§ 14. Процесс смешения воздуха

Рис. II 1.9. Изображение в I — d-диа­грамме процесса смешения двух масс воздуха разного состояния.

Наружный воздух, подаваемый в помещение, в ряде случаев пред­варительно смешивают с внутренним воздухом (происходит рециркуля­ция внутреннего воздуха). Возможны и другие случаи, связанные с перемешиванием масс воздуха разного состояния. Процесс смешения воз-

Рис. III. 10. Изображение в I—d-диа­грамме процесса смерения воздуха при расположении точки смеси ниже линии _ф= 100%

духа в /—^-диаграмме изображается прямой, соединяющей точки, соот­ветствующие состоянию смешиваемых масс воздуха. Точка смеси всегда располагается на этой прямой и делит ее на отрезки, длины которых об­ратно пропорциональны смешиваемым количествам воздуха. Если сме­шать воздух состояния / (рис. III.9) в количестве G с воздухом состоя­ния 2 в количестве nG, то точка смеси 3 разделит отрезок 1—2 или его проекции Д/1-2 и Д^1_2 на части 1—3, 3—2 или Д/1-3, Д/3-2 и Дс/1-3, Дс/₃—2 (см. рисунок), отношение длин которых равно:

3—2 Д/3 ₂ Ad₃_₂ nG п

Таким образом, чтобы найти точку смеси, нужно отрезок /—2 или его проекции разделить на л-j-l часть и отложить от точки 1 одну часть, оставив п частей до точки 2. Такое построение определит положение точки смеси 3.

Возможен случай, когда точка смеси окажется в области ниже ли­нии ср = 100% • Это значит, что при смешении будет образовываться ту­ман (конденсация в мелкие капли водяных паров, содержащихся в воз­духе). Если принять, что температура выпадающей влаги близка к тем­пературе мокрого термометра, которой соответствует (/з- =const) точ­ка смеси 3' (рис. III.10), то действительные параметры точки смеси 3 бу­дут соответствовать пересечению линий /3'=const и <p=100%. Количе­ство выпавшей из 1 кг воздуха влаги будет равно:

Ad = d_z,~d_r (III.37)

§ 15. Изображение процесса тепло-

И ВЛАГООБМЕНА ВОЗДУХА С ВОДОЙ

В /—d-ДИАГРАММЕ

В целях увлажнения или осушки, а часто в целях охлаждения или нагрева воздуха его вводят в контакт с водой. Для этого его пропускают через камеру орошения, в которой разбрызгивается вода, или продува­ют через пористые слои либо оребренные поверхности, которые ороша­ются водой.

Обычно предполагают, что тонкий слой воздуха на поверхности во­ды полностью насыщен водяными парами, а его температура равна тем­пературе воды. Состояние воздуха в этом слое можно определить по температуре воды, считая его относительную влажность ф=100%. При таком предположении процесс тепло- и влагообмена воздуха с водой рассматривают как процесс смешения основного потока воздуха с тон­ким слоем насыщенного воздуха, контактирующим с водой. В процессе теплообмена температура воды несколько изменяется, поэтому для рас­чета берут некоторую промежуточную ее температуру. Параметры сме­си на прямой, соединяющей точку, соответствующую состоянию воздуха, с точкой, определенной температурой воды на линии ср=100%, зависят от площади поверхности контакта, его продолжительности, а также от параметров воздуха и воды.

В расчетах учитывают так называемый коэффициент орошения р, равный количеству разбрызгиваемой воды, кг, приходящемуся на 1 кг воздуха, а также направление луча процесса и конструктивные особен­ности камеры. Обычно принимают, что точка смеси, определяющая па­раметры воздуха после орошения, устойчиво может находиться на линии <р=90 ...95%, и из этого условия рассчитывают режим орошения.

Воздух, обмениваясь с водой теплом и влагой, претерпевает различ­ные изменения. Можно рассмотреть несколько характерных случаев из­менения состояния воздуха при контакте его с водой, имеющей разную, но неизменную во времени температуру.

Пусть начальному состоянию воздуха в / — d-диаграмме, представ­ленной на рис. III.11, соответствует точка А. При температуре воды ^вод>^а (точка /) будет происходить увлажнение и нагрев воздуха. Испарение воды осуществляется целиком за счет ее собственной энталь­пии. При /вод=^а (точка 2) воздух увлажняется, не изменяя своей тем­пературы. На испарение расходуется тепло воды При t_yiA<.t_BOa<ZtA (точка 3) происходит увлажнение и некоторое охлаждение воздуха. Теп­ло на испарение поступает от воздуха и частично от воды. Если вода имеет температуру мокрого термометра /_Вод=^ма (точка 4), происходит адиабатическое увлажнение воздуха. Тепло для испарения отнимается только от воздуха, но к нему же возвращается в виде энтальпии водяно­

го пара. При tp_A<t_BQJn<.t_MA (точка 5) воздух несколько увлажняется и заметно охлаждается. Тепло воздуха идет на испарение воды. При ima—tpA (точка 6) происходит охлаждение воздуха при неизменном влагосодержании (сухое охлаждение). При /_Вод<*_ра (точка 7) воздух интенсивно охлаждается и осушается. Вода охлаждает воздух и отби­рает тепло, выделившееся при конденсации водяных паров на ее по­верхности.

Фактически процесс изменения состояния воздуха по мере его про­хождения через дождевое пространство камеры орошения идет в /—d-диаграмме не по прямой, а по сложной линии. Если развитие этого процесса во времени разбить на конечные отрезки, то можно проследить его вероятный характер.

Рис. III.11. Изображение в I — cf-диа- Рис. III.12. Изменение во времени со-

грамме характерных процессов тепло- и стояния воздуха (/) при его контакте

влагообмена воздуха с водой, имеющей с водой, имеющей начальную температу-

разную температуру ру XiC^pi (при параллельном токе)

Рассмотрим случай, когда потоки воздуха и воды движутся парал­

лельно (случай параллельного тока) и начальная температура воды ни­же температуры точки росы воздуха, поступающего в камеру орошения (рис. III. 12).

В первый расчетный интервал времени небольшая часть орошаемо­го воздуха (точка /) войдет в контакт с поверхностью капель и приоб­ретет начальную температуру водыт! иф= 100%. Эта часть воздуха сме­шается с остальной его массой, причем точка их смеси 2 будет находить­ся на прямой линии, соединяющей точку, соответствующую начальному состоянию воздуха 1, и точку на линии ф=100%, соответствующую на­чальной температуре воды т\. В начале второго расчетного интервала в результате теплообмена с воздухом температура воды повысится до тг, а воздух изменит свои параметры до точки смеси 2. За второй интервал времени часть воздуха приобретет параметры Т2 и ф=100%, и вновь образуется смесь воздуха, состояние которой определится точкой 3; во­да повысит свою температуру до тз и т. д.

В начале процесса обмен явным и скрытым теплом между водой и воздухом будет протекать интенсивно за счет большого перепада тем­ператур. После того как температура воды превысит температуру точки росы осушаемого воздуха, интенсивность теплообмена резко уменьшит­ся: прекратится отдача скрытого тепла конденсации и по мере возраста­ния температуры воды начнутся ее испарение, увлажнение воздуха и пе­редача ему скрытого тепла парообразования. Воздух будет отдавать 3—425

явное тепло воде, но частично тепло будет возвращаться ему в виде эн­тальпии водяного пара. Изменение температуры воды и энтальпии воз­духа в результате замедлится, но температура воды будет продолжать повышаться. Энтальпия слоя воздуха на поверхности воды и энтальпия очередной смеси движущегося воздуха будут приближаться друг к дру­гу. В конце концов вода приобретет температуру мокрого термометра текущей смеси воздуха, энтальпия которой будет равна энтальпии воз­духа на контакте с водой. Начиная с этого момента процесс увлажнения воздуха становится адиабатическим: воздух будет продолжать пони­жать свою температуру (точка 5), не изменяя энтальпии, температура воды будет оставаться неизменной и равной температуре мокрого тер­мометра. На рис. III. 12 точками 4, 5 и 6 показана последняя стадия из­менения состояния воздуха.

Рис II 1.13. Изменение во времени со­стояния воздуха (/) при его контакте с водой, имеющей начальную температуру (при параллельном токе)

Рис III.14 Изменение во времени состо­яния воздуха (/) при его контакте с во­дой, имеющей начальную температуру TiXmi (при параллельном токе)

Подобные рассуждения остаются справедливыми и для условий, когда начальная температура воды выше температуры точки росы и ни­же температуры мокрого термометра воздуха. Ход этого процесса изме­нения состояния воздуха показан на рис. III. 13.

Несколько иначе развивается процесс при температуре воды выше температуры мокрого термометра воздуха, поступающего в камеру. Раз­ница состоит в том, что температура воды будет понижаться, стремясь достигнуть температуры мокрого термометра смеси воздуха некоторого текущего состояния. Развитие этого процесса показано на рис. III.14.

В случае противотока воздуха и воды воздух начального состояния входит в контакт с водой конечного состояния, поэтому построение про­цесса начинают с нахождения этой точки смеси. В остальном рассужде­ния и построения остаются такими же, как и рассмотренные для случая параллельного тока. На рис. III. 15 приведено построение процесса для случая противотока, когда начальная температура воды ниже темпера­туры точки росы воздуха, поступающего в камеру.

В практических расчетах задачу упрощают и считают, что изменение состояния воздуха, как уже было сказано, определяется прямой линией, соединяющей точку, соответствующую начальному состоянию воздуха, и некоторую промежуточную условную точку, соответствующую состоянию воды.

В расчете обычно нужно знать параметры воздуха после его кон­такта с водой и температуру воды, которая обеспечит заданное направ­ление луча процесса. Конечные параметры воздуха определяет точка пе­ресечения луча процесса (е) изменения состояния воздуха, характери­зуемого начальными параметрами I и d, с линией ф —90 ...95%. Температура воды (промежуточная, условная) определится точкой пе­ресечения этого луча с линией ф=100%. Точку пересечения легко опре­делить графическим построением в / — ^-диаграмме, как это показано на рис. III. 16. Соответствующие ей параметры могут быть также рассчи­

Рис. III 15 Изменение во времени со­стояния воздуха (/) при его контакте с водой, имеющей начальную температуру ti</_Pi (при противотоке)

таны аналитически по приближенным

формулам.

Рис. II 1.16. Определение условной тем­пературы воды /вод в процессе измене­ния тепловлажностного состояния воз­духа от точки 1 до точки 2 при контак­те его с водой

Приближенные формулы для аналитического расчета определяют­ся совместным решением следующей системы уравнений:

W

v=-*^{8=e; (а)}

I^^C + Ddy. (б)

В данной системе (а) есть уравнение луча процесса, а (б) —уравнение отрезка прямой, аппроксимирующей соответствующую линию постоян­ной относительной влажности в определенном диапазоне температур. Подставляя значение d_ф из уравнения (б) в уравнение (а), получаем формулу для определения энтальпии в точке пересечения:

'dt±.

’-т

По найденному значению /_ф определяем из формулы (б) влагосо­держание в точке пересечения:

(111.39)

Для определения температуры / , соответствующей точке пересече­ния луча процесса и линии ф==сопз1, запишем уравнение отрезков пря­мых, аппроксимирующих участки линии ф=const в координатах / и t:36 Глава IV. Уравнение баланса воздуха. Уравнения балансов вредных выделений

/_ф = Л + В/_ф,откуда

(III. 40)

t„

1»-А

В

Числовые.значения коэффициентов, входящих в формулы (III.38) — (111.40), приведены в табл. III. 1.

Таблица III.1

Значения коэффициентов А, В, С, D ф. %	А	в	С	D
		При (ф от 0 до 10° С
100	9,42(2,25)	1,97(0 47)	—9,46(—2,26)	5,11(1,22)
95	9,25(2,21)	1,97(0,47)	—9,67(—2,31)	5,32(1,27)
90	8,37(2)	1,88(0,45)	— !0,55(—2,52)	5,53(1,32)
		При t ф от 10 до 20° С
100	1.26(0,3)	2,85(0,68)	—0,63(—0,15)	3,95(0,94)
95	0,84(0,2)	2,27(0,65)	—0,50(—0,12)	4,02(0,96)
90	0,84(0,2)	2,64(0,63)	0,08(—0,02)	4,02(0,96)
		Ярц,/ф от 20 до 30° С
100	—28,05(—6,7)	4,27(1,02)	7,41(1,77)	3,39(0,81)
95	—27,22(—6,5)	4 10(0,98)	6,95(1,66)	3,47(0,83)
90	—26,38(—6,3)	3,98(0,95)	6,47(1,61)	3,52(0,84)

Примечание. Без скобок даны значения коэффициентов при применении единиц систе­мы СИ. в скобках — системы МКГСС.

Для расчетов всех процессов изменения тепловлажностного состоя­ния воздуха удобно пользоваться графическим методом построения в / — d-диаграмме. Однако в некоторых случаях (анализ вариантов, рас­чет на ЭВМ) необходимо пользоваться приближенными формулами, при­веденными в конце каждого параграфа данной главы. Погрешность вы­числений по приближенным формулам не выходит за пределы 3%, что вполне допустимо в инженерных расчетах.