Процессы изменения тепловлажностного состояния воздуха

При нагревании (процесс А-В на рис. 3, а) или охлаждении (процесс А-С на рис. 3, а) воздуха без добавления или удаления из него водяных паров происходит только изменение температуры воздуха без изменения его влагосодержания. Если влажный воздух охлаждается ниже точки росы, процесс сопровождается выпадением конденсата на твердых поверхностях и охлаждение воздуха приводит к его осушке (процесс А-D на рис. 3, а).

При тепловлажностной обработке воздуха происходит переход из состояния 1 с начальными параметрами I₁ и d₁ в состояние 2 с параметрами I₂ и d₂ (рис. 3, б). Изменения количества теплоты и влаги в процессе обработки определяются по уравнениям:

Q = G (I₂ – I₁), (17)

W = G (d₂ –d₁), (18)

где Q − теплота процесса, кДж/кг; G − массовый расход воздуха, кг/с; I₁, I₂ − энтальпия соответственно начального и конечного состояний воздуха, кДж/кг; W − количество влаги, кг/с; d₁, d₂ − влагосодержание соответственно начального и конечного состояний воздуха, кг/кг.

Полное количество добавляемой или удаляемой теплоты Q равно сумме явной Q_явн и скрытой Q_скр теплоты и определяется по формуле:

Q = Q_явн + Q_скр. (19)

Явной (сухой) называют теплоту переданную (или отнятую) воздуху без добавления или удаления из него водяных паров. В этом процессе изменяется только температура воздуха, влагосодержание не изменяется. Добавление в воздух влаги (увлажнение) или удаление ее из воздуха (осушение) в количестве W (кг/с) приводит к добавлению или удалению скрытой теплоты. Скрытой эту теплоту называют потому, что она как бы запасена в водяном паре и выделяется в воздух при конденсации водяных паров или затрачивается при испарении воды.

При обработке воздуха параметры, характеризующие конечное состояние воздуха, определяют из уравнений (17) и (18). Энтальпию и влагосодержание в конце обработки находят по формулам:

, (20)

. (21)

где i_w − энтальпия пара или воды, кДж/кг.

Разделив уравнение (20) на (21), получим:

. (22)

Уравнение (22) является общим уравнением перехода воздуха из одного состояния в другое. При I₁ = 0, d₁ = 0 оно является уравнением пучка прямых, выходящих из начала координат. Обозначая отношение (I₂ – I₁)/(d₂ – d₁) = ε, получаем:

. (23)

ε называется тепловлажностным отношением или лучом процесса (кДж/кг) и характеризует количество теплоты, подведенной (отведенной) к 1 кг воздуха и приходящейся на 1 кг подведенной (отведенной) влаги. С геометрической точки зрения ε характеризует угол наклона линии процесса изменения состояния. Характер изменения состояния воздуха определяется численным значением и знаком тепловлажностного коэффициента и позволяет количественно оценить процессы изменения состояния воздуха в кондиционируемых помещениях. Значения ε изменяются от – ∞ до + ∞ и нанесены на полях I-d диаграммы. При проведении линии через точку О (начало координат) и конец луча процесса, указанного на полях диаграммы, получают луч с заданным коэффициентом ε (рис. 4). Для различных процессов с одинаковым значением ε одинаковы и угловые коэффициенты, т.е. лучи, характеризующие эти изменения состояний, будут параллельны друг другу, поэтому полученную линию переносят в заданную точку (точка В на рис. 4) методом параллельного переноса.

В зависимости от знака изменения ΔI и Δd область возможных процессов изменения состояния можно разделить на четыре сектора (рис. 5), которые разделяются основными линиями I-d диаграммы: энтальпией и влагосодержанием. В секторе I располагаются процессы нагревания с увлажнением, во II секторе − процессы охлаждения с увлажнением; в III секторе – процессы охлаждения с осушением, в IV секторе – процессы нагревания с осушением (подвод теплоты и отвод влаги).

Рассмотрим различные процессы изменения состояния воздуха при подводе и отводе от него теплоты и влаги.

1. Нагревание воздуха без подвода и отвода влаги. Влагосодержание воздуха не изменяется (Δd = 0). Нагревание при постоянном влагосодержании осуществляется, например, в поверхностных воздухонагревателях. При нагревании воздуха увеличиваются его температура и энтальпия, понижается относительная влажность. Процесс нагревания воздуха изображается прямой, направленной по линии d = const вверх (линия 1-2). Величина тепловлажностного коэффициента ε = + ∞.

2. Процесс увлажнения воздуха подачей водяного пара. Значение ε определяется по формуле:

(24)

где r − теплота парообразования, кДж/кг; с_п − теплоемкость пара, кДж/(кг·К).

Направление линии процесса зависит от параметров поступающего в воздух пара. Если, например, t = 100 ºC , то ε = 2500 + 1,86·100 = 2686 кДж/кг. Линия (1-3) процесса направлена практически по изотерме.

3. Процесс адиабатного увлажнения воздуха. Влажный воздух поглощает влагу (d₄ > d₁) при неизменной энтальпии I₄ = I₁. Луч процесса ε = 0 направлен по линии I = const (линия 1-4). Адиабатное увлажнение широко применяется в системах кондиционирования, в частности, в оросительной камере, где с помощью форсунок производится распыление воды. Температура испаряемой воды постепенно устанавливается равной температуре воздуха по мокрому термометру t_м. Воздух, находясь в контакте с водой, имеющей температуру t_м, теряет явную теплоту, которая затрачивается на испарение воды. В то же время воздух получает такое же количество скрытой теплоты с водяными парами. Практически в камере орошения удается увлажнить воздух до φ = 90…95%.

4. Процесс отвода теплоты от влажного воздуха при неизменном влагосодержании (d₁ = d₅). Процесс, как и в первом случае, будет характеризоваться лучом, параллельным линии d = const, но он направлен от точки 1 вниз (линия 1-5). Значение тепловлажностного коэффициента ε = – ∞. Охлаждение воздуха при d = const может быть осуществлено в воздухоохладителях.

5. Процесс одновременного осушения и охлаждения воздуха. Приращение энтальпии (ΔI) и приращение влагосодержания (Δd) имеют отрицательные знаки, значение ε > 0. Процессы находятся в секторе III. Изотермический процесс (линия 1-6) может быть реализован при применении жидких сорбентов, если отводить теплоту сорбции.

6. Процесс осушения воздуха при I = const (линия 1-7). При этом ε = 0. Процесс можно осуществить с помощью абсорбентов (жидких сорбентов), например концентрированных растворов солей хлористого кальция и др., а также с помощью адсорбентов (твердых сорбентов), например, силикагеля.

Все процессы, кроме адиабатного, называют политропными.