Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются , то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением . Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.
Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие :
- плотность;
- теплоемкость;
- температура;
- влагосодержание;
- парциальное давление водяного пара;
- относительная влажность;
- температура точки росы;
- энтальпия (теплосодержание);
- температура по мокрому термометру.
Под воздействием различных факторов может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается , то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется , и это приводит к возникновению конвективных течений : происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха както повышает свою температуру.
Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.
Более менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов : струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары, в отличие от других составляющих смеси, могут находиться в воздухе, как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Содержание водяных паров в воздухе изменяется, как в процессе влажностной обработки его в приточных вентиляционных системах и кондиционерах, так и при ассимиляции воздухом выделений влаги в помещении. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит (по объёму): около 75% азота, 21% кислорода, 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов- аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и других. Указанные компоненты газовой смеси воздуха составляют его сухую часть, прочая часть воздушной массы это водяные пары.
Воздух рассматривается как смесь идеальных газов , что позволяет использовать законы термодинамики для получения расчётных формул.
Согласно закону Дальтона, каждый газ смеси, составляющий воздух, занимает свой объём, имеет своё парциальное давление
P i ,
и имеет одинаковую температуру с другими газами этой смеси.
Внимание! Важное определение:
Сумма парциальных давлений каждого из составляющих смеси равна полному барометрическому давлению воздуха.
B = Σ Р i , Па.
Рассмотрим понятие, что такое парциальное давление ?
Парциальное давление – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав этой смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объёме и при той же температуре, что и в смеси.
В расчётах вентиляции влажный воздух мы рассматриваем как бинарную смесь, т.е. смесь двух газов, которая состоит из водяных паров и сухой части воздуха. Сухую часть воздуха мы условно принимаем однородным газом.
Таким образом, барометрическое давление равно сумме парциальных давлений сухого воздуха P с.в. и водяного пара P п , т.е.,
B = P с.в. +P п
При обычных условиях в помещении, когда давление водяного пара Р п приблизительно равно 15 мм. рт. ст., доля второго члена P с.в. в формуле барометрического давления, учитывающая разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составляет всего 0,75% величины плотности сухого воздуха ρ с.в. . Поэтому в наших инженерных расчётах считается, что
ρ возд. = ρ с.в.
ρ возд. = ρ с.в.
При изменении влажности воздуха в вентиляционных процессах масса его сухой части остаётся неизменной. Исходя из этого, принято относить массу водяных паров, содержащихся в воздухе, к 1 кг. сухой части воздуха.
Перейдём непосредственно к тем физическим величинам, которые определяют параметры влажного воздуха. Именно совокупность этих параметров определяет состояние влажного воздуха:
это величина, характеризующая степень нагретости тела . Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. В настоящее время используется температурная шкала Цельсия и термодинамическая шкала температур Кельвина, которая основана на втором законе термодинамики. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и градусах Цельсия, имеется соотношение, а именно:
T, K = 273,15 + t °C
Важно отметить, что параметром состояния является абсолютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу Цельсия, т.е.
dT = dt.
Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нём водяного пара. Массу водяного пара в граммах, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг.
Величина d равна:
где: B
– барометрическое давление, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха.
P с.в.
и водяного пара P п
;
P п
– парциальное давление водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе.
Величина φ равна отношению парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе P п. к парциальному давлению водяного пара в насыщенном влажном воздухе P н.п. при одной и той же температуре и барометрическом давлении, т.е.,
При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом , а водяные пары, содержащиеся в этом воздухе, находятся в насыщенном состоянии.
Если φ < 100%, то воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии и его называют ненасыщенным влажным воздухом .
Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его величину определяют экспериментальным путём и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Pн.п. в Па или в мм. рт. ст . от температуры в t °C .
Например, для области положительных температур от 0°C и выше давление насыщенного водяного пара в Па, приблизительно выражается зависимостью:
P н.п. = 479 + (11,52 + 1,62 t) 2 , Па
Пользуясь понятием относительной влажности φ , влагосодержание воздуха можно определить как
Для вентиляционных процессов диапазон температур это величина постоянная и равна
С с.в. = 1,005 кДж/(кг ×°C).
В обычных для вентиляционных процессов в диапазоне температур эту величину можно считать постоянной и равной
С п = 1,8 кДж/(кг × °C).
J с.в. = С с.в. × t ,
где: t – температура воздуха, в °C.
Энтальпию сухого воздуха J с.в. при t = 0°C принимают равной 0.
для воды при t = 0°C равна 2500 кДж/кг .
в воздухе при произвольной температуре t , составляет
J п = 2500 + 1,8 t.
складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара.
Энтальпия J влажного воздуха, отнесённая к 1 кг сухой части влажного воздуха, в кДж/кг , при произвольной температуре t и произвольном влагосодержании d , равна:
где: 1,005
– C с.в. теплоёмкость сухого воздуха, _кДж/(кг×°С)
;
2500
– r
удельная теплота парообразования, кДж/(кг×°С)
;
1,8
– C п
теплоёмкость водяного пара, кДж/(кг×°С)
.
Если воздух передаёт явное тепло , он нагревается, т.е. его температура повышается. При нагревании влажного воздуха энтальпия изменяется в результате изменения температуры сухой части воздуха и водяных паров. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой от внешних источников (изотермическое увлажнение паром), ему передаётся скрытая теплота парообразования. Энтальпия влажного воздуха при этом также возрастает, потому что к энтальпии сухой части воздуха прибавляется энтальпия водяного пара. Температура воздуха при этом почти не меняется, что и послужило причиной введения этого термина — скрытая теплота.
В общем случае, энтальпия влажного воздуха состоит из явной и скрытой теплоты, поэтому энтальпию иногда называют полной теплотой.
Для дальнейших расчётов систем вентиляции и кондиционирования нам потребуются следующие основные параметры влажного воздуха:
- температура t в , °С ;
- влагосодержание d в , г/кг ;
- относительная влажность φ в , % ;
- теплосодержание J в , кДж/кг ;
- концентрация вредных примесей С , мг/м 3 ;
- скорость движения V в , м/сек.
1. Абсолютная влажность.
Массовое количество пара в 1 м 3 воздуха –
2. Относительная влажность.
Отношение массового количества пара в паровоздушной смеси к максимально возможному количеству при той же температуре
(143)
Уравнение Менделеева – Клапейрона:
Для пара
Откуда: 
Для определения относительной влажности воздуха используется прибор ""психрометр"", состоящий из двух термометров: мокрого и сухого. Разность показаний термометров градуируется в значения .
3. Влагосодержание.
Количество пара в смеси, приходящееся на 1 кг сухого воздуха.
Пусть мы имеем 1 м 3 воздуха. Его масса - .
В этом кубометре содержится: - кг пара, - кг сухого воздуха.
Очевидно: 
.
4. Энтальпия воздуха.
Складывается из двух величин: энтальпия сухого воздуха и пара.
5. Точка росы.
Температура, при которой газ данного состояния, охлаждаясь при постоянном влагосодержании (d=const), становится насыщенным ( =1.0), называется точкой росы .
6. Температура мокрого термометра.
Температура, при которой газ при взаимодействии с жидкостью, охлаждаясь при постоянной энтальпии (J=const), становится насыщенным ( =1.0), называется температурой мокрого термометра t M .
Диаграмма состояния воздуха.
Диаграмма составлена отечественным учёным Рамзиным (1918 год) и представлена на рис.169.
Диаграмма представлена для среднего атмосферного давления Р=745 мм рт. ст. и по сути является изобарой равновесия системы пар - сухой воздух.
Оси координат диаграммы J-d развёрнуты под углом 135 0 . Внизу располагается наклонная линия для определения парциального давления водяного пара P n . Парциальное давление сухого воздуха
Выше на диаграмме проведена кривая насыщения ( =100%). Процесс сушки на диаграмме можно представить только выше этой кривой. Для произвольной точки ""А"" на диаграмме Рамзина можно определить следующие параметры воздуха:
Рис.169.
Диаграмма J-d состояния влажного воздуха.
Статика сушки.
В процессе конвективной сушки, например, воздухом влажный материал взаимодействует, контактирует с паровоздушной смесью, парциальное давление водяного пара в которой составляет . Влага может уходить из материала в виде пара, если парциальное давление пара в тонком пограничном слое над поверхностью материала или, как говорят, в материале Р м будет больше .
Движущая сила процесса сушки (Дальтон, 1803 г.)
(146)
В состоянии равновесия =0. Влагосодержание материала, соответствующее условию равновесия, называется равновесным влагосодержанием (U p).
Проведём опыт. В камеру сушильного шкафа при определённой температуре (t=const) поместим абсолютно сухое вещество на длительное время. При определённом воздуха в шкафу влагосодержание материала достигнет U p . Изменяя , можно получить кривую (изотерму) сорбции влаги материалом. При уменьшении - кривую десорбции.
На рис.170 представлена кривая сорбции – десорбции влажного материала (изотерма равновесия).
Рис.170. Изотерма равновесия влажного материала с воздухом.
1-область гигроскопического материала, 2-гигроскопическая точка, 3-область влажного материала, 4-область сорбции, 5-область десорбции, 6-область сушки.
Различают кривые равновесия:
1. гигроскопического
2. негигроскопического материала.
Изотермы представлены на рис.171.
Рис.171. Изотермы равновесия.
а) гигроскопического, б) негигроскопического материала.
Относительная влажность воздуха в сушилке и в атмосфере.
После сушилки при контакте с атмосферным воздухом гигроскопичный материал значительно увеличивает влагосодержание на (рис.171 а) за счёт адсорбции влаги из воздуха. Поэтому гигроскопический материал после сушки должен храниться в условиях, не допускающих контакта с атмосферным воздухом (эксикация, обёртка и др.).
Материальный баланс.
В качестве учёбной обычно принимают туннельную сушилку, т.к. она имеет транспортные средства в виде вагонеток (сушка кирпича, древесины и др.). Схема установки представлена на рис.172.
Рис.172. Схема туннельной сушилки.
1-вентилятор, 2-калорифер, 3-сушилка, 4-вагонетки, 5-линия рецикла отработанного воздуха.
Обозначения:
Расход и параметры воздуха до калорифера, после него и после сушилки.
Рис. 1. Отображение процессов обработки воздуха на d-h-диаграмме
Рис. 2. Изображение на d-h-диаграмме параметров воздуха при кондиционировании
Основные термины и определения
Атмосферный воздух представляет собой не расслаиваемую смесь газов (N2, O2, Ar, CO2 и др.), которую называют сухой воздух, и паров воды. Состояние воздуха характеризуется: температурой t [°C] или Т [К], давлением барометрическим рб [Па], абсолютным рабс = рб + 1 [бар] или парциальным рпар, плотностью ρ [кг/м3], удельной энтальпией (теплосодержанием) h [кДж/кг]. Состояние влаги в атмосферном воздухе характеризуется влажностью абсолютной D [кг], относительной ϕ [%] или влагосодержанием d [г/кг].Давление атмосферного воздуха рб представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха рс и водяного пара рп (закон Дальтона):
рб = рс + рп. (1)
Если газы могут смешиваться в любых количествах, то воздух может вместить лишь определенное количество водяных паров, потому что парциальное давление паров воды рпв в смеси не может быть больше парциального давления насыщения рн этих паров при данной температуре. Существование предельного парциального давления насыщения проявляется в том, что все избыточные пары воды сверх этого количества конденсируются.
При этом влага может выпадать в виде капель воды, кристаллов льда, тумана или изморози. Наименьшее содержание влаги в воздухе может быть доведено до нуля (при низких температурах), а наибольшее — примерно 3 % по массе или 4 % по объему. Абсолютная влажность D — количество пара [кг], содержащееся в одном кубическом метре влажного воздуха:
где Мп — масса пара, кг; L — объем влажного воздуха, м3.При практических расчетах за единицу измерения, характеризующую содержание пара во влажном воздухе, принимается влагосодержание. Влагосодержание влажного воздуха d — количество пара, содержащееся в объеме влажного воздуха, состоящего из 1 кг сухого воздуха и Мв [г] пара:
d = 1000(Mп/Mc), (3)
где Мc — масса сухой части влажного воздуха, кг. Относительной влажностью ϕ или степенью влажности, или гигрометрическим показателем, называют отношение парциального давления паров воды к парциальному давлению насыщенных паров, выраженное в процентах:
ϕ = (рп/pн)100 % ≈ (d/dп)100 %. (4)
Относительную влажность можно определить, измеряя интенсивность испарения воды. Естественно, чем ниже влажность, тем активнее будет идти испарение влаги. Если термометр обмотать влажной тканью, то показания термометра будут уменьшаться относительно сухого термометра. Разность показаний температур сухого и мокрого термометров дают определенное значение степени влажности атмосферного воздуха.
Удельная теплоемкость воздуха c — это количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воздуха на 1 К. Удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении зависит от температуры, однако для практических расчетов систем СКВ удельная теплоемкость как сухого, так и влажного воздуха:
сс.в = 1 кДж/(кг⋅К) = 0,24 ккал/(кг⋅К) = 0,28 Вт/(кг⋅К), (5)
Удельную теплоемкость водяного пара cп принимают равной:
сп = 1,86 кДж/(кг⋅К) = 0,44 ккал/(кг⋅К) = 0,52 Вт/(кг⋅К), (6)
Сухое или явное тепло — тепло, которое добавляется или отводится от воздуха без изменения агрегатного состояния пара (изменяется температура). Скрытое тепло — тепло, идущее на изменение агрегатного состояния пара без изменения температуры (например, осушка).Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха hв.в — это количество тепла, которое содержится в объеме влажного воздуха, сухая часть которого весит 1 кг.
Иначе, это количество теплоты, которое необходимо для нагревания от нуля до данной температуры такого количества воздуха, сухая часть которого равна 1 кг. Обычно принимают удельную энтальпию воздуха h = 0 при температуре воздуха t = 0 и влагосодержании d = 0. Энтальпия сухого воздуха hc.в равна:
hc.в = ct = 1,006t [кДж/кг], (7)
где с — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅К).Энтальпия 1 кг водяного пара равна:
hв.п = 2500 + 1,86t [кДж/кг], (8)
где 2500 — скрытая теплота испарения 1 кг воды при температуре нуль градусов, кДж/кг; 1,86 — теплоемкость водяного пара, кДж/(кг⋅К).При температуре влажного воздуха t и влагосодержании d энтальпия влажного воздуха равна:
hв.в = 1,006t + (2500 +1,86t)×(d/1000) [кДж/кг],где d = (ϕ/1000)dн [г/кг], (9)
Тепло и холодопроизводительность Q системы кондиционирования воздуха можно определить по формуле:
Q = m(h2 - h1) [кДж/ч], (10)
где m — расход воздуха, кг; h1, h2 — начальная и конечная энтальпии воздуха. Если влажный воздух охлаждать при неизменном влагосодержании, то будет снижаться энтальпия и температура, а относительная влажность будет увеличиваться. Наступит момент, когда воздух станет насыщенным и его относительная влажность будет равна 100 %. При этом начнется испарение из воздуха влаги в виде росы — конденсация пара.
Эта температура называется точкой росы. Температура точки росы для различных температур сухого воздуха и относительной влажности приведена в табл. 1.Точка росы является пределом возможного охлаждения влажного воздуха при неизменном влагосодержании. Для определения точки росы необходимо найти такую температуру, при которой влагосодержание воздуха d будет равно его влагоемкости dн.
Графическое построение процессов обработки воздуха
Для облегчения расчетов уравнение теплосодержания влажного воздуха представляют в виде графика, получившего название d-hдиаграмма (в технической литературе иногда употребляется термин i-dдиаграмма).В 1918 г. профессор Петербургского университета Л.К. Рамзин предложил d-hдиаграмму, на которой однозначно отражается связь между параметрами влажного воздуха t, d, h, ϕ при определенном атмосферном давлении pб.
При помощи d-hдиаграммы графическим методом просто решаются задач, решение которых аналитическим путем требует хотя и простых, но кропотливых вычислений. В технической литературе встречаются различные интерпретации этой диаграммы, которые имеют незначительные отличия от d-hдиаграммы Рамзина.
Это, например, диаграмма Молье (Mollier), диаграмма Кэриер (Carrier), опубликованная Американским обществом по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), диаграмма Французской ассоциации инженеров в области искусственного климата, вентиляции и холода (AICVF). Последняя диаграмма очень точная, выполнена трехцветной печатью.
Однако в нашей стране была распространена и используется в настоящее время, как правило, диаграмма Рамзина. Она имеется во многих учебниках, ее используют проектные организации. Поэтому и нами она взята за основу (рис. 1).Данная d-hдиаграмма Рамзина построена в косоугольной системе координат. По оси ординат откладываются значения энтальпии h, а по оси абсцисс, расположенной под углом 135° к оси ординат, откладывается влагосодержание d. Начало координат (точка 0) соответствует значениям h = d = 0.
Ниже точки 0 откладываются отрицательные значения энтальпии, выше — положительные. На полученной таким образом сетке строятся линии изотерм t = const, линии постоянных относительных влажностей ϕ = const, парциального давления водяного пара и влагосодержания. Нижняя кривая ϕ = 100 % характеризует насыщенное состояние воздуха и называется пограничной кривой. При повышении барометрического давления линия насыщения смещается вверх, а при понижении давления — вниз.
Так, при проведении расчетов для СКВ, расположенных в районе г. Киева, необходимо пользоваться диаграммой с барометрическим давлениемpб = 745 мм рт. ст. = 99 кПа. На d-hдиаграмме область, расположенная выше пограничной кривой (ϕ = 100 %), является областью ненасыщенного пара, а область ниже пограничной кривой — перенасыщенного влажного воздуха.
В этой области насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой фазе. Как правило, это состояние воздуха неустойчиво, поэтому на d-hдиаграмме процессы в ней не рассматривают. На d-hдиаграмме каждая точка выше пограничной кривой отражает определенное состояние воздуха (температуру, влагосодержание, относительную влажность, энтальпию, парциальное давление водяного пара).
Если воздух подвергается термодинамическому процессу, то переход его из одного состояния (точка А) в другое (точка В) соответствует на d-hдиаграмме линии А-В. В общем случае это кривая линия. Однако нас интересует только начальное и конечные состояния воздуха, а промежуточные не имеют значения, поэтому линию можно представить прямой, соединяющей начальное и конечное состояния воздуха.
Для определения на d-hдиаграмме точки, соответствующей некоторому состоянию воздуха, достаточно знать два независимых друг от друга параметра. Искомая точка находится на пересечении линий, соответствующим этим параметрам. Проведя перпендикуляры к линиям, на которых откладываются другие параметры, определяют их значения. Также определяется на d-hдиаграмме температура точки росы.
Так как температура точки росы является самой низкой температурой, до которой можно охладить воздух при постоянном влагосодержании, то для нахождения точки росы достаточно провести линию d = const до пересечения с кривой ϕ = 100 %. Точка пересечения этих линий есть точка росы, а соответствующая ей температура — температура точки росы. С помощью d-hдиаграммы можно определить температуру воздуха по мокрому термометру.
Для этого из точки с заданными параметрами воздуха проводим изоэнтальпу (h = const) до пересечения с линией ϕ = 100 %. Температура, соответствующая точке пересечения этих линий, есть температура мокрого термометра. В технической документации на кондиционеры оговариваются условия, при которых производились измерения номинальной холодопроизводительности. Как правило, это температура сухого и мокрого термометров, соответствующая относительной влажности 50 %.
Процесс нагревания воздуха
При нагревании воздуха линия термодинамического процесса проходит по прямой А-В с постоянным влагосодержанием (d = const). Температура воздуха и энтальпия увеличиваются, а относительная влажность уменьшается. Расход тепла на нагрев воздуха равен разности энтальпий конечного и начального состояний воздуха.
Процесс охлаждения воздуха
Процесс охлаждения воздуха на d-hдиаграмме отражается прямой, направленной вертикально вниз, (прямая А-С). Расчет производится аналогично процессу нагревания. Однако если линия охлаждения идет ниже линии насыщения, то процесс охлаждения пойдет по прямой А-С и далее по линии ϕ = 100 % от точки С1 до точки С2. Параметры точки С2: d = 4,0 г/кг, t = 0,5 °С.
Процесс осушения влажного воздуха
Осушение влажного воздуха абсорбентами без изменения теплосодержания (без отвода и подвода тепла) происходит по прямой h = const, то есть по прямой А-D, направленной вверх и влево (прямая А-D1). При этом влагосодержание и относительная влажность снижаются, а температура воздуха возрастает, т.к. в процессе абсорбции происходит конденсация пара на поверхности абсорбента, и освобожденная скрытая теплота пара переходит в тепло явное. Пределом этого процесса является точка пересечения прямой h = const с ординатой d = 0 (точка D1). Воздух в этой точке полностью освобожден от влаги.
Адиабатическое увлажнение и охлаждение воздуха
Адиабатическое увлажнение и охлаждение (без теплообмена c внешней средой) на d-hдиаграмме от исходного состояния (точка N) отражается прямой, направленной вниз по h = const (точка K). Процесс происходит при контакте воздуха с водой, постоянно циркулирующей в оборотном цикле. Температура воздуха при этом падает, влагосодержание и относительная влажность возрастают.
Пределом процесса является точка на кривой ϕ = 100 %, которая является температурой мокрого термометра. Одновременно эту же температуру должна приобрести рециркулирующая вода. Однако в реальных СКВ при адиабатических процессах охлаждения и увлажнения воздуха точка ϕ = 100 %, несколько не достигается.
Смешение воздуха с различными параметрами
На d-hдиаграмме параметры смешанного воздуха (с параметрами, соответствующими точкам (X и Y) можно получить следующим образом. Соединяем точки Х и Y прямой. Параметры смешанного воздуха лежат на этой прямой, и точка Z делит ее на отрезки, обратно пропорциональные массе воздуха каждой из составных частей. Если обозначить пропорцию смеси n = Gx/Gy, то чтобы на прямой Х-Y найти точку Z, необходимо прямую Х-Yразделить на количество частей n + 1 и от точки X отложить отрезок, равный одной части.
Точка смеси всегда будет ближе к параметрам того воздуха, сухая часть которого имеет большую массу. При смешивании двух объемов ненасыщенного воздуха с состояниями, соответствующими точкам Х1 и Y1, может случиться, что прямая Х1-Y1 пересечет кривую насыщения ϕ = 100 % и точка Z1 окажется в области туманообразования. Такое положение точки смеси Z2 показывает, что в результате смешения будет происходить выпадение влаги из воздуха.
Точка смеси Z1 при этом перейдет в более устойчивое состояние на кривую насыщения ϕ = 100 % в точку Z2 по изоэнтальпе. При этом на каждый килограмм смеси выпадает dZ1 - dZ2 грамм влаги.
Угловой коэффициент на d-hдиаграмме
Отношение:
ε = (h2 - h1)/(d2 - d1) = Δh/Δd (11)
однозначно определяет характер процесса изменения влажного воздуха. Причем значения величин Δh и Δd могут иметь знак «+» или «-», либо они могут быть равны нулю. Величина ε называется тепловлажностным отношением процесса изменения влажного воздуха, а при изображении процесса лучом на d-hдиаграмме — угловым коэффициентом:
ε = 1000(Δh/Δd) = ±(Qизб/Мв), кДж/кг, (12)
Таким образом, угловой коэффициент равен отношению избытков тепла к массе выделившейся влаги. Угловой коэффициент изображается отрезками лучей на рамке поля d-hдиаграммы (шкала угловых коэффициентов). Так, для определения углового коэффициента процесса X-Z необходимо из точки 0 (по шкале температур) провести прямую параллельную линии процесса X-Z до шкалы угловых коэффициентов. В данном случае линия O-N укажет угловой коэффициент, равный 9000 кДж/кг.
Термодинамическая модель СКВ
Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение составляет совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепловлажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.
Для выбора способов обработки воздуха строят d-hдиаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т.д. Графическое отображение процессов обработки воздуха на d-hдиаграмме называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).
Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Xн = хн(t). Соответственно, совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Xпр = хпр(t), а в обслуживаемом помещении Xпом = хпом(t) (параметры в рабочей зоне).
Технологический процесс есть аналитическое или графическое описание процесса движения многомерной функции Xн к Xпр и далее к Xпом. Отметим, что под переменным состоянием системы х(ϕ) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени. Термодинамическую модель движения функции Xн к Xпом строят на d-hдиаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.
Построение ТДМ начинают с нанесения на d-hдиаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05-91 (параметры Б). Верхней границей является изотерма tл и изоэнтальпа hл (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма tзм и изоэнтальпа hзм (предельные параметры холодного и переходных периодов года).
Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20 до 100 %.Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис. 2). Затем наносят на d-hдиаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне.
Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р1Р2Р3Р4 (комфортное кондиционирование). Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении ε и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепло-влажностном процессе в помещении ориентировочно можно принять в кДж/кг: предприятия торговли и общественного питания — 8500-10000; зрительные залы — 8500-10000; квартиры — 15000-17000; офисные помещения — 17000-20000.
После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях ε, проведенных из граничных точек зоны Р1Р2Р3Р4, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур:
Δt = tпом - tпр, (13)
где tпр — расчетная температура приточного воздуха. Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Хн к функции Хпом. Величину Δt принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения. Например, при использовании воды в качестве хладоносителя конечная температура воды в камере орошения tw составит:
tw = t2 + Δt1 + Δt2 + Δt3, (14)
где t1 — температура воды на выходе чиллера (5-7 °C); Δt1 — повышение температуры воды в трубопроводе от чиллера до водяного теплообменника кондиционера (1 °C); Δt2 — нагрев воды в камере орошения (2-3 °С); Δt3 — нагрев воды за счет коэффициента байпассирования (1°С).Таким образом, температура воды, контактируемой с воздухом, будет tw = 9-12 °С. Практически влажность воздуха достигает величины не более ϕ = 95 %, что повышает tw до 10-13 °С. Температура приточного воздуха будет:
tw = t2 + Δt2 + Δt3 + Δt4, (15)
где Δt4 — нагрев воздуха в вентиляторе (1-2 °С); Δt5 — нагрев воздуха в приточном воздуховоде (1-2 °С).Таким образом, температура приточного воздуха будет 12-17 °С. Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха Δt для производственных помещений составляет6-9 °С, торговых залов — 4-10 °С, а при высоте помещения более 3 м — 12-14 °С.
В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов. Зоны У, П и Р на d-h диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии ε на расстояниях, соответствующих разностей температур:Δt1 = tпом - tпр и Δt2 = tуд - tпом. Соотношение между tпр, tпом и t оценивается коэффициентом:
m1 = (tпом - tпр)/(tуд - tпр) = (hпом - hпр)/(hуд - hпр), (16)
Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к допустимому множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П1П2П3П4).При проектировании, как правило, пользуются электронными d-h диаграммами, различные варианты которых можно найти в Интернете.
Одной из распространенных диаграмм является диаграмма, разработанная компанией Daichi (Москва), www.daichi.ru. С помощью этой диаграммы можно найти параметры влажного воздуха при различном барометрическом давлении, построить линии процессов, определить параметры смеси двух потоков воздуха и др.Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла, которые будут рассмотрены в последующих номерах нашего журнала.
В атмосферном воздухе всегда содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такая 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). Водяной пар во влажном воздухе может быть в насыщенном или перегретом состоянии. Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называют насыщенным влажным воздухом. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом. При невысоких (близких к атмосферному) давлениях, с достаточной для технических расчетов точностью, можно рассматривать и сухой воздух, и водяной пар как идеальные газы. При расчетах процессов с влажным воздухом обычно рассматривается 1 кг сухого воздуха. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси пара. Поэтому все удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха (а не к смеси).
Термодинамические свойства влажного воздуха характеризуются следующими параметрами состояния: температурой сухого термометра t с; влагосодержанием d, энтальпией I, относительной влажностью φ. Кроме того, в расчетах используют и другие параметры: температуру мокрого термометра t м, температуру точки росы t р, плотность воздуха ρ, абсолютную влажность е, парциальное давление водяного пара р п.
Температура − термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. В настоящее время применяют различные температурные шкалы: Цельсия (t, ºС), Кельвина (T, К), Фаренгейта (f, ºF) и др. Соотношения между показаниями по этим шкалам определяются по следующим уравнениям:
T К = t ºС +273,
t ºС = 5/9 (f ºF − 32),
f ºF = 9/5 t ºС +32.
Давление атмосферного воздуха р б (Па) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р с.в и водяного пара р п (закон Дальтона):
р б = р с.в + р п. (1)
Парциальное давление водяного пара, находящегося в атмосферном воздухе, определяют по формуле:
р п = φ·р н, (2)
где φ - относительная влажность воздуха, %;·р н – давление насыщения, определяется по таблицам насыщенного водяного пара при соответствующей температуре, Па.
Плотность атмосферного воздуха равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара:
ρ = ρ с.в + ρ п. (3)
Применяя уравнение состояния идеального газа: , получим:
(4)
где R с.в = 287 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная сухого воздуха;
R п = 463 Дж/(кг·К) − удельная газовая постоянная водяного пара.
При атмосферном давлении р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха равна:
. (5)
При t = 0 ºС и р б = 101,325 кПа плотность сухого воздуха ρ с.в = 1,293 кг/м 3 .
Плотность атмосферного воздуха равна:
. (6)
Из уравнения (6) видно, что атмосферный (влажный) воздух легче сухого воздуха при тех же температурах и давлениях, а увеличение содержания водяного пара в воздухе уменьшает его плотность. Так как различие в значениях ρ с.в и ρ незначительно, то в практических расчетах принимают ρ ≈ ρ с.в.
Влажность. Различают абсолютную влажность,влагосодержание и относительную влажность.
Абсолютная влажность е − это масса водяного пара (кг), содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха. Абсолютная влажность может быть выражена в виде плотности пара в смеси при своем парциальном давлении и температуре смеси и определяется по формуле:
. (7)
Максимально возможная абсолютная влажность соответствует состоянию насыщения и называется влагоемкостью.
Используя уравнение состояния идеального газа, получим:
Относительная влажность воздуха φ равна отношению абсолютной влажности воздуха ρ п к максимально возможной абсолютной влажности ρ н (влагоемкости) при данной температуре. Она показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения. Для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений компонентов.
Относительная влажность определяется по формуле:
. (10)
При φ < 100% воздух ненасыщенный, при φ = 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным.
Степень насыщения воздуха Ψ есть отношение влагосодержаний ненасыщенного и насыщенного воздуха и определяется по формуле:
. (11)
Теплоемкость влажного воздуха обычно относится к (1 + d) кг влажного воздуха и определяется по формуле:
с в = с с.в + d·с п, (12)
где с с.в и с п − удельная теплоемкость при постоянном давлении соответственно сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг·К).
Для интервала температур от минус 50 °С до 50 °С удельные теплоемкости сухого воздуха и пара можно считать постоянными: с с.в = 1,006 кДж/(кг·К), с п = 1,86 кДж/(кг·К).
Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, и определяется по формуле:
I = i с.в + d·i п (13)
где i с.в − удельная энтальпия сухого воздуха, кДж/кг; i п − удельная энтальпия водяного пара, содержащегося во влажном воздухе кДж/кг.
Энтальпии сухого воздуха и водяного пара определяются по формулам:
i с.в = с с.в ·t = 1,006·t, (14)
i п = r + с п ·t . (15)
где r − скрытая теплота парообразования при парциальном давлении водяного пара в смеси, кДж/кг.
Скрытая теплота парообразования r для значений t Н от 0 °С до 100 °С может быть выражена формулой:
r = 2500 − 2,3 t н.
При расчете энтальпии смесей всегда очень важно иметь одно и то же начало отсчета энтальпий каждого компонента. За начало отсчета примем энтальпию при t = 0 ºС и d = 0. Для атмосферного воздуха энтальпия определяет количество теплоты, которое нужно подвести к воздуху, сухая часть которого имеет массу 1 кг, чтобы изменить его состояние от начального (I = 0 кДж/кг) до данного. Энтальпия может быть положительной и отрицательной.
Подстановка полученных соотношений в формулу (13) приводит ее к виду:
Температура точки росы t р − это температура воздуха, до которой необходимо охладить ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация водяного пара.
Температура мокрого термометра . Для измерения влажности часто применяют прибор, называемый психрометром. Он состоит из двух термометров − сухого и мокрого. Мокрый термометр отличается тем, что чувствительный элемент обернут тканью, смоченной водой. Сухой термометр показывает температуру влажного воздуха, его показания называют температурой сухого термометра t с. Мокрый термометр показывает температуру воды, содержащейся в мокрой ткани. При обдувании мокрого термометра воздухом происходит испарение воды с поверхности мокрой ткани. Поскольку на испарение влаги затрачивается теплота парообразования, температура влажной ткани будет понижаться, поэтому такой термометр всегда показывает более низкую температуру, чем сухой термометр. При наличии разности температур между воздухом и водой возникает тепловой поток от воздуха к воде. Когда теплота, получаемая водой от воздуха, становится равной теплоте, затрачиваемой на испарение, увеличение температуры воды прекращается. Эту равновесную температуру называют температурой мокрого термометра t м. Если в некоторый объем воздуха поступает вода при температуре t м, то за счет испарения части этой воды через некоторое время воздух становится насыщенным. Такой процесс насыщения называется адиабатным. При этих условиях вся теплота, подводимая от воздуха к воде, расходуется только на испарение, а затем вновь возвращается с паром обратно в воздух.
I-d диаграмма влажного воздуха
Диаграмма влажного воздуха дает графическое представление о связи параметров влажного воздуха и является основной для определения параметров состояния воздуха и расчета процессов тепловлажностной обработки.
В I-d диаграмме (рис. 2) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d г/кг сухого воздуха, а по оси ординат − энтальпия I влажного воздуха. На диаграмме нанесены вертикальные прямые постоянного влагосодержания (d = const). За начало отсчета принята точка О, в которой t = 0 °С, d = 0 г/кг и, следовательно, I = 0 кДж/кг. При построении диаграммы использована косоугольная система координат для увеличения области ненасыщенного воздуха. Угол между направлением осей 135° или 150°. Для удобства пользования под углом 90º к оси энтальпий проводят условную ось влагосодержаний. Диаграмма строится для постоянного барометрического давления. Пользуются I-d диаграммами, построенными для атмосферного давления р б = 99,3 кПа (745 мм.рт.ст) и атмосферного давления р б = 101,3 кПа (760 мм.рт.ст).
На диаграмму нанесены изотермы (t с = const) и кривые относительной влажности (φ = const). Уравнение (16) показывает, что изотермы в I-d диаграмме − прямые линии. Все поле диаграммы линией φ = 100% разделено на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного воздуха. На линии φ = 100% находятся параметры насыщенного воздуха. Ниже этой линии располагаются параметры состояния насыщенного воздуха, содержащего взвешенную капельную влагу (туман).
Для удобства работы в нижней части диаграммы строится зависимость, наносят линию парциального давления водяного пара р п от влагосодержания d. Шкала давлений располагается с правой стороны диаграммы. Каждая точка на I-d диаграмме соответствует определенному состоянию влажного воздуха.
Определение параметров влажного воздуха по I-d диаграмме. Метод определения параметров показан на рис. 2. Положение точки А определяется двумя параметрами, например, температурой t А и относительной влажностью φ А. Графически определяем: температуру сухого термометра t с, влагосодержание d А, энтальпию I А. Температура точки росы t р определяется как температура точки пересечения линии d А = const с линией φ = 100 % (точка Р). Параметры воздуха в состоянии полного насыщения влагой определяются на пересечении изотермы t А с линией φ = 100 % (точка Н).
Процесс увлажнения воздуха без подвода и отвода теплоты будет проходить при постоянной энтальпии I А = const (процесс А-М). На пересечения линии I А = const с линией φ = 100 % (точка М) находим температуру мокрого термометра t м (линия постоянной энтальпии практически совпадает с изотермой
t м = const). В ненасыщенном влажном воздухе температура мокрого термометра меньше температуры сухого термометра.
Парциальное давление водяного пара p П находим, проведя из точки А линию d А = const до пересечения с линией парциального давления.
Разность температур t с – t м = Δt пс называется психрометрической, а разность температур t с – t р гигрометрической.
