насыщенному воздуху в отличие от индекса 5, применяемого для водяного пара.