Состояние водяного пара во влажном воздухе

Влажный воздух — это смесь сухого воздуха и водяного пара. В воздухе при определенных условиях кроме водяного пара может находиться его жидкая (вода) или кристаллическая (лед, снег) фаза. В естественных условиях воздух всегда содержит водяной пар.

Влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара (жидкую и твердую фазы воды в воздухе пока считаем отсутствующими).

Используя законы для смесей газов, получим, что давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара:

Для наглядности представления основных характеристик влажного воздуха изобразим в Р,v- диаграмме (рис.8.1) состояния водяного пара во влажном воздухе. В качестве определяющих параметров водяного пара во влажном воздухе используются температура воздуха t и парциальное давление водяного пара Р_П.

Водяной пар во влажном воздухе может находиться в трех состояниях (рис.8.1): точка 1 — перегретый пар, точка 2 — сухой насыщенный пар, точка 3 — влажный насыщенный пар (сухой насыщенный пар плюс капельки жидкости в состоянии насыщения). Высшим пределом парциального давления водяных паров при данной температуре воздуха t является давление насыщения пара

Абсолютная влажность ρ — это массовое количество водяных паров в одном кубическом метре влажного воздуха. Для ее определения используется величина, обратная удельному объему водяного пара при Р_П и t, ρ=1/v (кг/м 3 ). Действительно, по закону Дальтона водяной пар занимает весь объем смеси, а его плотность соответствует массе водяного пара в одном кубическом метре влажного воздуха.

Необходимо отметить, что абсолютная влажность воздуха характеризует содержание в воздухе только одной — паровой фазы воды.

Относительная влажность φ — это отношение абсолютной влажности к максимально возможной влажности воздуха при данной температуре:

где ρ» и v» — максимальная абсолютная влажность воздуха и удельный объем сухого насыщенного водяного пара при данной t.

Относительная влажность воздуха характеризует потенциальную возможность воздуха испарять влагу и забирать в себя пар из окружающей среды при данной температуре.

Максимальное содержание пара в воздухе соответствует точке 2 в Р,v- диаграмме, где пар сухой насыщенный. При переходе в область влажного пара при данной t (точка 3) в воздухе количество сухого насыщенного пара остается постоянным (соответствует точке 2) (для паровой фазы воды в этом случае удельный объем остается неизменным, v»=const, и минимально возможным при данной температуре воздуха), только к нему добавляются капельки воды в состоянии насыщения.

Различают 3 состояния влажного воздуха:

1.Ненасыщенный влажный воздух — φ 2. Насыщенный влажный воздух — φ=100 %, Р_п=Р_н, &#961=&#961″, водяной пар во влажном воздухе в виде сухого насыщенного (точка 2).

3. Перенасыщенный влажный воздух — φ=100 %, Р_п=Р_н, &#961=&#961″, кроме сухого насыщенного пара в воздухе находятся капельки воды в состоянии насыщения или льда, снега (точка 3 при наличии капелек воды).

Источник статьи: http://ispu.ru/files/u2/book2/TD1_19-06/ttd8-1.htm

Состояние водяного пара во влажном воздухе

Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием .Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения . Между данными процессами существует принципиальное различие.Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара.Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией Пар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщенным паром .

Различают следующие состояния водяного пара:

влажный пар;
сухой насыщенный пар;
перегретый пар.

Влажный пар – насыщенный пар, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц.
Сухой насыщенный пар – пар, не содержащий одноименной жидкости и имеющий температуру кипения t H при данном давлении P П .Индекс “н” при температуре обозначает насыщение (или кипение).
Перегретый пар – пар, температура которого превышает температуру кипения ( t П >t Н ) при данном давлении Р.

Рассмотрим характер и расположение изобар (процесс при постоянном давлении P=const) воды и водяного пара в Ts -диаграмме. Энтропия S является термодинамическим параметром состояния вещества.

Полагая, что изобары при любом давлении начинаются от температуры тройной точки А (рис. 1а), равной Т=273,15 К, энтропию S для всех давления можно приближенно принять равной нулю. В Ts -диаграмме (рис. 1а) изобара нагрева воды, парообразования и перегрева пара соответствует кривой АА 1 В 1 Д 1 . Выделим характерные участки. На участке АА 1 происходит нагрев воды при постоянном давлении. В точке А 1 вода кипит, имея температуру насыщения (кипения) Т при данном давлении. В области влажного пара (участок А 1 В 1 ) температура постоянна и равна температуре насыщения, изобара расположена параллельно оси энтропии S . В точке В 1 – сухой насыщенный пар при данном давлении. На участке В 1 Д 1 – перегретый пар. Температура перегретого пара Т больше температуры насыщения Т при данном давлении.

Представим целую систему изобар (Р 2 > Р 1 ; Р 3 > Р 2 ) в диаграмме (рис. 1б). Соединим точки А 1 ; А 1 ’; А 1 ’’ кипения воды при соответствующих давлениях Р 1 , Р 2 , Р 3 и получим левую пограничную кривую АК. Соединив точки В 1 , В 1 ’, В 1 ’’ сухого насыщенного пара при давлении Р 1 , Р 2 , Р 3 – правую пограничную кривую КВ. Параметры критической точки К для воды – давление Ркр=22,1 Мпа, температура Ткр=647,3 К. в критической точке отсутствует граница раздела – мениск между жидкой и газообразной фазой.

Пограничные кривые АК и КВ делят диаграмму на три части:

влево от АК располагается область жидкости I;
под пограничной кривой АКВ – область водяного пара II;
вверх от точки К и вправо от КВ – область перегретого пара III.

В области жидкости изобары достаточно близко расположены друг к другу и практически сливаются с левой пограничной кривой АК.

Атмосферный воздух (влажный воздух) с учетом рассмотренных состояний водяного пара может быть:

пересыщенный влажный воздух;
насыщенный влажный воздух;
ненасыщенный влажный воздух.

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман.
Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.
Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов (1-6).

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона ( 1,4,5):

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона — Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (2)

сухой воздух P B V=M B R B T; (3)

водяной пар Р П V=M П R П Т , (4)

где V – объем влажного воздуха, м 3 ; М, М В , М П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R В , R П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг × К); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м 3 влажного воздуха. Она обозначается через r П и измеряется в кг/м 3 или г/м 3 . Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе: r П =Р П /(R П Т). Очевидно, что r П =М П /V , где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха j называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха ( r Н) при той же температуре: , (5)

для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений водяного пара , (6)

где Р Н – давление насыщенного водяного пара при данной температуре влажного воздуха, определяется по таблице Приложения II.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине j :
j 100 %, при этом Р П Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;
j =100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный.
Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н .

Определение основных параметров и характеристик влажного воздуха по

Впервые hd — диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления.

а) принцип построения; б) диаграмма

В hd – диаграмме (рис.) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d , г/кг сухого воздуха, а по оси ординат — удельная энтальпия влажного воздуха h , кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на hd — диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии h=const , которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на hd.-диаграмме наносят изотермы t С =const, t M =const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от. j =5% до j =100%). Линии постоянных значений относительной влажности j =const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р П =Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности j =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии j =100% — область насыщенного влажного воздуха.

Так как при j =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t C =t M , то изотермы t C =t M =const пересекаются на линии j =100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по hd — диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание — d ; относительную влажность — j , энтальпию воздуха — h ; парциальное давление пара – Р П , температуру точки росы – t М .

Средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг × К) Приложение I

Источник статьи: http://victor.chuvsu.ru/junior/junior/lek16-2.html

Влажность воздуха и его свойства

1. Общие сведения о воздухе

Воздух (атмосферный воздух) – это смесь газов, основными компонентами которого являются азот и кислород, которые в сумме составляют 98-99%. Воздух необходим для существования и жизнедеятельности всех живых организмов.
Федеральный закон N 96-ФЗ от 04.05.1999 «Об охране атмосферного воздуха» трактует понятие «воздуха» следующим образом – «Атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений».
Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы).
В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не простое вещество.
Смесь газов, содержащихся в атмосферном воздухе, без водяного пара и аэрозолей называется сухим воздухом.
Химический состав сухого воздуха представлен в таблице 1:
Таблица 1

Газовый состав сухого воздуха относительно стабилен, однако от погоды, времени года, географического положения, высоты местности, природных (газообмен атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) и антропогенных факторов (загрязнение от транспорта, объектов энергетики и промышленных предприятий и т.п.) возможны небольшие изменения количества некоторых компонентов.
При расчетах инженерных систем зданий и сооружений атмосферный воздух рассматривается как смесь сухого воздуха и водяных паров. В технической термодинамике смесь сухого и водяного пара называется влажным воздухом.
Основными физическими параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха являются:

Температура;
Барометрическое давление;
Парциальное давление сухого воздуха и водяного пара;
Влагосодержание;
Относительная влажность;
Плотность;
Удельная энтальпия.

Температура воздуха – это физическое свойство воздуха, характеризующее его степень нагрева или охлаждения, определяемая с помощью термометров.
Барометрическое давление определяется высотой над уровнем моря. Значения барометрического давления для различных населенных пунктов приведены в таблице 3.1 СП 131.13330.2018 «Строительная климатология». Для зданий высотой до 100 метров, расположенных на относительно небольшой высоте на уровнем моря, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно принять барометрическое давление Рб равным 101325 Па.
Величина барометрического давления равна сумме парциального давления сухого воздуха (Рс) и парциального давления водяного пара (Рп).
Рб = Рс + Рп
Парциальное давлениеР (Па) – это давление, которое имел бы газ, входящий в состав смеси, если бы он находился в том же количестве, в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.
Парциальное давление сухого воздуха зависит от температуры воздуха, а парциальное давление водяного пара – от температуры воздуха и содержания влаги в нем.
Влагосодержаниеd (кг) – это величина, характеризующая отношение массы водяного пара во влажном воздухе Мп к массе сухого воздуха Мс в определенном объеме V.
d= Мп / Мc
Плотность влажного воздуха ρ (кг/м 3 ) — это величина, характеризующая отношение суммы массы сухого воздуха Мс и массы водяного пара во влажном воздухе Мп к объему V.
ρ = (Мс + Мп) /V
Плотность влажного воздуха ρп, в диапазоне наиболее часто используемом для систем вентиляции и кондиционирования — от минус 40 0 С до плюс 50 0 С, отличается от плотности сухого воздуха ρс незначительно, на величину не более 5 %. Поэтому, с достаточной для инженерных расчетов степенью точности, можно принять ρ примерно равным ρс.
ρ ≈ ρс
Удельная энтальпия влажного воздуха I (Дж/кг) – это количество теплоты, содержащейся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Удельная энтальпия влажного воздуха вычисляется по формуле:
I=cct+ (r+cпt)d
где:
t – Температура воздуха (С 0 );
d – Влагосодержание воздуха (кг / кг);
сс – Теплоемкость сухого воздуха;
сп – Теплоемкость водяного пара;
r – Удельная теплота парообразования воды.

2. Физические свойства влажного воздуха

2.1. Влажность воздуха

Влажность воздуха — это мера содержания влаги (водяного пара) в воздухе. Чем больше водяного пара в объеме воздуха, тем больше его влажность. При низкой влажности, мера водяного пара в воздухе снижена, и воздух становится сухим. Влажность воздуха на улице и в помещении меняется в зависимости от погодных условий, процессов жизнедеятельности людей, работы технического оборудования, системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
Степень сухости и влажности воздуха, находятся в прямой зависимости от того, насколько водяной пар близок к насыщению, иными словами к 100-процентной влажности (т.е. такое состояние воздуха, при котором он полностью насыщен влагой). Если охладить влажный воздух, можно довести находящуюся в нем влагу до такого состояния, что она начинает конденсироваться, т.е. превращаться в воду. Данное явление можно наблюдать при охлаждении воздуха в обычном кондиционере, при охлаждении комнатного воздуха, в кондиционере начинает образовываться конденсат. В природе данное явление наблюдается при возникновении росы ранним утром, после конденсации охладившегося ночного воздуха.
Сам процесс конденсации охлаждаемого воздуха проявляется в появлении капель сконденсировавшейся жидкости – росы. Температура, при которой происходит перенасыщение водяного пара, находящегося в воздухе, т.е. возникновение конденсата, называется точкой росы.

2.2. Виды влажности, абсолютная и относительная влажность

2.3. Давление водяного пара.

2.4. Влагосодержание

2.5. I-d диаграмма влажного воздуха

I-d диаграмма влажного воздуха – это основной инструмент для отражения различных процессов изменения состояния воздуха – его нагрева, охлаждения, осушения и увлажнения.
Данная диаграмма значительно упрощает понимание различных процессов, происходящих с воздухом в системах вентиляции и кондиционирования, и позволяет легко снять данные о состоянии воздуха при любых его параметрах.
Данная диаграмма графически показывает полную взаимосвязь между основных параметрами состояния воздуха:

температурой
относительной влажностью
влагосодержанием
энтальпией
парциальным давлением паров воды.

Следует отметить, что все значения указаны при определенном значении состояния воздуха при атмосферном давлении – 101,3 кПа.
На I-d диаграмме (рисунок 1) представлены следующие линии:

криволинейные – линии относительной влажности (от 5 до 100%).
прямые — постоянной энтальпии, температуры, парциального давления и влагосодержания.

Определить состояние воздуха в любой точке диаграммы возможно, зная любые два его параметра.

Рисунок 1
Графическое изображение любого процесса изменения состояния воздуха значительно облегчается с помощью дополнительно нанесенной круговой диаграммы. На данной диаграмме под разными углами показаны значения тепло-влажностного отношения ε.
Данная величина определяется наклоном луча процесса и рассчитывается как:
ε = Q / W
где, Q – подведенное (отведенное) тепло или теплопоступления, кДж/ч;
W — влага, поглощаемая или выделяемая из воздуха, (кг/ч).
Значение тепло-влажностного отношения ε делит всю диаграмму на четыре основных зоны, по которым можно определить процесс изменения состояния воздуха:

ε = +∞ … 0 (нагрев + увлажнение).
ε = 0 … -∞ (охлаждение + увлажнение).
ε = -∞ … 0 (охлаждение + осушение).
ε = 0 … +∞ (нагрев + осушение).

Ниже приведены основные процессы увлажнения воздуха – адиабатический (рисунок 2) и изотермический (рисунок 3)

Рисунок 2 Рисунок 3

2.6. Изменение влажности в зависимости от температуры

Относительная влажность воздуха зависит от его температуры. В процессе изменения температуры воздуха (при его нагреве или охлаждении) относительная влажность воздуха также изменяется. Данный процесс обусловлен изменением парциального давления водяных паров, содержащихся в воздухе.
Например, в процессе нагрева воздуха парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения ими воздуха начинает увеличиваться, это обусловлено расширением газа (воздуха) при его нагреве. Учитывая данный факт, при увеличении температуры воздуха его относительная влажность начинает снижаться.
В процессе охлаждения воздуха происходит обратный процесс. Парциальное давление водяных паров в состоянии полного насыщения снижается, при охлаждении воздух сжимается, что вызывает увеличение его относительной влажности.
Следует отметить, что в процессе нагрева воздуха его влагосодержание остается неизменным, так как масса водяного пара в единице сухого воздуха не изменяется (процесс нагрева проходит без подвода или отвода влаги).
Процесс охлаждения воздуха проходит несколько сложнее. Здесь ключевым фактором является возможность конденсации водяных паров, растворенных во влажном воздухе. Например, при охлаждении воздуха без конденсации водяных паров, его влагосодержание остается неизменным (так как процесс проходит без подвода или отвода влаги — как и процесс нагрева воздуха). В случае охлаждения воздуха с конденсацией водяных паров, падает как его температура, так и влагосодержание (часть влаги конденсируется из воздуха), воздуха осушается, при этом, как было сказано выше, его относительная влажность увеличивается.
Ниже на рисунке 4, на I-d диаграммах состояния влажного воздуха, для отображения сути процесса изменения относительной влажности и влагосодержания воздуха при изменении его воздуха, представлены следующие процессы:

нагрев воздуха
охлаждение воздуха без конденсации водяных паров
охлаждение воздуха с конденсацией водяных паров.

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Источник статьи: http://legenda-spb.com/blog/vlazhnost-vozduha-i-ego-svojstva