Термодинамика влажного воздуха, свойства сухого воздуха
Окружающий нас атмосферный воздух представляет собой смесь сухой части, состав которой стабилен по высоте и постоянен для любой точки земного шара (таблица 1.1), и водяного пара, количество которого переменно. Таким образом, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха приходится иметь дело с влажным воздухом, или воздушно-паровой смесью.
Состав сухой части атмосферного воздуха
|
Наименование |
Химическое |
% |
Молекулярный |
|
элемента |
обозначение |
по объему |
вес |
|
Азот |
N2 |
78,08 |
28 |
|
Кислород |
о2 |
20,95 |
32 |
|
Аргон |
Аг |
0,93 |
40 |
|
Углекислый газ |
со2 |
0,03 |
48 |
|
Водород |
н2 |
0,00005 |
2 |
|
Гелий |
Не |
0,0005 |
4 |
|
Неон |
Ne |
0,0018 |
20 |
|
Озон |
Оз |
1-Ю"6 |
48 |
|
Криптон |
Кг |
0,0001 |
84 |
|
Ксенон |
Хе |
0,000008 |
131 |
|
Радон |
Rn |
61018 |
222 |
Молекулярный вес сухой части воздуха равен 28,98. Температура кипения жидкого воздуха -192 °С (81°К).
В расчетах по вентиляции и кондиционированию воздуха влажный воздух с достаточной точностью считают идеальным газом и распространяют на него соответствующие физические законы, справедливые для смеси идеальных газов. Каждый газ (в том числе и водяной пар) занимает тот же объем, что и вся смесь, имеет одинаковую с ней температуру и находится под своим парциальным давлением.
Согласно закону Дальтона сумма парциальных давлений всех газов, составляющих смесь, равна полному (барометрическому) давлению смеси В:
В дальнейшем нас не будут интересовать парциальные давления отдельных газов, входящих в сухую часть смеси, поэтому полное давление смеси представим так:
где Рп. - парциальное давление всей сухой части воздуха (индекс «гс» означает «газ сухой»);
Ри - парциальное давление водяного пара.
Барометрическое давление изменяется по высоте h в соответствии с зависимостью
Величины давлений измеряются в н/м2 (система СИ), мм рт. ст., кГ/м2 (мм вод. ст.). Переход от одной системы измерений к другой может быть произведен с помощью специальной таблицы (смотрите приложение 1.1).
Плотность ргс и объемный вес ук сухого воздуха представляют собой отношение массы или веса воздуха к объему. Между плотностью и объемным весом существует известное соотношение
где g - ускорение свободного падения (g = 9,81 м/сек2).
Нетрудно видеть, что размерность плотности в системе единиц СИ - кг/м3, а размерность объемного веса в МКГСС - кГ/м3. При температуре О °С и барометрическом давление В = 760 мм рт. ст. Yrc= 1,293 кГ/м3\ ргс= 1,293 кг/м3. Для сухой части воздуха уравнение состояния может быть записано в одном из следующих видов:
где Gr - вес сухой части воздуха;
vK = 1/угс - удельный объем сухой части воздуха;
Rn. - газовая постоянная сухой части воздуха.
Размерность газовой постоянной в системе СИ - дж/кг ¦ град и тогда Rrc = 287,14 дж/кг ¦ град, в системе МКГСС - м/град и тогда Rn = 29,27 м/град.
Очень часто приходится иметь дело с процессами, при которых Рк остается постоянным, в этом случае
где 1 /273 = а - коэффициент объемного расширения газа. Можно найти зависимость плотности или объемного веса от температуры. В самом деле, поскольку формула (1.9) может быть написана в виде
получаем
_ Угсо = 2737гео гс' 1 + at 273 + t '
Подставляя вместо угс его значение (1,293), находим удобную для практического использования зависимость
Удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении зависит от температуры. Однако если температура изменяется в сравнительно узком интервале, то можно, не допуская большой погрешности, считать crc = const. Для процессов, происходящих в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, пределы изменения температуры не превышают -50 * +50 °С. В этом интервале сгс = 0,24 ккал/Гк ¦ град (МКГСС) или с,с = 1,005 кдж/кг ¦ град (СИ).
Энтальпию, или теплосодержание сухого воздуха, ire будем отсчитывать от 0 °С, тогда
