2.1. Газообразные охлаждающие среды
2.1.1. Характеристика воздуха как охлаждающей среды
Для процессов охлаждения современная промышленность использует обычный атмосферный воздух.
Воздух представляет собой смесь нескольких газов: кислорода – около 23,0 %; азота – около 76,0 %; аргона – около 1,0 %; углекислоты – около 0,05 %. Кроме этого в воздухе содержится некоторое количество водяных паров и твердые частицы – пыль.
В качестве охлаждающей среды используют воздух с определенными параметрами: температурой, влажностью, скоростью движения и степенью чистоты. Правильное сочетание этих параметров обеспечивает получение продукции высокого качества продолжительного срока хранения и обеспечивает высокую производительность холодильной установки.
В дальнейшем будем рассматривать воздух как смесь газов, которая состоит из сухой части и водяных паров. Влажность воздуха зависит, как известно, от степени насыщенности его водяными парами. В свою очередь содержание в воздухе водяных паров – степень насыщения – зависит от температуры воздуха и барометрического давления. В ненасыщенном водяными парами воздухе пар будет находиться в перегретом состоянии, так как температура его будет выше температуры насыщенного пара при заданном парциальном давлении.
Для характеристики влагосодержания воздуха используют понятия его абсолютной и относительной влажности.
Абсолютная влажность – это весовое количество в г, кг водяного пара, содержащееся в 1 кг абсолютно сухого воздуха (г/кг, кг/кг).
Из газовых законов
(уравнение Менделеева-Клайперона)
известно, что
кг влажного воздуха при атмосферном
давлении занимают тот же объем
,
м3,
что и 1 кг сухого воздуха при парциальном
давлении
и
кг водяного пара при парциальном давлении
водяного
пара. Общее давление воздуха
,
составляет
.
(3)
На основании газовых законов можем составить уравнение газового состояния отдельно для сухого воздуха и для содержащихся в нем водяных паров. Для одного и того же объема влажного воздуха и одной и той же температуры уравнения газового состояния примут вид
,
(4)
,
(5)
где
- масса воздуха и пара, кг;
- универсальная
газовая постоянная для водяного пара
и воздуха соответственно;
- температура
водяного пара и воздуха соответственно,
°С.
На основании закона Дальтона
,
.
Разделив уравнение (4) на уравнение (5) почленно, получим
,
(6)
где
- влагосодержание
влажного воздуха, кг/кг;
- отношение
универсальных газовых постоянных
абсолютно сухого воздуха и водяного
пара.
Тогда, из уравнения (6) можно выразить влагосодержание или абсолютную влажность влажного воздуха , кг/кг, являющуюся его расчетным параметром
.
(7)
Выразим парциальное давление воздуха из уравнения (3) и подставим полученное выражение для в уравнение (7)
,
(8)
.
(9)
Анализ формулы (9) показывает, что влагосодержание влажного воздуха зависит только от парциального давления содержащихся в нем водяных паров. Каково может быть максимальное влагосодержание водяных паров в воздухе? Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить определение понятия «относительная влажность» воздуха, а также формулу для ее расчета.
Относительная
влажность воздуха
,
%, представляет собой отношение
парциального давления содержащихся в
нем водяных паров к парциальному давлению
водяных паров воздуха в стадии насыщения
при тех же условиях – атмосферном
давлении и температуре
,
(10)
где
-
парциальное давление насыщенного
водяного пара.
Выразим парциальное давление водяных паров , содержащихся во влажном воздухе из выражения (10)
.
(11)
Подставим полученное выражение (11) в формулу (9), получим
.
(12)
Теперь из формулы
(12) мы можем определить, каким может быть
максимальное влагосодержание влажного
воздуха, то есть влагосодержание при
.
(13)
Таким образом, максимальное влагосодержание воздуха пропорционально парциальному давлению водяных паров в стадии насыщения, оно постоянно при данных условиях (температуре и барометрическом давлении) и является в стадии насыщения функцией температуры:
.
(14)
Пользуясь уравнениями (12) и (13) можно рассчитать любой входящий в них параметр.