Тепловлажностные характеристики воздуха. Плотность, теплоёмкость, энтальпия, влажность, парциальное давление и влагосодержание воздуха. Химический состав.
Таким образом, воздух — это основная рабочая среда процесса вентиляции.
Свойства воздуха определяются его тепловлажностным состоянием, газовым составом и содержанием вредных газов, паров и пыли.
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. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит 78% по объему азота, около 21% кислорода, около 0,03% углекислоты, незначительное количество инертных газов (аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и др.
В вентиляционном процессе постоянно совершается переход влажного воздуха из одного состояния в другое. Воздух, подаваемый в помещение приточной системой вентиляции, предварительно обрабатывается в специальных установках. Ему придаются определенные «кондиции» (параметры) путем нагрева или охлаждения, осушки или увлажнения, а также смешения воздушных масс различного состояния. Приточный воздух имеет параметры, отличные от параметров воздуха помещения, и благодаря этому обладает способностью, вытесняя воздух помещения и перемешиваясь с ним, ассимилировать избыточные тепло и влагу или подогревать и увлажнять воздух помещения.
Основные параметры:
абсолютная и относительная влажность,
влагосодержание,
энтальпия (теплосодержание),
плотность,
парциальное давление пара в воздухе,
температура.
Плотность влажного воздуха ro (кг/куб.м.) представляет собой отношение массы влажного воздуха к объему этой смеси.
Удельная теплоемкость влажного воздуха с, кДж/(кг*град. Цельсия) - это количество теплоты, требуемой для нагрева 1 кг смеси сухого воздуха и водяных паров на 1 градус, и отнесенное к 1 кг сухой части воздуха.
Энтальпия (теплосодержание) - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением дает теплоту, полученную системой.
Влажность воздуха (содержание в воздухе водяного пара) характеризуется двумя величинами - абсолютной и относительной влажностью.
Абсолютная влажность воздуха - количество водяного пара в граммах, содержащееся в 1 куб.м. воздуха.
Относительная влажность воздуха j, выраженная в процентах, - отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к парциальному давлению насыщенного водяного пара.
Парциа́льное давление — давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов
Влагосодержание влажного воздуха d (г/кг) - это отношение массы водяного пара Мп к массе сухой части воздуха Мв.
Химический состав воздуха. Основными составными частями атмосферного воздуха являются кислород (около 21%), азот (78%), углекислый газ (0,03—0,04%), водяные пары, инертные газы, озон, перекись водорода (около 1%).
Jd-диаграмма влажного воздуха. Построение на Jd-диаграмме характерных процессов изменения параметров воздуха: режимы нагрева, охлаждения, увлажнения и осушения воздуха.
I—d-диаграмма влажного воздуха — диаграмма, широко используемая в расчетах систем вентиляции, кондиционирования, осушки и других процессов, связанных с изменением состояния влажного воздуха.
I—d-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров.
Диаграмма построена в косоугольной системе координат, что позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха и делает диаграмму удобной для графических построений. По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сухой части воздуха.
Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой — чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы. Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const. В нижней части I—d-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание d, г/кг, с упругостью водяного пара pп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара pп.
Процессы перехода воздуха из одного состояния в другое на поле I-d — диаграммы изображаются прямыми линиями (лучами), проходящими через точки, соответствующие начальному и конечному состоянию влажного воздуха.
В зависимости от соотношения ∆I и ∆d угловой коэффициент ε [смотрите формулу (II.33)] может изменять свою величину и знак от 0 до ±∞. На рис. II.10 показаны лучи процессов, соответствующие возможным изменениям ε. Рассмотрим характерные случаи изменения состояния влажного воздуха с использованием углового коэффициента луча процесса на I-d-диаграмме
Простейшим является процесс нагрева, при котором воздух получает явное тепло в результате конвективного теплообмена с сухой нагретой поверхностью. В этом процессе влагосодержание воздуха остается неизменным, поэтому в I-d-диаграмме процесс нагрева прослеживается снизу вверх по линии d = const.
Рис. II.11: I-d-диаграмма с режимами нагрева и охлаждения воздуха
В процессе охлаждения воздух отдает только явное тепло в результате конвективного теплообмена с холодной сухой поверхностью. В I-d-диаграмме этот процесс соответствует направлению сверху вниз по линиям d = const; например, при охлаждении воздуха состояния 1 до состояния 3 (см. рис. II.11) 1 кг сухой части воздуха будет отдано ∆I2 кДж теплоты.
Для определения параметров влажного воздуха по диаграмме необходимо рассчитать t воздуха в помещении, удельные избытки тепла, определение t воздуха, удаляемого из помещения, определение приточного воздуха, определение расхода воздуха, необходимого для нейтрализации воздухо и теплообмена.
В практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха принято считать, что при увлажнении воздуха без подвода или отвода тепла изменение состояния воздуха происходит по линии I=const. как это показано на рис.II.1. линия IА=const.
При определении параметров влажного воздуха на диаграмме необходимо определить точки, отражающие состояние воздуха (его t, влажность), а также линию процесса изменения состояния воздуха (t, влажность) при наличии вентиляционных систем. По данной диаграмме можно рассчитать не только системы вентиляции и кондиционирования, но и системы обогрева, т.е. системы, восполняющие недостаток тепла до комфортного.
Допустим, что воздух, имеющий начальные параметры, обозначенные точкой А на рис.II.1, охлаждается без изменения его влагосодержания. Процесс будет направлен вниз по линии dА=const. Если при таком охлаждении относительная влажность воздуха достигнет 100%, то дальнейшее охлаждение воздуха будет сопровождаться конденсацией влаги и образованием тумана.
Точка пересечения линии dА=const с кривой насыщения φ = 100 %, называется точкой росы для воздуха, имеющего параметры А (и всех состояний воздуха при влагосодержании dА), а температура tp – температурой точки росы.
Температура точки росы tp или просто точка росы – это такая температура, до которой надо охладить влажный (ненасыщенный) воздух, чтобы он стал насыщенным (φ = 100 %) при сохранении постоянного влагосодержания. Это низший предел охлаждения температуры воздуха при постоянном влагосодержании.
Использование Id-диаграммы позволяет рассчитать системы вентиляции, кондиционирования и обогрева для создания комфортных условий персонала в рабочей зоне.
При построении процессов изменения состояния в-ха удобно пользоваться угловым коэффициентом луча процесса .
Характерные процессы: 1) нагрев в-ха = (I2- I1)/(d2- d1)= +(по оси ординат вверх от о); 2) нагрев и увлажнение 0; 3) адиабатическое увлажнение (I=const) =0(по оси оd1); 4) охлаждение в-ха = - (вниз по оси ординат от о); 5) Охлаждение и осушение в-ха 0. При нахождении состояния в-ха после смешивания соединяют начальное и конечное состояние и на этой линии находят точку смеси геометрически при помощи пропорций.
