Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения. Между данными процессами существует принципиальное различие.Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара.Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называетсяконденсациейПар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщенным паром.

Различают следующие состояния водяного пара:

• влажный пар;

• сухой насыщенный пар;

• перегретый пар.

Влажный пар – насыщенный пар, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц. Сухой насыщенный пар – пар, не содержащий одноименной жидкости и имеющий температуру кипения t_H при данном давлении P_П.Индекс “н” при температуре обозначает насыщение (или кипение). Перегретый пар – пар, температура которого превышает температуру кипения (t_П>t_Н) при данном давлении Р.

Рассмотрим характер и расположение изобар (процесс при постоянном давлении P=const) воды и водяного пара в Ts-диаграмме. Энтропия S является термодинамическим параметром состояния вещества.

Полагая, что изобары при любом давлении начинаются от температуры тройной точки А (рис. 1а), равной Т=273,15 К, энтропию S для всех давления можно приближенно принять равной нулю. В Ts-диаграмме (рис. 1а) изобара нагрева воды, парообразования и перегрева пара соответствует кривой АА₁В₁Д₁. Выделим характерные участки. На участке АА₁ происходит нагрев воды при постоянном давлении. В точке А₁ вода кипит, имея температуру насыщения (кипения) Т при данном давлении. В области влажного пара (участок А₁В₁) температура постоянна и равна температуре насыщения, изобара расположена параллельно оси энтропии S. В точке В₁ – сухой насыщенный пар при данном давлении. На участке В₁Д₁ – перегретый пар. Температура перегретого пара Т больше температуры насыщения Т при данном давлении.

Представим целую систему изобар (Р₂>Р₁; Р₃>Р₂) в диаграмме (рис. 1б). Соединим точки А₁; А₁’; А₁’’ кипения воды при соответствующих давлениях Р₁, Р₂, Р₃ и получим левую пограничную кривую АК. Соединив точки В₁, В₁’, В₁’’ сухого насыщенного пара при давлении Р₁, Р₂, Р₃ – правую пограничную кривую КВ. Параметры критической точки К для воды – давление Ркр=22,1 Мпа, температура Ткр=647,3 К. в критической точке отсутствует граница раздела – мениск между жидкой и газообразной фазой.

Пограничные кривые АК и КВ делят диаграмму на три части:

• влево от АК располагается область жидкости I;

• под пограничной кривой АКВ – область водяного пара II;

• вверх от точки К и вправо от КВ – область перегретого пара III.

В области жидкости изобары достаточно близко расположены друг к другу и практически сливаются с левой пограничной кривой АК.

Атмосферный воздух (влажный воздух) с учетом рассмотренных состояний водяного пара может быть:

• пересыщенный влажный воздух;

• насыщенный влажный воздух;

• ненасыщенный влажный воздух.

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман. Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара. Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов (1-6).

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона (1,4,5):

Р=Рв+Рп, (1)

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (2)

сухой воздух P_BV=M_BR_BT; (3)

водяной пар Р_ПV=M_ПR_ПТ, (4)

где V – объем влажного воздуха, м³; М, М_В, М_П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R_В, R_П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг К); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м³ влажного воздуха. Она обозначается через  _П и измеряется в кг/м³ или г/м³. Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе:  _П=Р_П/(R_ПТ). Очевидно, что  _П=М_П/V, где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха  называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха ( Н) при той же температуре: , (5)

для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений водяного пара , (6)

где Р_Н – давление насыщенного водяного пара при данной температуре влажного воздуха, определяется по таблице Приложения II.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине  :  <100 %, при этом Р_П<Р_Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;  =100 %, при этом Р_П=Р_Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный.  Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t_Н.