Влажный воздух

Атмосферный воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и небольшого количества инертных газов, всегда содержит некоторое количество водяного пара. Механическая смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом или воздушно-паровой смесью.

К влажному воздуху с достаточной для технических расчетов точностью может быть отнесено все, что касается смесей идеальных газов.

Так как влажный пар находится в воздухе большей частью в перегретом состоянии при незначительных парциальных давлениях, и поэтому близок по свойствам к идеальным газам. В то же время следует подчеркнуть, что влажный воздух нужно рассматривать как разновидность газовой смеси, объясняется тем, что при атмосферном давлении в интервале температур, ограниченном снизу температурой обычно не ниже –50 ºС, сухой воздух может быть только в газообразном состоянии, тогда как вода встречается в виде пара, жидкости, или твердой фазы, в зависимости от температуры смеси, и может выпадать из смеси. Поэтому количество водяного пара в смеси с сухим воздухом не может превышать определенной величины. В этом и состоит принципиальное отличие влажного воздуха от обычных газовых смесей. В технике с влажным воздухом приходится иметь дело при расчетах вентиляции, систем для кондиционирования воздуха, и особенно широко при расчетах процессов, протекающих в сушильных установках. Особенно широкое распространение процесс сушки как вид тепловой обработки получил в промышленности строительных материалов. Скорость процесса сушки или интенсивность удаления влаги не может быть произвольно большой, но не должна быть слишком малой. В первом случае быстрое испарение влаги из изделий приводит к их разрушению при сушке, и, как следствие, к массовому браку. Во втором случае – необоснованная затяжка. Процесс сушки вызывает снижение производительности предприятия и резкое увеличение стоимости продукции, поэтому технологические процессы должны основываться на строго научных положениях, вытекающих из теории сушки. Наибольшее распространение на практике получили сушилки, у которых в качестве тепловлагоносителя или сушильного агента используется нагретый воздух или смесь его с дымовыми газами, которые в условиях непосредственного соприкосновениях с высушиваемым материалом воспринимает удаляемую из него влагу.

Одними из основных характеристик влажного воздуха является относительная и абсолютная влажность. Абсолютной влажностью называется количество водяных паров, находящихся в 1 м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность равна плотности пара, при его парциальном давлении и температуре воздуха, и обозначается ρ_n. Отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре называется относительной влажностью φ:

Для насыщенного воздуха j = 1, или 100%, а для ненасыщенного влажного воздуха j < 1. Помимо температуры, абсолютной и относительной влажности, к характеристикам влажного воздуха относится плотность, молекулярная масса, газовая постоянная, удельный объем, влагосодержание, теплоемкость и энтальпия.

Плотность влажного воздуха слагается из масс, содержащихся в 1 м³ сухого воздуха и водяных паров: .

Молекулярную массу влажного воздуха определяют на основании формул, касающихся смеси газов ; , и если подставить значения для воздуха и пара, получается расчетная формула: ,

где значения р_н при температуре Т берутся по таблице для водяного пара, j – по данным психрометра, В, который является барометрическим давлением – по барометру. Полученная формула показывает, что относительная молекулярная масса влажного воздуха меньше сухого, то есть влажный воздух легче сухого.

Поскольку в процессе сушки влажность непрерывно увеличивается, а количество сухого воздуха в паровоздушной смеси остается постоянным, то процесс сушки судят по тому, как изменяется количество водяного пара на 1 кг сухого воздуха и все показатели паро-воздушной смеси относят к 1 кг сухого воздуха, находящегося во влажном.

Влагосодержание влажного воздуха представляет собой отношение массы пара к массе сухого воздуха, содержащегося в паровоздушной смеси: ,

где m_п – масса пара, m_в – масса сухого воздуха во влажном воздухе.

.

Таким образом, влагосодержание d при постоянном барометрическом давлении В, полностью определяется парциальным давлением пара, где , и не зависит от температуры воздуха.

Максимально возможное содержание влаги в воздухе будет при j=1: .

Так как р_н растет с температурой, то максимальное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры; тем больше, чем она выше: – называется степенью насыщенности влажного воздуха.

При относительной влажности, близкой к 1, значение степени насыщенности и относительной влажности равны: .

 

Газовую постоянную R влажного воздуха можно определить из соотношения

или , получим: .

.

Удельный объем влажного воздуха можно определить, разделив объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сухого воздуха, на его массу: .

Удельную массовую теплоемкость паровоздушной смеси, отнесенную к 1 кг сухого воздуха, определяем: .

Теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении и небольших интервалах температур (до 100°) для приближенных расчетов можно считать постоянной величиной, равной 1,0048 . Для перегретого пара средняя изобарная теплоемкость при атмосферном давлении и невысоких степенях перегрева может быть принята также постоянной и равной 1,96 .

Энтальпия влажного воздуха широко используется при расчетах сушильных установок, главным образом для определения тепла, расходуемого на испарение влаги из подсушиваемых материалов. Энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха в паровоздушной смеси, и определяют как сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара: .

При расчетах энтальпий смеси начальная точка отсчета энтальпий каждой из компонентов должна быть одной и той же.