Файл: 2.doc

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.