T. 16. TERMODYNAMIKA POWIETRZA WILGOTNEGO
1. Definicja powietrza wilgotnego i jego parametry
Powietrze wilgotne jest roztworem powietrza suchego i pary wodnej.
Podstawowe parametry powietrza wilgotnego: ciśnienie ( p), wilgoć (ρ w), wilgotność (ϕ), stopień zawilŜenia ( X), entalpia ( i 1+ X), temperatura ( t), objętość właściwa ( v).
Stan powietrza wilgotnego określany jest przez podanie wilgoci(ρ w), wilgotności (ϕ) lub stopnia zawilŜenia( X).
W przemianach izobarycznych powietrza wilgotnego, a więc przy
danym ciśnieniu powietrza wilgotnego, jego stan określają dwa
dowolne parametry spośród parametrów: ϕ, X, i 1+ X, t, v.
Ciśnienie powietrza wilgotnego ( p)
Podlega ono (przy małych wartościach) prawu Daltona i dlatego
określane jest zaleŜnością:
p = pp+ pw
gdzie:
pp – ciśnienie cząstkowe (udziałowe) powietrza suchego,
pw – ciśnienie cząstkowe (udziałowe) pary wodnej.
NajwyŜsze ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym
"
nie moŜe przekroczyć ciśnienia nasycenia
pw , przy danej
temperaturze powietrza wilgotnego, a więc:
"
p
= p
w max
w
Wilgoć (ρ w)
Wilgoć (wilgotność bezwzględna), to ilość (masa) pary wodnej mw
w jednostce objętości V powietrza wilgotnego. Jest więc gęstością pary nasyconej suchej bądź przegrzanej w powietrzu wilgotnym, czyli
mw
ρ =
w
V
NajwyŜsza wilgoć w powietrzu wilgotnym, przy ustalonej
temperaturze ( T) moŜe być równa tylko gęstości pary nasyconej
suchej, a więc
"
ρ
= ρ
w max
w
Wilgotność (ϕ)
Wilgotność (wilgotność względna) jest ilorazem wilgoci rzeczywistej
(wilgotności bezwzględnej) do wilgoci najwyŜszej dla danej
temperatury T:
ρ w
ϕ = "
ρ
w
T
Do obliczenia gęstości pary wodnej (ρ w) stosowane jest równanie Clapeyrona, przydatne zwłaszcza przy małych wartościach ciśnień
cząstkowych, zatem:
1
p
p
= R T
w
→
ρ =
w
w
w
ρ
R T
w
w
p
w
Wobec tego
ϕ = "
p
w
T
Wilgotność powietrza (ϕ):
ϕ < 1 – gdy para zawarta w powietrzu wilgotnym jest parą przegrzaną,
ϕ = 1 – gdy para ta jest parą nasyconą suchą.
Do wyznaczenia ciśnienia cząstkowego pw pary wodnej w powietrzu wilgotnym uŜywany jest najczęściej psychrometr Augusta.
”
p ” = f(t)
t
pw = f(t)
p
w
p ”
w
pw
pp
p
p
p
p
”
pw
p
pw
t
Stopień zawilŜenia (zawilgocenie) jest ilorazem ilości (masy) pary mw
zawartej w powietrzu do ilości (masy) powietrza suchego mp, czyli:
X = m
kg pary
w
m
p
kg po .
w suc .
h
ppV = mpRpT
pwV = mwRwT
m
m
w
w
X =
→ m =
;
p = p − p
p
p
w
m
X
p
( p – pw) V = mwX−1 RpT
pwV = mwRwT
X ( p − p V
w )
T =
m R
w
p
pwmwRpV = mwRwX( p – pw) V
"
R
ϕ
p
p
p
p
w
X =
= 6
,
0 22
w
= 6
,
0 22
w
"
R
p − p
p − p
p − p
ϕ
w
w
w
w
J
J
p
w
R = 287
,
R = 461 5
,
,
ϕ =
p
w
"
kgK
kgK
p
w
T
gdzie: Rp, Rw – stałe gazowe powietrza suchego i pary wodnej.
Na ogół objętość (1 + X) kg powietrza wilgotnego określana jest jako:
R
1 +
p
T
T
X
v
6
,
0 22
,
ρ
1
= v + Xv = R
+ X
= R
+ X
zatem
=
+ X
p
w
w
w (
)
R
p
p
v
w
+
1 X
Przedstawione zaleŜności dotyczą powietrza wilgotnego o niskim
ciśnieniu. Przy duŜych ciśnieniach maksymalna zawartość pary
nasyconej suchej w powietrzu wilgotnym rośnie nie tylko wraz z jego
temperaturą, lecz takŜe z ciśnieniem całkowitym.
2. Równanie termiczne powietrza wilgotnego
ZaleŜność parametrów powietrza wilgotnego jako gazu jednorodnego
ujmuje równanie
( m + m )
pV = ( m + m ) RT
→
p
p
w
=
RT
p
w
,
V
a poniewaŜ
p V
p
p V
m =
oraz
m
w
=
p
R T
w
R T ,
p
w
wobec tego
T
p =
( m R + m R
p
p
w
w ).
V
m
Uwzględniając, to Ŝe
w
X = m
p
moŜna uzyskać wzór
Rp
+ X
m R + m R
p
p
R
R =
w w
w
=
Rw
m + m
1 + X
p
w
Z kolei gęstość powietrza wilgotnego przy ϕ = 1 wraŜa wzór
+
"
p
p(1 X ") 1
ρ
= ρ =
=
w max
w
R T
"
6
,
0 22 + X " R T
w
Istnieje reguła: im wyŜsza jest temp. pow. wilgotnego, tym większa
ilość (masa) mw pary wodnej moŜe być w nim zawarta.
3. Równanie kaloryczne powietrza wilgotnego – entalpia właściwa
powietrza wilgotnego ( i1+ X) i wykres Molliera Obliczenia addytywne parametrów stanu wykonuje się dla jednostki
powietrza wilgotnego, którą jest ilość (masa) m = (1 + X) kg, czyli 1 kg powietrza suchego z zawartą w nim ilością pary wodnej, zatem
entalpia właściwa powietrza wilgotnego określana jest wzorem:
kJ
i1+X = ip + Xiw = cppt + X( r + cpwt)
1
( + X ) kg
∆ i
ε =
∆ X
obszar powietrza
i 1+ X
niezamglonego
ϕ=idem
ϕ
=idem
v=idem
ϕ=1
∆ i
∆ X obszar powietrza
t=idem
zamglonego
t=idem
t=0oC
i=idem
mgła ciekła
mgła lodowa
i=0
X
ε=0
Wykres „ i 1+ X – X” Molliera dla powietrza wilgotnego, przy p = idem Wykresy takie są sporządzane dla powietrza wilgotnego o stałym
ciśnieniu całkowitym, głównie dla p = 100 kPa i mogą być uŜywane,
jeśli odchyłki ciśnień nie są większe od ± 3% .
Wykres wykonywany jest na podstawie zaleŜności:
i1+X = ip + Xiw = cppt + X( r + cpwt) Wynika z niej, Ŝe zmiany parametrów: i, t oraz X są liniowe, przy czym pochylenie izoterm jest określane przez jej zróŜniczkowanie:
di
= c t + r = idem
dt
pw
t
4. Proces nawilŜania powietrza
Przyczyny nawilŜania powietrza:
• mieszanie się powietrza z parą wodną (odparowanie wody ze
zbiornika do otoczenia, bądź rozpylanie wody w powietrzu),
• spalanie wodoru i powstawanie pary wodnej.
Osuszanie powietrza:
• metody chemiczne, jak przepuszczanie powietrza przez: chlorek
wapna (CaCl2), Ŝel krzemionkowy, tzw. silikaŜ el, tj. krzemionkę (SiO2) o silnie rozwiniętej powierzchni, kwas siarkowy (H2SO4),
pięciotlenek fosforu (P2O5),
• metody chemiczne, jak kompresja powietrza wilgotnego, bądź
jego oziębianie, które powoduje wykraplanie się pary.
2
3
4
5
1
p
p
p
p
p
pp
V
V 5
mp
V
4
R
1
V 2
V 3
p
mw
t p
tn
t
ϕ
p
=1
p
ϕ
ϕ
p ”
w
τ
Zmiany parametrów w procesie nawilŜania powietrza suchego
1. : mp, Rp, pp = p, mw, pw = 0; p = pp + pw → pp 1 = p, więc pV 1 = mpRpT
2. : pw ≠ 0, pw ↑ → pp ↓ ; pp = p – pw2 , zatem ( p – pw 2) V 2 = mpRpT
Wobec tego z równań: pV 1 = mpRpT oraz ( p – pw 2) V 2 = mpRpT mamy p
V = V
2
1 p − p
w 2
Na ogół znana jest objętość V 2, zatem obliczana jest obj. V 1 powietrza suchego, jeŜeli znane jest takŜe ciśnienie cząstkowe pary pw 2.
3. : stan zupełnego nawilŜenia, wtedy p
”
w = pw dla danej T powietrza
wilgotnego, a objętość V 3 = V max
p
V = V
3
1
"
p − p
w
Kształt linii pp = f(τ) zaleŜy od szybkości dyfuzji cząstek pary wodnej do przestrzeni powietrznej. Elementarny przyrost ilości (masy) pary
d( mp/τ), która wnika do powietrza w jednostce czasu przez element powierzchni A cieczy, określa prawo Ficka
,
1 89
d c
,
0 078 T
d m
& w = − D
d ,
A
ale
D =
d n
p
273
gdzie: D – współczynnik dyfuzji, d c/d n – gradient koncentracji pary wodnej w kierunku n, prostopadłym do zwierciadła cieczy.
Koncentracja (stęŜenie) pary wyraŜa masę pary w jednostce objętości,
czyli c = ρ w i moŜe być obliczona z równania Clapeyrona:
p
c
w
= R T
w
Począwszy od stanu 3 układ jest tak podgrzewany, aby t ↑. Para w przestrzeni powietrznej jest parą nasycona suchą a stopień suchości
pary x = 1, do czasu aŜ ostatnia kropla cieczy wyparuje (stan 4).
4. : t ↑ ; t 4 = tR , znika ostatnia kropla wody (para przechodzi w stan przegrzania),
5. : mimo dalszego podgrzewania ciśnienie cząstkowe pary pw = idem, para znajduje się w stanie przegrzania a jej stopień przegrzania x > 1.
5. przemiany izobaryczne powietrza wilgotnego
Stan powietrza wilgotnego uzyskany w wyniku przemiany
izobarycznej jednoznacznie określają dowolne dwa parametry spośród
takich jak: t, ϕ, i, X, v.
Przemiana przy stałej wilgotności
2
t 2
p=idem
i 1+ X
i
2
q= i −
2 i 1
ϕ = 1
i 1
t 1
1
X
Izobaryczna przemiana powietrza wilgotnego w obszarze niezamglonym:
q = i 2 – i 1 = cpp( t 2 – t 1) + Xcpw( t 2 – t 1) Ochładzanie powietrza wilgotnego
ϕ1* ϕ
1
t
p=idem
i 1+ X
1*
1
1
ϕ = 1
tR
R
t 2
i 2
2
R 2
i 1
X
X
1* X 1= X 2
Izobaryczne ochładzanie powietrza wilgotnego: R – punkt rosy
X 1 − X 1* = ∆ X – ilość wykroplonej wilgoci.
Mieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego
3
mm im Xm
i
p=idem
1+ X
q
Q
=
m
qm
t
m
2
2
ϕ = 1
tm
m
i
3
t
a
1
1
b
i
2
im
i
m 1 i
m 2 i
1
1 X 1
2 X 2
X
X 1
X
X
m
2
m 1 + m 2 = mm ,
m 1 X 1 + m 2 X 2 = mmXm, m 1 i 1 + m 2 i 2 = mmim , m
& + m& = m& ,
m
& X + m& X = m& X ,
m
& i + m& i = m& i ,
1
2
m
1
1
2
2
m
m
1 1
2 2
m m
m
& X + m& X
m
& i + m& i
1
1
2
2
X =
= g X + g X
1 1
2 2
i =
= g i + g i
m
1
1
2
2
m
&
, m
1 1
2 2 ,
m
&
m
m
przy czym: g 1 + g 2 = 1
i − i
X − X
i − i
a
m
&
m
1
m
1
m
1
1
=
→
= =
i − i
X − X
i − i
b
m
&
2
m
2
m
2
m
2
JeŜeli podczas mieszania dwóch strumieni powietrza wilgotnego
zostanie doprowadzone ciepło qm, to wartość entalpii 1 kg tej mieszaniny wzrośnie o wartość tego ciepła i tym samym jej entalpia im
wzrośnie do entalpii i 3 przy tym samym zawilgoceniu Xm.
2
p=idem
i 1+ X
ϕ = 1
t 2
tm
i
2
m
im
t 1
1
i 1
X
NawilŜanie powietrza wilgotnego wodą bądź parą wodną
NawilŜanie (dowilŜanie) powietrza wodą bądź parą jest szczególnym
przypadkiem mieszania dwóch strumieni powietrza wilgotnego.
ϕ1<ϕ3 t
m
&
, i , X
pw
2
2
3> t 1
i
3
1+ X
1
t 1
ϕ = 1 ε= i
w>0
2
i=0
X
X
1
X
m
& , i , X
2
pw
1
1
ε=0
m
&
i − i
w
m
& i + m& i = m& i
2
1
→
=
pw 1
w w
pw 2
m
&
i
pw
w
m
&
m
& X + m& = m& X
w
→
= X − X
pw
1
w
pw
2
2
1
m
&
pw
Z porównania równań wynika, Ŝe
i 2 − i
i
1
∆
=
= ε = iw
X 2 − X
X
1
∆
Równanie to określa kierunek procesu dowilŜania, który na wykresie
„ i 1+ X - X leŜy na linii prostej, skierowanej zgodnie z wartością ε = iw wyznaczoną na podziałce kierunkowej.
Przy wtrysku wody ε = iw = cwt, zatem dla wody o t = 0, równieŜ ε = 0, co oznacza, Ŝe kierunek przemiany 1-2 pokrywa się z linią i = idem.
Natomiast wtrysk pary wodnej powoduje, Ŝe współczynnik
kierunkowy przemiany ε = iw > 0, a temperatura powietrza wzrasta zgodnie z przemianą 1-3.
5. Wzajemne oddziaływanie powietrza wilgotnego i wody
Powietrze wilgotne w zetknięciu z powierzchnią wody
W czasie stykania się powietrza wilgotnego ze swobodną
powierzchnią wody moŜe istnieć: albo odparowanie wody do
powietrza, bądź wykraplanie się wody z powietrza, w zaleŜności od
wilgotności i temperatury powietrza oraz temperatury wody, albo
ogrzewanie powietrza lub wody, itp.
tp
h
A
∇
tw
t
tA
i
obszar powietrza
1+ X
VI
niezamglonego
IV
II
ϕ = 1
III
izoterma powietrza
V
tA=idem
zamglonego
A
I
obszar powietrza
zamglonego
X
XA
I – ogrzewanie powietrza, II – ochładzanie powietrza,
III – odparowanie wody, IV – wykraplanie wody,
V – ochładzanie wody, VI – ogrzewanie wody.
Powietrze wilgotne tuŜ przy powierzchni wody jest całkowicie
nasycone parą wodną.
Powietrze wilgotne o takim stanie cieplnym, który odpowiada
przedłuŜeniu izotermy tA leŜącej w obszarze powietrza zamglonego (mgły), podczas przepływu na powierzchnią wody nie powoduje ani
jej oziębiania, ani teŜ ogrzewania. Zatem takie powietrze jest
w równowadze cieplnej z wodą.
Oznacza to, Ŝe powietrze o określonym stanie moŜe ochłodzić
powierzchnię wody najwyŜej do temperatury punktu leŜącego na
przecięciu krzywej ϕ = 1 z przedłuŜeniem izotermy tm z obszaru mgły,
które przechodzi przez punkt określający stan powietrza.
Temperatura tm, do której w najkorzystniejszym przypadku moŜe być
ochłodzona woda, nazywana jest teoretyczną granicą chłodzenia.
Wartość temperatury tm moŜe być zmierzona za pomocą tzw.
termometru mokrego.
Określenie wilgotności (ϕ) z uŜyciem psychrometru Augusta
ϕ
1
ts
tm
i 1+ X
1
ts=idem
ϕ = 1
R
tm=idem
Pw
X
Pw – powietrze wilgotne
X 1
Temperatura tm jest teoretyczną granicą chłodzenia.
Po ustaleniu temperatur, proces nawilŜania powietrza ciekłą wodą jest
realizowany na izotermie powietrza zamglonego. Zatem określenie
wilgotności (ϕ) polega na przedłuŜeniu izotermy tm do przecięcia z izotermą ts i uzyskany w ten sposób punkt 1 określa stan powietrza
o parametrach ϕ1, X 1, t 1 = ts, itd.