Влажный воздух. 
Теплотехника в 2 т. Том 1. 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_п при температуре воздуха^[1][2], т. 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 R_u — 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:

ф = ^?!-. (2.47).

Рп

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 d. Она равна отношению массы пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха, т. е.

Величину d 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 R_{C B} — 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 d_n — максимально возможное влагосодержание влажного воздуха (без наличия конденсированной воды).

Отношение влагосодержания d к максимально возможному влагосодержанию d_n 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 • 14).

Энтальпию пара /_п находят по таблицам водяного пара или по эмпирической формуле где 2500 кДж/кг — открытая теплота парообразования воды; 1,8068? — 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 Id 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 Id-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 s, применя
• [2] емого для водяного пара.