Лабораторная работа № 21

Исследование параметров влажного воздуха
в процессах сушки

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками влажного воздуха и Hd-диаграммой; освоить методику экспериментального исследования процесса нагревания влажного воздуха и сушки материалов.

Задание

1. Исследовать процессы нагревания влажного воздуха и сушки материалов (мокрые фарфоровые бусинки – кольца Рашига) нагретым воздухом:

а. Измерить параметры влажного воздуха на входе воздуха в установку и на выходе из нее;

б. Рассчитать тепловой поток, полученный воздухом в электронагревателе Q, Вт (1 Вт = 1 Дж/с);

в. Рассчитать массу влаги М_п, г влаги/ч, получаемую нагретым воздухом от высушиваемого материала за единицу времени;

2. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать: задание, основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, результаты измерений (в виде таблиц и расчетов). Представить процессы нагревания и сушки в Hd-диаграмме.

Основы теории

Влажным воздухом называют смесь сухого воздуха с водяным паром. В качестве рабочего тела влажный воздух используется в сушилках, компрессорах и т.п.

Процессы во влажном воздухе часто протекают при давлениях, близких к атмосферному, когда свойства сухого воздуха и водяного пара близки к свойствам идеального газа. Поэтому далее будет рассматриваться влажный воздух при атмосферном давлении и температуре не выше 100 ^оС. Такой воздух можно рассматривать как смесь идеальных газов, однако с существенной особенностью, что водяной пар во влажном воздухе при определенных условиях может конденсироваться, т.е. вести себя как истинно реальный газ.

Согласно закону Дальтона, каждый газ, входящий в смесь, находится под своим парциальным давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси:

(1)

тогда при

, (2)

где р_см - давление влажного воздуха; р_св - парциальное давление сухого воздуха; р_п - парциальное давление водяного пара; В – атмосферное давление.

Чем больше водяного пара содержится во влажном воздухе, тем больше его парциальное давление. Однако р_п во влажном воздухе не может быть выше давления насыщения р_наспри данной температуре влажного воздуха, т.е. р_п £ р_нас.

Влажный воздух, в котором р_п < р_нас, называется ненасыщенным, а влажный воздух, в котором р_п равно р_нас – насыщенным.

Рис.1. pv- диаграмма водяного пара

Рассмотрим pv-диаграмму водяного пара (рис. 1). В точке 1 водяной пар, содержащийся в ненасыщенном влажном воздухе, находится в перегретом состоянии. Если понижать температуру этого воздуха, сохраняя его давление постоянным, то можно достигнуть состояния насыщения, точка 2. При этом перегретый водяной пар, имеющий начальную температуру

t₁ = t_см, охладится до температуры t₂ = t_нас, при которой парциальное давление пара станет равным давлению насыщения.

При дальнейшем охлаждении насыщенного влажного воздуха водяной пар начнет конденсироваться, образуется туман и выпадет роса. Таким образом, водяной пар во влажном воздухе может находиться в трех различных состояниях: в точке 1 – перегретый пар; в точке 2 - сухой насыщенный пар; в точке 3 – влажный насыщенный пар.

Температура t₂, при которой парциальное давление водяного пара становится равным давлению насыщения, называется температурой точки росы, t_росы. Учитывать температуру точки росы t_росы важно при проведении процессов с влажном воздухом или другими влажными газами, например, продуктами горения. Высокая влажность после начала конденсации водяных паров создает благоприятные условия для интенсивной коррозии материалов, из которых изготовлены каналы, камеры или установки, и ускоряет их разрушение.

Рассмотрим некоторые характеристики влажного воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Численно она равна плотности водяного пара при своем парциальном давлении и температуре смеси:

, кг/м³, (3)

где m_п – масса водяного пара во влажном воздухе, кг;

V_см – объем влажного воздуха, м³.

Относительной влажностью воздуха φ называется отношение абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при р_п = р_нас:

. (4)

Поскольку для идеальных газов плотности компонентов смеси пропорциональны своим парциальным давлениям, то

. (5)

Таким образом, для ненасыщенного (р_п < р_нас) влажного воздуха , для насыщенного (р_п = р_нас) относительная влажность становится максимальной, .

Влагосодержанием воздуха называется отношение массы водяного пара m_п во влажном воздухе к массе сухого воздуха m_в:

, г влаги/кг сух. возд. (6)

Величину влагосодержания можно выразить через парциальные давления водяного пара и сухого воздуха (В - р_п):

,г влаги/кг сух. возд. (7)

Плотность влажного воздуха можно определить так же, как и плотность смеси газов из уравнения Клапейрона-Менделеева:

, кг/м³, (8)

где v_см– удельный объем влажного воздуха;

m_см– молекулярная масса влажного воздуха, кг/кмоль;

mR–универсальная газовая постоянная,

mR= 8314 Дж/(кмольК).

Энтальпия влажного воздуха Н определяется как сумма энтальпий 1 кг сухого воздуха h_св и d кг водяного пара h_n. Для удобства ее относят к 1 кг сухого воздуха:

, кДж/кг сух. возд. (9)

Определение относительной влажности
по психрометру

Относительная влажность наиболее точно определяется с помощью психрометра, состоящего из двух термометров, чувствительный элемент одного из которых обернут тканью, постоянно смачиваемой водой. Испарение воды с поверхности ткани происходит за счет внутренней энергии воды и чувствительного элемента «мокрого» термометра, температура которого поэтому понижается. В результате тепло- и массообмена окружающего воздуха с влажной тканью устанавливается тепловое равновесие, которому соответствует температура, показываемая «мокрым» термометром t_м. Она будет меньше температуры «сухого» термометра t, показывающего действительную температуру влажного воздуха.

Интенсивность испарения, а следовательно, и снижение температуры «мокрого» термометра t_м по сравнению с температурой воздуха, показываемой «сухим» термометром, т.е. t - t_м, тем больше, чем дальше состояние водяных паров во влажном воздухе от состояния насыщения.

По психрометрическим таблицам (Приложение), зная t_м и психрометрическую разность температур t - t_м, на пересечении строки t_м и столбца t - t_м можно определить относительную влажность воздуха .

Hd-диаграмма влажного воздуха

Параметры влажного воздуха обычно определяют графическим путем с помощью Hd-диаграммы (рис. 2). Особенностью этой диаграммы является расположение оси абсцисс под углом 135° к оси ординат. Точки с оси абсцисс спроецированы на горизонтальную (условную) ось.

Кривая является пограничной, соответствующей состояниям насыщенного влажного воздуха. Область над этой кривой соответствует состояниям ненасыщенного влажного воз-

духа, область под кривой является областью насыщенного влажного воздуха, появления росы, «тумана».

По Hd-диаграмме можно определить температуру точки росы, если т. 1 вертикально (охлаждение) спроецировать на кривую . Изотерма, которая пройдет через эту точку пересечения, соответствует температуре t_росы.

Для определения парциального давления водяного пара р_ппо заданному влагосодержанию под кривой построена линия . Значения р_п указаны на правой ординате диаграммы в мм рт.ст.

Процесс нагревания влажного воздуха. Пусть влажный воздух в состоянии т. 1 с начальной температурой t₁ и относительной влажностью нагревается в калорифере (электронагревателе) до t₂. На Hd-диаграмме этот процесс изображается прямой 1-2 (см. рис. 2), через точки 1 и 2 которой проходят изотермы соответственно t₁ и t₂. Процесс нагревания влажного воздуха осуществляется при , т.к. в процессе нагревания содержание влаги во влажном воздухе не меняется.

По изменению энтальпии нагреваемого воздуха Н₂ - Н₁ можно по уравнению Первого закона термодинамики определить количество подведенной теплоты (при ):

, кДж/час. (10)

Процесс сушки.Если пренебречь тепловыми потерями, то можно считать, что процесс сушки материалов нагретым воздухом в сушильной камер происходит при . На Hd-диаграмме такой процесс изображается прямой 2-3΄ (см. рис. 2). Постоянство энтальпии влажного воздуха объясняется тем, что тепло, необходимое для испарения влаги, берется из потока воздуха и возвращается в него вместе с испарившейся влагой.

В сушилке, работающей с потерями тепла в окружающую среду, процесс сушки будет происходить не по кривой 2-3΄ (при ), а по кривой 2-3. Положение точки 3 определяется по измеренным в опыте t₃ и . По изменению влагосодержания воздуха до и после сушильной камеры d₁ и d₃ можно рассчитать массу влаги, отведенной от высушиваемого материала нагретым воздухом:

, г влаги/час. (11)

Проведение опытов

1. Включить установку (рис. 3).

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

1 – вентилятор, 2 – ротаметр, 3 - электронагреватель, 4 – сушильная камера, 5, 6 –психрометры.

В учебной лабораторной установке роль высушиваемого материала играют фарфоровые бусинки и смоченные стенки сушильной камеры. Для повышения интенсивности сушки воздух, подаваемый в сушильную камеру, предварительно нагревается. Испарение влаги в сушильной камере осуществляется за счет теплоты, отдаваемой нагретым воздухом.

2. Замерить и занести в таблицу 1 показания психрометра 5, установленного на входе в установку.

3. По показаниям ротаметра 2 с помощью градуировочного графика по значению П определить расход воздуха , м³/ч.

4. По достижении температуры воздуха t₂» 40-50°С на выходе из электронагревателя 3 записать показания психрометра 6, установленного на выходе воздуха из сушильной камеры 4.

Таблица 1

П	, м³/ч	t₁, °C	t₁_м, °С	t₂, °С	t₃, °С	t₃_м, °С	В, мм рт.ст.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒