Определение параметров влажного воздуха: Описание лабораторной работы по курсу ''Методы экспериментальной физики''

Федеральное агентство по образованию Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского

УДК 537.222 ББК В 333.213я73 О62 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ

О62

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА Описание лабораторной работы по курсу «Методы экспериментальной физики»

Определение параметров влажного воздуха: описание лабораторной работы по курсу «Методы экспериментальной физики» / сост. В.Н. Сергеев. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. – 12 с. Определены содержание, форма, объем и порядок проведения лабораторной работы. Включены необходимые теоретические сведения, даны методические рекомендации, обеспечивающие ее выполнение. Для студентов физического факультета. УДК 537.222 ББК В 333.213я73

© Омский госуниверситет, 2005

Изд-во ОмГУ

Омск 2005

mп p п µ п . (4) = mв pв µ в Воспользуемся законом Дальтона для смеси идеальных газов:

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

d=

Цель работы: изучить основные характеристики влажного воздуха, способы их экспериментального определения и расчета аналитическими методами и с использованием i-d диаграммы. Принадлежности: психрометр, психрометрическая таблица, таблица свойств насыщенного водяного пара (по температурам), i-d диаграмма.

Общие теоретические сведения Параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха, являются: а) Влагосодержание d – масса водяных паров (кг), приходящихся на 1 кг сухого воздуха:

d=

mп . mв

(1)

Единица измерения влагосодержания кг пара . Величину вла-

кг воздуха

госодержания можно определить из уравнения состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона). Запишем это уравнение отдельно для сухого воздуха и для водяного пара:

p вV = p пV =

mв

µв mп

µп

RT ,

(2)

RT .

(3)

Здесь индексом в помечены параметры, относящиеся к сухому воздуху, а индексом п – величины, характеризующие водяной пар. Объем и температура влажного воздуха общие для обеих компонент смеси, поэтому они не индексированы. Разделив выражение (3) на (2), получим формулу для влагосодержания: 3

B = pв + pп ,

(5)

где B – давление смеси, равное атмосферному (барометрическому) давлению В ≈ 105 Па; pв – парциальное давление сухого воздуха в смеси; pп – парциальное давление паров воды. Тогда, с учетом того, что молярные массы сухого воздуха и паров воды, соответственно, равны µв = 0,029 кг/моль; µп = 0,018 кг/моль, получим расчетную формулу для влагосодержания:

d = 0,622

pп . B − pп

(6)

б) Абсолютная влажность – масса водяных паров (кг), содержащихся в 1 м3 влажного воздуха. По своей размерности ( кг ) абсо-

м3

лютная влажность представляет собой плотность водяных паров в воздухе. Поэтому обозначается той же буквой, что и плотность вещества ρ. Абсолютная влажность не может превосходить по величине некоторого максимально возможного значения, которое имеет влажность воздуха в состоянии насыщения ρ н. в) Относительная влажность ϕ – отношение абсолютной влажности воздуха к абсолютной влажности воздуха в состоянии насыщения при данной температуре ϕ = ρ . Относительная влажность

ρн

является величиной безразмерной ϕ < 1. Часто относительную влажность выражают в процентах. Относительная влажность может также определяться по отношению парциальных давлений паров во влажном воздухе pп и в состоянии насыщения pнас. p (7) ϕ= п . p нас. Давление насыщенного пара зависит от температуры и определяется по таблице насыщенного пара (табл. 2, с. 9). г) Энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха, равна сумме энтальпий водяных паров и сухого воздуха: 4

i = ic.в. + i’’d, где i’’ – энтальпия водяных паров при температуре воздуха. Энтальпию водяных паров обычно находят с помощью эмпирических соотношений. С учетом этого эмпирическая формула для энтальпии влажного воздуха выглядит следующим образом: (8) i = cpt + (2500 + 1,974t)d, кДж/кг сухого воздуха. Здесь сp – удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении при температуре t 0С в кДж/кг град. При комнатной температуре можно принять ср = 1 кДж/кг град.

Устройство и принцип действия психрометра Устройство психрометра показано на рис. 1. (с. 6) Психрометр состоит из двух жидкостных термометров, один из которых измеряет температуру сухого воздуха, а чувствительный элемент второго покрыт увлажненной тканью. Психрометр снабжен вентилятором, который обдувает воздухом чувствительные элементы термометров. Вентилятор приводится во вращение с помощью пружины часового механизма. При работе с психрометром необходимо смочить водой ткань, покрывающую «мокрый» термометр – 1, завести часовой механизм (вентилятор при этом начинает вращаться и обдувать воздухом чувствительные элементы термометров). Сухой термометр – 2 – покажет температуру окружающего воздуха (tc), а «мокрый» – более низкую температуру (tм), так как испарение влаги с поверхности ткани, покрывающей чувствительный элемент термометра, будет приводить к его охлаждению. Для определения относительной влажности по показаниям сухого и «мокрого» термометров используется психрометрическая таблица (табл. 1, с. 8), в которой по вертикали приведены значения температур «мокрого» термометра, а по горизонтали – разность показаний сухого и «мокрого» термометров. Величину относительной влажности φ находят на пересечении строки, соответствующей температуре «мокрого» термометра, и столбца, соответствующего разности температур.

5

tc

tм

2

1

Рис. 1. Устройство психрометра: 1 – «мокрый» термометр; 2 – сухой термометр

i-d диаграмма Характеристики влажного воздуха можно рассчитывать по формулам, приведенным выше, либо определять с использованием i-d диаграммы (рис. 2). Поясним с помощью i-d диаграммы процесс сушки материала. Начальное состояние воздуха отмечено точкой 1, получающейся на пересечении изотермы t1 и линии относительной влажности ϕ1. Этому состоянию соответствует влагосодержание d1 и энтальпия i1. Затем воздух нагревается в калорифере до температуры t2. Влагосодержа6

ние при этом не изменяется, а энтальпия увеличивается до значения i2. Энергозатраты на нагрев 1 кг воздуха составят:

Порядок выполнения работы

q = i2 – i1.

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия психрометра (рис. 1). 2. Измерить относительную влажность воздуха с помощью психрометра. 3. Определить с помощью i-d диаграммы влагосодержание d и энтальпию i. 4. Провести графический (с помощью i-d диаграммы) и аналитический расчеты процесса нагрева 1 кг воздуха до 100 0С и последующий расчет адиабатного процесса испарения воды в воздух, при котором температура воздуха снижается до 70 0С. 5. Определить затраты тепла в расчете на 1 кг воздуха и количество влаги, поглощаемой 1 кг воздуха в процессе адиабатного испарения воды. Вычислив необходимый расход воздуха для испарения 10 кг воды и тепла на нагрев всего этого воздуха до 100 0С. 5. Сравнить результаты графического и аналитического расчетов.

i i2

(9)

t2 2

φ3 t3

3

φ1

i1

t1 1

d1

d3 d Рис. 2. i-d диаграмма влажного воздуха: 1 – начальное состояние воздуха; 2 – состояние воздуха на входе в сушильную камеру; 3 – состояние воздуха на выходе из сушильной камеры

Процесс сушки протекает при постоянной энтальпии (линия 2 – 3). В процессе сушки влага из материала переходит в воздух, и его влагосодержание увеличивается до значения d3. Разность влагосодержаний (d3 – d1) показывает количество влаги, перешедшей в 1 кг воздуха в процессе сушки. Для испарения 1 кг влаги из просушиваемого материала требуется количество воздуха, равное: 1 . (10) g= d 3 − d1

7

Таблица 1 Психрометрическая таблица tм 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Разность показаний сухого и «мокрого» термометров 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 79 69 60 51 43 35 80 70 61 53 45 38 31 81 72 63 55 48 41 35 28 81 73 65 57 50 43 37 31 82 74 66 59 52 46 40 34 29 83 75 68 61 54 48 42 37 32 27 84 76 69 63 56 50 45 39 34 29 84 77 70 64 58 52 47 40 37 32 28 85 78 72 65 60 54 49 44 39 35 30 79 73 67 61 56 51 46 41 37 33 29 80 74 68 63 57 53 48 43 39 35 32 28 81 75 69 64 59 54 50 45 41 37 34 30 81 76 70 65 60 56 51 47 43 40 36 33 29 82 76 71 66 62 57 53 49 45 41 38 35 32 29 83 77 72 67 63 59 54 51 47 43 40 37 34 31 83 78 73 68 64 60 56 52 48 45 42 38 35 33

8

Окончание табл. 1 tм 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

1

Разность показаний сухого и «мокрого» термометров 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 84 79 74 69 65 61 57 53 50 46 43 40 37 84 79 75 70 66 62 58 55 51 48 45 42 39 85 80 76 71 67 63 59 56 53 49 46 43 41 85 81 76 71 68 64 61 57 54 51 48 45 42 81 77 72 69 65 62 58 55 52 49 46 44 82 78 73 70 66 63 59 56 53 50 47 45 82 78 74 71 67 64 60 57 55 52 49 46 83 79 74 71 68 65 61 58 56 53 50 48 83 79 75 72 69 65 62 59 57 54 51 49 83 80 76 73 70 66 63 60 58 55 52 50 84 80 76 73 70 67 64 61 58 56 53 51 84 81 77 74 71 68 65 62 59 57 54 52 85 81 77 74 71 68 65 63 60 58 55 53 85 81 78 75 72 69 66 64 61 58 56 54 85 82 78 76 72 70 67 64 62 59 57 55 82 79 76 73 70 68 65 62 60 58 55 83 79 76 73 71 68 66 63 61 58 56 83 79 77 74 71 69 66 64 61 59 83 80 77 74 72 69 67 64 84 80 78 75 72 70

8 35 36 38 40 41 42 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

Контрольные вопросы 1. Как определяется давление насыщенного пара? 2. Как с помощью i-d диаграммы определить точку росы? 3. Чем объясняется различие результатов аналитического и графического расчетов характеристик влажного воздуха? 4. Чем характеризуется процесс сушки влажного материала?

Список рекомендуемой литературы 1. Теплотехника / А.П. Баскаков и др. М., 1991. 2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980. 3. Теплотехника / А.В. Щукин и др. М.: Теплотехника, 1973.

Таблица 2 Зависимость давления насыщенного пара от температуры t, 0С 0 5 10 15 20 25 30 35

p · 105 Па 0,006108 0,008718 0,012271 0,01704 0,02337 0,03167 0,04241 0,05622

t, 0С 40 45 50 55 60 65 70 80

9

p · 105 Па 0,07375 0,09582 0,12335 0,15741 0,1992 0,2501 0,3116 0,4736

10

Учебное издание

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА Описание лабораторной работы по курсу «Методы экспериментальной физики»

Составитель Сергеев Владимир Николаевич

Технический редактор Е.В. Лозовая Редактор Е.В. Коськина Подписано в печать 18.04.05. Формат бумаги 60х84 1/16 Печ. л. 0,75. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 50 экз. Заказ 150. Издательство ОмГУ 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет