Лабораторная работа. исследование процессов во влажном воздухе

Лабораторная работа. Исследование процессов во влажном воздухе

Цель работы: Знакомство с основными характеристиками влажного воздуха, процесса сушки. Приобретение навыков в работе с I - d - диаграммой влажного воздуха

Теоретические сведения

Влажный воздух – это смесь сухого воздуха с водяным паром, такую смесь можно рассматривать как смесь идеальных газов, так как воздух находится при температуре, намного выше критической, а парциальные давления паров воды незначительны. Поэтому при термодинамических расчетах влажного воздух пользуются уравнением состояния идеального газа:

,

(1)

где - давление, Па;

        - объем, м3;

       - масса, кг;

        - газовая постоянная, Дж/(кг?К);

        - абсолютная температура, К,

и законом Дальтона:

,

(2)

где – давление влажного воздуха;

– парциальное давление сухого воздуха;

– парциальное давление водяного пара.

       Влажный воздух называется насыщенным, а пар сухим насыщенным, если при данных давлении и температуре воздух больше не поглощает влагу.

       Если в воздухе содержится перегретый пар, то влажный воздух называется ненасыщенным.

       По мере снижения температуры ненасыщенного влажного воздуха состояние перегретого пара приближается к состоянию насыщения. Тогда температура, до которой должен охлаждаться ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал насыщенным, называется точкой росы.

Абсолютная влажность воздуха – это отношение массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к объему влажного воздуха. Следовательно, этот параметр совпадает с плотностью , кг/м3:

,

(3)

где - масса водяного пара, кг;

- объем влажного воздуха, м3.

Относительная влажность – это отношение абсолютной влажности воздуха , кг/м3, к максимально возможной влажности , кг/м3, при данном давлении и температуре:

.

(4)

Относительная влажность часто выражается в % :

.

(5)

Используя уравнение состояния:

,

(6)

получим:

,

(7)

где - парциальное давление пара, Па;

- газовая постоянная пара, Дж/(кг?К);

- температура пара, К,

и уравнение

,

(8)

где - парциальное давление насыщенного пара, Па.

Тогда:

.

(9)

       Влагосодержание , кг/кг – это отношение массы водяного пара , кг, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха , кг:

.

(10)

Чаще влагосодержание выражают в г/кг, т. к. масса пара обычно гораздо меньше массы воздуха:

.

(10 а)

       Учитывая уравнения 1, 6, 7 для влагосодержания , кг/кг, можно записать:

,

(11)

где - атмосферное (барометрическое) давление влажного воздуха, Па, .

Следовательно для влагосодержания , г/кг:

.

(11 а)

       Для определения влажности воздуха используют психрометрический, точки росы, гигрометрический методы измерения. Наиболее распространенным является психрометрический метод, который основан на зависимости между парциальным давлением пара во влажном воздухе и показателями «сухого» и «мокрого» термометров.

       Температура сухого термометра – это температура водяного пара и воздуха (эту температуру показывает обычный сухой термометр, находящийся во влажном воздухе).

Температура мокрого термометра – равновесная температура, которую показывает термометр, обёрнутый влажной тканью и омываемый со всех сторон влажным воздухом.

       Принцип действия прибора психрометр заключается в том, что мокрый термометр, находясь в насыщенном воздухе, показывает температуру более низкую, чем сухой термометр. Это происходит потому, что при соприкосновении ненасыщенного воздуха с поверхностью тонкой плёнки происходит перенос теплоты влаги к этой поверхности плёнки.

       Если температура ненасыщенного воздуха будет выше температуры воды, а температура воды – выше температуры точки росы, то перенос теплоты будет происходить от воздуха к поверхности воды, а перенос влаги – от поверхности воды в воздух, т. к. парциальное давление водяных паров на поверхности воды будет больше, чем в окружающем воздухе. В результате теплообмена температура воздуха будет понижаться до температуры насыщения, а испарившаяся влага за счет теплоты воздуха, будет увлажнять этот воздух, повышая парциальное давление его водяных паров до . При этом энтальпия воздуха почти не изменяется, так как отданная воде теплота, возвращается обратно в воздух в скрытом виде вместе с испаренной влагой. Такие процессы испарения называют адиабатическими.

       Для расчета процессов во влажном воздухе используют - диаграмму.

На этой диаграмме по оси ординат отложены энтальпии влажного воздуха , а по оси абсцисс, которая проведена под углом 135о к оси ординат, значения влагосодержания . На – диаграмме линии постоянных значений влагосодержания являются вертикалями к оси абсцисс, а линии расположены под углом 135о к оси ординат. На этой диаграмме нанесены изотермы влажного воздуха и линии постоянной относительной влажности воздуха . На - диаграмме нанесены пунктиром изотермы «мокрого» термометра , которые идут более полого, чем линии . На граничной кривой изотермы «сухого» и «мокрого» термометров совпадают. В нижней части диаграммы построена линия парциального давления пара с осью ординат, расположенной на диаграмме справа (рисунок 1).

Рисунок 1 - - диаграмма влажного воздуха

               

Рисунок 2 - Экспериментальная установка

       Воздух, который является сушильным агентом, подается в установку (рисунок 2) нагнетателем 1 из помещения лаборатории. Он последовательно проходит калорифер 2 и сушильную камеру ­3 , а затем через патрубок 4 удаляется в атмосферу.

Калорифер 2 состоит из металлического корпуса 9, в котором соосно размещена труба 7 меньшего диаметра, внутри которой помещен электрический нагреватель 6.

       Воздух сначала проходит по кольцевому зазору между кожухом 2 и трубой 8, а затем поднимается вверх, обтекая нагреватель. Нагретый воздух через соединительный патрубок  поступает в сушильную камеру 3.

       Сушильная камера состоит из корпуса 5, внутри которого находится каркас, покрытый увлажненной хлопчатобумажной тканью, подвергаемой сушке. Расход воздуха определяется счетчиком 1.

       Влажность воздуха на входе в установку определяют с помощью психрометра.

       Температуры на выходе и входе сушильной камеры (температура «сухого» и «мокрого» термометров) измеряется термопарами.

Проведение опыта

- Увлажнить ткань.

- Включить вентилятор

- Включить нагреватель калорифера.

- Записать в таблицу 1 значения всех параметров (через 3 минуты).

Таблица 1 – Экспериментальные данные

Время	Мощность нагревателя	Параметры воздуха на ходе в установку	Объёмный расход воздуха	Барометрическое давление	Параметры воздуха за калорифером	Параметры воздуха после сушильной камеры
, с	, Вт	, oC	oC	, м3/с	, кПа	, oC	, oC	, oC

Опыт заканчивают, когда показания термометров перестают изменятся во времени.

После окончания замеров выключают нагреватель, затем через 5 минут вентилятор.

Обработка результатов измерения

       По результатам измерений на – диаграмму нанести процессы, которые протекают в сушильной установке. Для этого на диаграмме определяют три точки, соответствующие состояниям влажного воздуха до нагрева (точка 0), после нагрева (точка 1), после сушки (точка 2).

Точка 0 определяется по показаниям «сухого» и «мокрого» термометров, переносного психрометра и характеризует состояние воздуха, поступающего в установку из помещения лаборатории.

       Точка 1 определяет состояние воздуха после подогрева его в калорифере. Подогрев воздуха в калорифере происходит при постоянном влагосодержании, потому положение точки 1 определяется пересечением вертикали c изотермой .

       Точка 2 определяет состояние воздуха после сушильной камеры. Положение точки 2 определяется по показаниям «сухой» и «мокрой» термопар на выходе из установки.

       Следовательно, процесс сушки на – диаграмме изображается следующими отрезками: 0-1 - подогрев воздуха, 1-2 – сушка.

       После построения процессов, происходящих в сушильной установке, по диаграмме для характерных точек определяют значения относительной влажности , влагосодержания , энтальпии , парциального давления пара , точки росы и вносят в таблицу 2.

       Таблица 2 – Значения , , , , в характерных точках

Характерные точки	, %	, г/кг	, кДж/кг	, кПа	, оС
0
1
2

       

       1. Массовый расход сухого воздуха , кг/с, проходящего через установку, определяют по формуле:

,

(12)

где - парциальное давление сухого воздуха на входе в установку, Па;

- объемный расход воздуха, определяемый показаниями счетчика, м3/с;

- газовая постоянная сухого воздуха, = 287 Дж/(кг?К);

- абсолютная температура воздуха на входе в установку, К.

Парциальное давление сухого воздуха определяют:

,

(13)

где - барометрическое давление, Па;

- парциальное давление пара в окружающем воздухе, определяемое по - диаграмме, Па.

2. Количество испаренной влаги , кг/с, определяют по формуле:

,

(14)

где , -  влагосодержания в точках 1, 2, определяемые по диаграмме, г/кг.

3. Количество теплоты , кВт, подведенное к воздуху в калорифере, определяют:

,

(15)

где , - энтальпии в точках 0, 1, определяемые по - диаграмме, кДж/кг.

4. Общий расход теплоты , кВт, определяют:

.

(16)

       5. Потери теплоты, в единицу времени в калорифере , кВт определяют:

.

(17)

       6. Тепловые потери в сушильной камере определяют:

.

(18)

       7. Количество теплоты , кДж/кг, затраченное на испарение 1 кг влаги:

.

(19)

Отчет по работе

1 Название работы.

2 Цель работы.

3 Схема и краткое описание экспериментальной установки.

4 Расчет определяемых величин.

5 Построение на – диаграмме процессов, происходящих в экспериментальной установке.

Контрольные вопросы

1 Что называется влажным воздухом?

2 Какие основные параметры определяют состояние влажного воздуха?

3 Что называется абсолютной и относительной влажностью воздуха?

4 Что называется влагосодержанием?

5 Как измеряется расход влажного воздуха, поступившего в сушильную камеру?

6 Объяснить значение линий на - диаграмме.

Техника безопасности

1 Получить допуск к выполнению работы,

2 Перед включением электронагревателей проверить герметичность установки, наличие приборов, их целостность.

3 Перед включением установки показать ее преподавателю.

4 Во время работы установки не касаться токоведущих частей.

5 Запрещается монтаж установки, находящейся под напряжением.

6 О всех замеченных недостатках сообщить преподавателю.