Глава III

СВОЙСТВА ВОЗДУХА И ПРОЦЕССЫ

ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО СОСТОЯНИЯ

В результате бытовых и технологических процессов в воздух помещений поступают вредные выделения («вредности»). Вредностя­ми в вентиляционной технике собирательно называется избыточное количество в помещении тепла, влаги, газов, паров и пыли, носителем которых (за исключением лучистого тепла) является воздух. Таким образом, воздух — это основная рабочая среда процесса вентиляции.

I § 6. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

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.

Согласно закону Дальтона каждый газ в смеси, занимая весь объ­ем, имеет свое парциальное давление pi, а сумма этих давлений рав­на полному барометрическому давлению В смеси:

Я = 2_Р/. (Ill Л)

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па), в системе МКГСС — в кгс/м² или в мм рт. ст.

Отдельный газ в объеме смеси V, м³, имеет TeMnepaiypv смеси Т, К, и находится под своим парциальным давлением ри Па. Характе­ристическое уравнение Клапейрона для 1 кг массы произвольного i-го газа в смеси имеет вид

^miRT & /г» оч

^{к =} -адГ ^{= ,,}'Т^{> (ш}-²⁾

где т,- — масса i-ro газа, кг; R — универсальная газовая постоянная; Mi — моляр­ная масса газа, кг/моль; v< — количество молей газа в смеси.

Универсальная газовая постоянная в системе СИ /?=8,314Х ХЮ³ Дж/(моль-К). В системе МКГСС при измерении давления в кгс/м² R =848 кгс-м/(моль-°С) .или при измерении давления в

мм рт. ст. R = 62,37 мм рт. ст. м³/(моль-°С).

При расчете вентиляции влажный воздух удобно рассматривать

как бинарную смесь (смесь двух газов), состоящую из водяных паров (газа с молярной массой М_п=18 кг/моль) и сухого воздуха (условно­го однородного газа с молярной массой М_с.в=29 кг/моль). Баромет­рическое давление В в этом случае равно сумме парциальных давле­ний сухого воздуха р_с.в и водяного пара р_п:

В~ Рс-в+Рп. (III.3)

Уравнение состояния удобно записать, пользуясь понятиями плот­ности сухого воздуха и водяного пара р*, кг/м³, и их газовой посто­янной Ri, Дж/(кг-К) [кгс-м/(кг-°С)]:

mi R

р, ₌ -__{т/?г =} _. (Ш.4)

Для сухого воздуха плотность р_с._в, кг/м³, согласно уравнениям (III.2) и (III.4), равна:

Я*С.В Рс.в 4f_c._B

Рс.в = — = — (III.5)

Величина р_с.т» при атмосферном давлении (одна физическая ат­мосфера равна 101 325 Па, или 760 мм рт. ст., или 10 333 кгс/м²), когда рс.ъ—В, составляет

ВМ_с._в 101 325-29 353

При стандартных условиях, за которые в вентиляционной технике приняты давление в одну физическую атмосферу и температура в 20°С (293 К), плотность р_с._н равна 1,2 кг/м³.

При другом давлении р_{с в}, Па, и температуре Т, К, плотность су­хого воздуха

Рс.в = 1,2 — ~ « 0,35» 10 ~² — , (III.7)

Т 101 325 т

или, если давление измеряется в мм рт. ст.,

Рс..=1,2^^=0.46^. (Ш.7-)

Плотность водяного пара в воздухе р_п, кг/м³, по аналогии с выводом формулы (III.6) при атмосферном давлении равна:

219

Рп « — • №1.8)

Эта величина так же, как и р_с._в в формуле (III.7), изменяется пря­мо пропорционально давлению р_а, под которым находится водяной пар, и обратно пропорционально температуре Т.

Плотность влажного воздуха р_в может быть определена как плот­ность сухого воздуха и водяного пара, находящихся в смеси под свои­ми парциальными давлениями р_с.ъ+рп—В:

РсаМс-в , РпМп ВМ_СЛ Рп .. р_п . ... _Q

Рв— “Ь RT — RT ^В )• (Ш'^)

При измерении давления в Па плотность влажного воздуха р_в равна:

„„..о,

а при измерении давления в мм рт. ст.

_{р> =} 353 _0Л76^_ _(пмо,₎

Из формулы (III.9) следует важный вывод о том, что плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха.

При обычных условиях в помещении, когда давление водяного па­ра равно приблизительно 15 мм рт. ст., доля второго члена в формуле (.111.9), учитывающего разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составит всего 0,75% величины р_св. По­этому в инженерных расчетах в тех случаях, когда качественное разли­чие плотностей сухого и влажного воздуха не имеет значения, обычно считают, что р_в»р_{с в}-

При изменении свойств воздуха в вентиляционном процессе коли­чество его сухой части остается неизменным, поэтому принято все по­казатели тепловлажностного состояния воздуха относить к I кг сухой части влажного воздуха.

Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нем водяного пара. Массу водяного пара в килограммах, приводящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d!, кг/кг. Величина d' равна:

_d.₌ А ₌ ^й_д<Ь>..._=0|Ш_й.__ _(Ш11)

Рс В «п Рс в М_с вРс В Д Рп

Значение d' обычно является малой дробью, поэтому в расчетах удобнее выражать влагосодержание d в граммах влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха; тогда формула (III. 11) приобретает вид:

d = 1000 d^f = 623——— . (III. 12)

Д' Рп

Влагосодержание воздуха может быть различным, однако его максимальное значение при заданной температуре строго определено полным насыщением воздуха водяными парами. В связи с этим для характеристики степени увлажненности воздуха удобно пользоваться показателем относительной влажности воздуха ф. Величина ф равна отношению парциального давления р_а водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению р_я п водяного пара в на­сыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре:

' ф = —. (III. 13)

Рн п

Величина ф показывает в процентах или в долях единицы степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения.

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом. Водяные пары в этом случае находятся в насыщенном состоянии. При ф<100% 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 значение определяют эксперимен­тальным путем и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд фор­мул, аппроксимирующих зависимость р_Нп, Па или мм рт. ст, от t, °С. Например, для области положительных температур ее можно прибли­зительно выразить в Па:

ВЕНТИЛЯЦИЯ 2

U—rfl' 16

„„..о, 22

'dt±. 45

«iii.-Wnfo. + Kp'U ^.Ж) 65

гх,v'-62> 89

*й + 0./.-0,/,-«:} (V|II1|) 104

*47 264

Теплоемкость сухого воздуха г_с в и теплоемкость водяного пара с_а в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур можно считать постоянными и равными:

Сев ⁼ 1.005 кДж/(кг-К); с_П — 1,8 кДж/(кг К) (система СИ); с_с в == 0,24 ккал/(кг‘°С); с_п = 0,43 ккал/(кг-°С) (система МКГСС).

Здесь и далее теплоемкость и энтальпия рассматриваются как удельные тепловые величины.

Энтальпию сухого воздуха /_св при /=0°С принимают равной нулю, и тогда энтальпия /_св при произвольной температуре t равна:

Л:.в ⁼ Сс в (III. 16)

Удельная теплота парообразования для воды при /=0°С равна 1=2500 кДж/кг, или 597,3 ккал/кг, и энтальпия пара 1_п во влажном воздухе при этой температуре равна /.

Энтальпия водяного пара в воздухе /_п, кДж/кг или ккал/кг, при произвольной температуре t составляет:

/_п = 2500+ 1,8 / (III. 17)

или

/_п = 597,3+ 0,43/. (III. 17')

Энтальпия влажного воздуха I складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара. Энтальпия /, отнесенная к 1 кг су­хой части влажного воздуха, кДж/кг или ккал/кг, при произвольной температуре t и влагосодержании d равна:

/= 1,005/ +(2500+ 1,8/) d/1000 (III. 18)

или

/ = 0,24 / + (597,3 + 0,43/) d/1000. (III. 18')

Если ввести характеристику теплоемкости влажного воздуха, кДж/ /(кг-К) или ккал/(кг-°С), равную:

с_в= 1,005+ 1,8 d/1000 (III.19)

или

с_в = 0,24 + 0,43 d/1000, (III. 19')

тогда

/ = c_B/ + Zd/1000. (III. 20)

Если в результате конвективного теплообмена воздуху передается явное тепло, то он йагревается — его температура повышается. Энталь­пия воздуха изменяется в результате изменения его температуры. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой (при подаче пара от внешних источников) ему передается в основном скрытое тепло парообразования. Энтальпия воздуха при этом также возрастает, но в результате изменения энтальпии водяного пара, находящегося в воз­духе. Температура воздуха при этом остается неизменной.

Кроме характеристик тепловлажностного состояния, свойства воз­духа, как было сказано ранее, определяются содержанием в нем газов и паров вредных веществ. Содержание этих вредных веществ в милли­граммах обычно относят к 1 м³ воздуха. Их концентрацию обозначают буквой С с индексом, указывающим наименование вещества, и выра­жают в мг/м³.

Содержание пыли в воздухе обычно оценивают в мг/м³ или в г/кг.

При расчете современных вентиляционных систем важно также знать содержание в воздухе пахнущих веществ, степень его озонирова­ния, содержание в нем отрицательно заряженных легких ионов кислоро­да и пр. Освещение этих вопросов дается в специальной литературе.

§ 7. /-d-ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

На основе уравнений (111.12), (III.15) и (III.18') проф. JI. К. Рам- зиным в 1918 г. была составлена так называемая /—d-диаграмма, ши­роко используемая б расчетах вентиляции, кондиционирования воздуха, осушки и других процессов, связанных с изменением состояния влажно­го воздуха. В /—d-диаграмме графически связаны все параметры, опре­деляющие тепловлажностное состояние воздуха: /, d, t, ф, р_п.

Диаграмма I—d приведена на рис. III.1, а, б. Она построена в ко­соугольной системе координат. Такая система позволяет расширить на диаграмме область ненасыщенного влажного воздуха, что делает диа­грамму удобной для графических построений.

По оси ординат диаграммы (рис. III.1, а) отложены значения эн­тальпии /, кДж/кг сухой части влажного воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси /, отложены значения влагосодержа- ния d, г/кг сухой части влажного воздуха. Поле диаграммы разбито ли­ниями постоянных значений энтальпии /=const и влагосодержания d — =const. На него нанесены также линии постоянных значений темпера­туры /=const, положение которых может быть определено следующим образом.

Какая-либо точка /, лежащая на изотерме /i=const, соответствует энтальпии /1, значение которой графически на /—d-диаграмме равно сумме трех отрезков (см. рис. III.2). Размеры отрезков определяются уравнением (III. 18), .которое можно после преобразования записать в виде

l₁ = 2,5d_l+ 1,005 fj-f 1,8-10 ³ /j dp (III.21)

Из уравнения (111.21) и схемы рис. III.2 можно сделать вывод, что r /—d-диаграмме изотермы не параллельны между собой и чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изо­термы.

В нижней части /-d-диаграммы на рис. III.1, а расположена кри­вая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает в соответ­ствии с выражением (III. 12) влагосодержание d, г/кг, с упругостью во­дяного пара р_п, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой пар­циального давления водяного пара р_п.

Кроме линий постоянных значений /, d и на поле диаграммы на­несены линии постоянных значений относительной влажности воздуха 9=consl. Для их построения прежде всего строится кривая, соответст­вующая ф = 100% ■ Зависимость давления водяного пара в насыщенном состоянии от температуры определена экспериментально и приводится в специальных таблицах термодинамического состояния влажного воз­духа, составленных М. П. Вукаловичем. Пользуясь этими таблицами, формулой (III.12) или кривой р_п (d), можно найти положение точек, со­ответствующих состоянию полного насыщения воздуха водяными пара­ми. Геометрическое место этих точек дает положение кривой ф = Ю0% на поле /—d-диаграммы. Зависимость (III.15) позволяет определить от­носительно линии ф = 100% положение остальных линий ф=сопз1, со­ответствующих другим значениям относительной влажности воздуха.

Если положение изотерм (f=const) и изоэнтальпий (/=const) в /—d-диаграмме практически не зависит от барометрического давления В, то положение кривых ф=сопб1 меняется с изменением давления В. Диаграмма I—d, приведенная на рис. III.1, а, построена для стандарт­ного барометрического давления В, равного 101, 325 кПа (одна физиче­ская атмосфера).0 1 2 3 Ч 5 6 7 8 3 ЮН 12 13 14 15 16 17 18 13 21) 71 22 13 24 25 26 27 78 23 30

Ч <М‘ Ш'\Л\\' V VуVVVV\Л X X х X -X ^{а г}**^{г С}У^Л бсзд'

а — в единицах системы СИ (построена дня барометрического давления 101, 325 кПа), 6—в единицах системы МКГСС (построена для барометрического давления 760 мм рт ст )Рис III2 Графическое изображение энтальпии, которой соответствует точка 1, и построение ли­нии *i=const на /—d-диаграмме

Изменение относительной влажности с изменением давления можно просле­дить, пользуясь формулой (III.15), кото­рую запишем в виде

d = 623 ^{(Ф/Б)рнп} . (III.22)

1—(Ф/В) Рнп

JP.

В

Значение р_а._а, как было сказано, за­висит только от температуры, поэтому если при постоянных I и d изменять дав­ление В, то относительная влажность ф будет изменяться прямо пропорциональ­но В. Таким образом, при изменении дав­ления отношение ф/В остается постоян­ным. Это положение позволяет использовать /—d-диаграмму, построен­ную для одного давления В, например в 101,325 кПа (рис. III.1,а), при другом барометрическом давлении В\. Значения ф_Ь которым при этом будут соответствовать линии ф=const, определятся условием

(III.23)

Поле I—d-диаграммы разделено линией ф=100% на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного влажного воз­духа. Линия ф = 100% соответствует состоянию воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже этой линии — область перенасыщенного воз­духа (воздуха в метастабильном состоянии, область тумана), которая используется при расчете воздушного холодильного цикла (в турбоде­тандере) и при применении воздуха в области тумана.

Каждая точка в поле диаграммы соответствует определенному теп­ловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определяется любыми двумя из пяти (/, d, t, ф, р_п) параметров состояния. Остальные три могут быть определены по I—d-диаграмме как производные. Диа­грамма удобна не только для определения параметров состояния возду­ха, но и для построений изменения его состояния при нагреве, охлаж­дении, увлажнении, осушке, смешении и со­четании этих процессов в произвольной по­следовательности.

Пользуясь /—d-диаграммой, легко по­лучить еще два очень важных параметра тепловлажностного состояния воздуха: тем­пературу точки росы воздуха и темпера­туру мокрого термометра воздуха t_M.

Рис III 3 Определение по / — d-диаграмме темпера­туры мокрого термометра /_ма и температуры точки росы tр_А воздуха, состоянию которого соответствует точка А

Температура точки росы t_p равна температуре насыщенного водя­ными парами воздуха при данном влагосодержании. Для получения зтой температуры нужно на /—d-диаграмме от точки, соответствующей данному состоянию воздуха, опуститься по линии d=const до пересече­ния с линией ф = 100%. Проходящая через точку пересечения линия t= =const будет соответствовать значению t_p.

Температура мокрого термометра равна температуре насыщенного водяными парами воздуха при данной энтальпии. В /—d-диаграмме температуре /_м соответствует линия £=const, проходящая через точку пересечения линии /=const заданного состояния воздуха с линией ф= = 100%.

На рис. III.3 приведены построения для определения температур t_p и t_M воздуха, состоянию которого соответствует точка А.