Основные параметры влажного воздуха, критерии и нормы тепловлажностного комфорта

Воздух, обрабатываемый в СКВ, всегда находится во влажном состоянии и обычно рассматривается как смесь двух компонентов — сухого воздуха (не содер­жащего молекул увлажняющей жидкости) и водяного пара, массовая доля кото­рого составляет 0,4—4%.

Физические свойства влажного воздуха оцениваются аб­солютной 𝜌_п и относительной φ влажностью, температурами по сухому t_c и мок­рому t_м термометрам, энтальпией i, влагосодержанием d.

В зависимости от решаемых задач содержание влаги в воздушной среде от­носят либо к объемным единицам измерения влажного воздуха, либо к массовым единицам измерения сухого воздуха.

Абсолютной влажностью 𝜌_п (кг/м³) называется масса водяногопара в килограммах, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Численно она равна плотности 𝜌_п водяного пара при парциальном давлении пара р_пдляданной тем­пературы воздуха.

При данной температуре абсолютная влажность может увеличиваться только до определенного предела, выше которого начинает выпадать влага. Говорят, что воздух находится в состоянии насыщения, если он содержит максимальное количество влаги 𝜌"_п. Например, насыщенный воздух при приведенных ниже значениях температу­ры может иметь следующую максимальную абсолютную влажность (г/м³):

Из этих данных видно, что чем ниже температура воздуха, тем мень­шее максимальное количество влаги он способен содержать при насыщении. Температура, соответст­вующая насыщенному состоянию воздуха называется точкой росы t _рос. Дальнейшее понижение температуры насы­щенного воздуха приводит к уменьшению максимальной абсолютной влажность и выпадению влаги в виде ка­пель.

Близость воздуха к состоянию насыщения оценивается относительной влажно­стью φ, измеряемой в долях единицы или про­центах. Она представляет собой отношение абсолютной влажности 𝜌_п воздуха к абсолют­ной влажности насыщенного воздуха 𝜌"_п длятой же температуры:

φ = 𝜌_п/𝜌"_п(6.1)

или с учетом уравнения состояния идеального газа для влажного пара:

P_п = 𝜌_пR_пT,

где R_п — газовая постоянная водяного пара, Дж/(кг-К).

φ = p/p"_п (6.1,а)

При тепловлажностной обработке воздуха масса сухой его части остается постоянной, поэтому для упрощения расчетов процессов, протекающих в СКВ, параметры влажного воз­духа относят к 1 кг сухого воздуха. Влагосодержаниемd (г/кг) влажного воздуха называется масса во­дяного пара, содержащегося в воздухе, сухая часть которого равна 1 кг. Влагосодержание воздуха можно определить так:

d = 0,622 (6.2)

где р — давление воздуха, МПа.

Способность воздуха испарять воду только за счет своей теплоты оценивается температурой по влажному (мокрому) термометру t_M. Она представляет собой показания обычного, сухого, термометра, шарик которого обернут влажным фитилем, питаемым водой. Его показания будут более низки­ми, чем у сухого, что объясняется испарением влаги с фитиля и образованием охлаждающего эффекта. Чем суше воздух, тем выше интенсивность испарения и ниже температура t_м, тем больше разница показаний сухого и мокрого термо­метров. Это свойство используется при оценке относительной влажности окру­жающего воздуха.

Метод определения относительной влажности воздуха по разности темпера­тур сухого и мокрого термометров называется психрометрическим, а приборы, использующие этот метод,— психрометрами. На рис. 6.5 показано устройство психрометра Августа. Сначала психрометром измеряют разность температур су­хого t_с и мокрого t_м термометров, а затем по таблицам для данной температурыи получен­ной разности находят относительную влажность воздуха.

Рис.6.2. Психрометр Августа.

Теплосодержание воздуха оценивается по энтальпии i (кДж/кг).

Энтальпия сухого воздуха (d = 0) притемпературе 0°С принимается равной нулю, поэтому энтальпия влажного воздуха может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Обобщенным показателем, учитывающим влияние температуры t_п, относитель­ной влажности φ_п и скорости ω_п воздуха в помещении, а также средней радиа­ционной температуры ограждающих поверхностей t_R на теплоощущения человека, служит результирующая температура °РТ. Она принята в качествемеры теплового ощущения человека и является одним из основных показателей, по которому ведется эксплуатация СКВ. На рис. 6.6 показана номограмма ре­зультирующей температуры.

Рис. 6.3. Номограмма результирующей температуры.

Шкала II служит для построения скорректированной в зависимости от радиа­ции температуры помещения по сухому термометру, называемой сухой результи­рующей температурой. Шкала IV совместно со шкалой I определяет величину этой коррекции. Кроме того, на шкале IV откладывается (при необходимости) температура воздуха в помещении по мокрому термометру t_м.

И, наконец, совокупные значения шкал II и V показывают величину резуль­тирующей температуры на шкалеIII. Шкала III представляет собой сетку, обра­зованную линиями постоянных скоростей ω_п = const и линиями постоянных резуль­тирующих температур °РТ. Шкала V также выполнена в виде сетки и образова­на вертикальными изотермами t_п и горизонтальными линиями (φ_п = const).

Пусть задана температура воздуха в помещении t_п = 22^сС, его относительная влажность φ_п= 50%, средняя радиационная температура ограждающих поверх­ностей t_R = 26^сС и скорость воздушой среды 0,15м/с. Нужно найти результирующую температуру °РТ.

1. Определяют абсолютную разность между температурой воздуха в помеще­нии и средней радиационной температурой ограждений:

t= |t_п-t_R| = 4° С.

2. Полученное значение ∆t откладывают на шкале IV (точка А).

3. На шкале I откладывают скорость ω_п (точка Б).

4. Точки А и Б соединяют прямой линией. Место пересечения прямой линии со шкалой II (точка В) даст поправку на среднюю радиационную температуру, δt = 2⁰C

5. На шкале II откладывают среднюю результирующую температуру N (точка Г):

N = t ± δt = 24⁰C

Знак + берется при t_R>t_п, знак «—» - при t_R<t_п.

На шкале V определяется вспомогательная точка Д в месте пересечения
заданных φ_п и t_п.

Точки Г и Д соединяют прямой линией. Место пересечения этой прямой с заданной кривой скорости воздушной среды ω_п на шкале III дает искомую ре­зультирующую температуру °РТ (точка Е). Она равна 21,3 °РТ.

Если вместо относительной влажности φ_п известна температура воздуха по мокрому термометру t_M, то точку Д находят следующим образом.

На шкале IV откладывают значение t_м, на шкале II—t_n. Проводя через полученные точки прямую до пересечения ее с известной вертикальной линией (t_п = const) находят точку Д. Далее результирующую температуру °РТ опреде­ляют согласно п. 7.

В условиях эксплуатации t_м может быть определена психрометром, ω_п — тсрмоанемометром. Среднюю радиационную температуру ограж­дений либо измеряют непосредственно с помощью термощупов, либо вычисляют по показаниям сухого t_c и шарового t_штермометров. Последний представляет собой обычный термометр, закопченный резервуар которого вставлен в центр пустотелой сферы диаметром 9—12 см, окрашенной снаружи в матовый черный цвет. Температуру по шаровому термометру измеряют в нескольких местах по­мещения и для расчета берут среднюю. Знание результирующей температуры, полученной по номограмме, позволяет оценить степень соответствия существую­щих тепловлажностных условий требуемым.

Основные требования к устройству судовых помещений, их экс­плуатации в целях создания наиболее благоприятных для здоровья условий труда и отдыха регламентированы рядом документов:

- Санитар­ными правилами для морских судов;

- Санитарными нормами воз­душной среды жилых и общественных помещений морских судов, оборудованных системами кондиционирования воздуха;

-инструк­тивно-методическими указаниями по гигиеническому контролю экс­плуатации систем кондиционирования воздуха на судах.

В табл. 6. 1 приведены значения резуль­тирующей температуры °РТ для поддержания комфортных тепло­влажностных условий и диапазон температуры воздуха в помещении, соответствующий этим значениям результирующей температуры при относительной влажности φ_п = (50± 10) %, разности температуры в помещении и средней радиационной температуры ∆t = I t_n—t_R\ = ±(2 - 4)⁰C, скорости движения воздуха в помещении

ω = 0,15 м/с.

. Таблица 6.1. Нормы микроклимата для судовых жилых и общественных помещений, оборудованных системами кондиционирования воздуха.

Примечание. 1-й район: (тропические районы Тихого, Индийского и Атлантического океанов (от 30° северной до 30° южной широты), а также Персидский и Оманский заливы, Красное море, Аденский и Мексиканский заливы);

2-й район: (субтропические районы Тихого, Индийского и Атлантического океанов (от 30 до 45° северной и от 30 до 45° южной широты), а также южная часть Японского, Желтого и Средиземного морей);

3-й район: (умеренные районы Тихого, Индийского и Атлантического океанов (от 45 до 60° северной и от 45 до 60° южной широты), а также южная часть Берингова и Охотского морей, Балтийское море, северная часть Японского моря, Азовское, Черное и Каспийское моря);

4-й район: (приполярные районы - Гренландское море, Северный морской путь, Карское и Чукотское моря, северная часть Охотского и Берингова морей, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Норвежское, Гренландское и Белое моря, а также районы Тихого и Атлантического океанов (более 60° северной и южной широт));

5-й район: неограниченный.

При выходе параметров микроклимата: температуры воздуха в помещении (табл.6.1.), относительной влажности φ_п = (50± 10) %; разности температуры в помещении и средней радиационной температуры ∆t = I t_n—t_R\ = ±(2 - 4)⁰C; скорости движения воздуха в помещении ω = 0,15 м/с за указанные области, значение результирующей температуры должно определяться по номограмме результирующей температуры ( рис. 6.3.).

В летний период минимальная температура воздуха в помещении принимается при максимальной относительной влажности φ_п = 60% и ∆ t, равной 4°С, максимальная температура воздуха - при минимальной относительной влажности φ_п = 40% и ∆t, равной 2°С. В зимний период минимальная температура воздуха принимается при максимальной относительной влажности φ_п = 60% и ∆ t, равной 2°С, максимальная температура воздуха - при минимальной относительной влажности φ_п = 40% и ∆ t, равной 4°С.

Указанные параметры микроклимата в судовых помещениях должны выдерживаться в течение не менее 70% эксплуатационного времени плавания судна в данных климатических районах.

В помещениях пищеблока нормируются только температура и скорость движения воздуха.

6.4. d, i-диаграмма, процессы изменения состояния воздуха

Связь между основными параметрами влажного воздуха может быть представлена в виде

i = 1,0t + (2500 + 1,89t)d, (6.3)

или

i = (1,0 + 1,89d)t + 2500d. (6.3a)

Рис. 6.7. Диаграмма d,i – влажного воздуха.

В уравнении (6.За) первое слагаемое представляет собой явную теплоту, зависящую в основном от температуры воздуха, а второе (2500d)—скрытую теплоту, определяемую влагосодержанием воз­духа. Уравнение (6.За) заложено в основе построения d, i-диаграммы влажного воздуха. Она позволяет наглядно изображать процессы изменения состоя­ния воздуха (охлаждение, нагревание, осушение, увлажнение, сме­шанные процессы) и легко определять параметры любого его со­стояния. Этим объясняется широкое применение диаграммы при расчете и изображении процессов кондиционирования воздуха.

d,i-диаграмма (рис. 6.7) представляет плоскость, раз­деленную кривой насыщения (φ =100%) на область ненасыщенно­го состояния воздуха (верхняя) и область льда и тумана (нижняя), где воздух содержит влагу в виде жидкой и твердой фаз. Нижнюю часть диаграммы не показывают, так как она не представляет практического интереса. На верхней области d, i-диаграммы нанесе­ны кривые постоянных значений основных параметров воздуха: i = const; d = const; t = const; и др.

Для увеличения наиболее важной, ненасыщенной области влаж­ного воздуха вводят систему косоугольных координат, разворачи­вая по часовой стрелке горизонтальную ось влагосодержания (d ≈ 45°). Соответственно линии изоэнтальпий i = const также располагаются не горизонтально, а под углом 45°, параллельно наклонной оси абсцисс d. Нулевой изоэнтальпе соответствует наклонная прямая с начальным значением t = 0, d=0. Значения же влагосодержания откладывают на вспомогательной горизонталь­ной оси d'. Линии d=const — вертикали.

Изотермы t = const представляют собой прямые с небольшим, возрастающим по мере увеличения температуры, положительным наклоном к горизонтальной оси. Зачастую, помимо изотерм, на схе­му диаграммы наносят линии постоянных температур по мокрому термометру t_М. Они обладают тем свойством, что при t_М>0°С идут практически параллельно изоэнтальпам, а на линии насыщения φ=1 (φ = 100%) пересекаются с изотермами одинаковых значе­ний, т. е. в точках пересечения t = t_м. Это свойство используют для определения температуры воздуха по мокрому термометру, если на диаграмме не нанесены линии t_M = const. Из точки, характеризую­щей состояние воздушной среды, например точки 1 (см. рис. 6.7), спускаются вниз по изоэнтальпе до пересечения с линией насыще­ния φ=100%. Значение изотермы, проходящей через полученную точку 3, даст искомую температуру t_м.

Другой параметр состояния воздуха— точку ро­сы—можно найти в месте пересечения вертикали из точки 1 состо­яния воздуха с кривой насыщения (см. рис, 6.7, точка 4).

В общем случае процесс изменения состояния воздуха протека­ет при меняющихся значениях энтальпии и влагосодержании. Обобщеннойхарактеристикой, показывающей направление протекания процесса обработки воздуха, служит тепловлажностное отноше­ние ε(кДж/кг):

ε = 1000(i₂ – i₁)/(d₂ – d₁) = 1000∆i/∆d (6.4)

Тепловлажностное отношение ε, называемое также угловым ко­эффициентом, часто выносят за рамку d, i-диаграммы в виде кон­цов лучей, исходящих из нулевой точки (d = 0, t=0, i = 0).

Пусть известно начальное состояние воздуха (см. рис. 6.7, точ­ка 1). Тогда, задаваясь одним из конечных его параметров и направлением протекания процесса, т. е. угловым коэффициентом ε, можно построить линию процесса тепловлажностной обработки воздуха. Для этого из точки 1 проводится луч, параллельный ε, до пересечения с линией одного из известных конечных параметров, например t₂=17°С. Точка пересечения (точка 2) с изотермой и есть искомое конечное состояние.

В установках кондиционирования воздуха процессы изменения его состояния происходят в большинстве случаев при практически постоянном давлении (р = 0,1 МПа), для которого и построена рас­смотренная диаграмма. Если значения давления существенно отличаются от атмосферного, расчет и построение процессов конди­ционирования ведется по специальным d, i-диа­граммам.

Любой процесс изменения состояния воздуха в СКВ можно представить в виде нагревания, охлаждения, осушения, увлажнения либо их комбинации и изобразить в d, i-диаграмме.

Рис.6.8. Изображение процессов обработки а) и смешения б) воздуха в d,i – диаграмме.

Под нагреванием воздуха понимают процесс повышения его температуры. Процесс сухого нагревания воздуха (без измене­ния влагосодержания d) осуществляется в поверхностных теплооб­менниках. Воздух, проходя через них, соприкасается с нагреватель­ными поверхностями и воспринимает теплоту. Процесс пойдет по линии d=const, сопровождаясь понижением относительной влаж­ности φ и увеличением энтальпии i и температуры t. На d, i-диа­грамме он -изобразится вертикальной прямой, 'направленной по лучу 1—2 (рис. 6.8,а).

Увлажнение воздуха характеризуется увеличением влагосодержания при введении в него небольших количеств воды или пара в специальных увлажнителях или соприкосновении воздуха с греющей или охлаждающей водой. Процесс увлажнения воздуха паром практически изотермический, характерен для судовых увлажнителей и изображается на d, i-диаграмме лучом 1—3. Увлажнение воздуха паром из котла имеет существенный недостаток: в подаваемом на увлажнение паре могут присутствовать включения от реагентов, вводимых для водообработки котлов и примеси от топлива при протечках змеевиков топливных танков.

Линии процессов, лежащие между лучами 1—-2 и 1—3, характе­ризуют изменение состояния приточного воздуха из системы конди­ционирования, работающей в летнем режиме (режиме охлажде­ния), при его взаимодействии с воздухом помещения. Более хо­лодный и сухой воздух, поступающий из СКВ, смешиваясь с воз­духом охлаждаемого помещения, нагревается и увлажняется. Подобные процессы называются процессами т еп л о в л а го а ссим и л я ц и и (поглощением тепла и влаги).

Процессы, характеризующие адиабатное увлажнение возду­ха водой с температурой t_вод = 0° С, протекают при постоянной энтальпии (i = const) и изображаются лучом 1—4. Область между лучами 1—3 и 1—4 соответствует процессам, в которых рост эн­тальпии и влагосодержания сопровождается понижением темпера­туры воздуха и соответствует увлажнению воздуха водой с различ­ной температурой.

Под охлаждением воздуха понимается процесс понижения температуры. Он происходит в поверхностных или контактных воз­духоохладителях.

Луч 1—5 характеризует процессы охлаждения воздуха без из­менения влагосодержания. Линии, лежащие между лучами 1 — 4 и 1 - 5 показывают изменение состояния приточного воздуха из системы кон­диционирования, работающей в зимнем режиме (в режиме обогре­ва), при его смешивании с воздухом помещения.

Линия 2 — 5 делит все изменения состояния воздуха на процес­сы, протекающие с осушением (левая область) и с увлажнением (правая область). Осушение воздуха характеризуется умень­шением его влагосодержания и протекает при соприкоснове­нии воздуха с твердой поверхностью, имеющей температуру, более низкую, чем точка росы воздуха. Подобные процессы осушения воздуха лежат в основе процессов осушения всех судовых кондиционеров. Осушение может происходить и в специальных установках — адсорберах (с твердым влагопоглотителем) и абсорберах (с жидким влагопоглотителем).

Луч 1—7 характеризует процессы адиабатного осушения, характерные для осушителей с твердым сорбентом (адсорбентом).

Адсорбент- — это вещество с сильно развитой капиллярной структурой. Внут­ренняя площадь поверхности 1 кг подобного вещества (силикагеля, цеолита и др.) может достигать нескольких сотен тысяч квадратных метров. Поглощение влаги адсорбентами происходит из-за более высокого давления воздушной среды по сравнению с давлением над мениском в капилляре адсорбента. В процессе осушения воздуха выделяется теплота адсорбции, нагревающая адсорбент, кото­рый в свою очередь повышает температуру воздуха. В зависимости от началь­ного состояния воздуха нагрев может достигать 40 — 50°С.

Линии, лежащие в области между лучами 1—6 и 1 — 7, характе­ризуют осушение воздуха абсорбентами.

Абсорбенты — это водные растворы солей, обладающие значительно более низким по сравнению с водой парциальным давлением водяных паров над по­верхностью при той же температуре. Подобное явление вызывает интенсив­ную конденсацию паров над поверхностью раствора. Наибольшее распростране­ние в качестве абсорбентов получили водные растворы хлористого кальция CaCl₂ 6H₂O и хлористого лития LiCl. Изменяя концентрацию жидких сорбентов, можно варьировать в широких пределах температуру и влажность воздуха.

И, наконец, процессы, лежащие в области между лучами 1 — 6 и 1—5, характеризуют охлаждение и осушение воздуха в воздухо­охладителях (рис. 6.8,б). Пусть состояние воздуха на входе в возду­хоохладитель характеризуется точкой 1. Если температура поверхности воздухоохладителя выше точки росы воздуха t_рос, окончание изменения состояния воздуха будет характеризо­ваться точкой 2", лежащей на прямой 1 — d₁, выше точки 2'. В слу­чае равенства температуры поверхности воздухоохладителя и точки росы воздуха теоретически предельное конечное состояние воздуха будет характеризоваться точкой 2', лежащей на линии насыщения. Если же температура поверхности охладителя ниже t_рос, воздух будет одновременно охлаждаться и осушаться, направление этого процесса условно изобразится прямой 1 — 2, а конечное состояние воздуха — точкой 2⁰, лежащей на прямой 1 — 2, выше точки 2. В ре­зультате влагосодержание воздуха снизится на d₁—d₂⁰, а уменьше­ние теплоты определится разностью энтальпий i₁— i₂°.

Кроме перечисленных процессов, в СКВ обычно происходит смешение частей воздуха, различных по своему состоянию и массе. Рассмотрим процесс подобного смешения. Пусть точка 1 характе­ризует воздух массой m₁ и энтальпией i₁, а точка 3 — воздух мас­сой m_з и энтальпией i₃ (см. рис. 6.8,б). Тогда точка 4 состояния смеси может быть найдена из уравнений баланса теплоты и влаги:

i₄(m₁ + m₃) = i₁ m₁ + i₃m₃ ; (6.5)
d₄(m₁ + m₃) = d₁m₁ + d₃m₃. (6.6)

Решая совместно уравнения (6.5) и (6.6), находим

m₁/m_з = (i_з — i₄) = (d₃—d₄)l(d₄—d₁). (6-7)

Это выражение определяет уравнение прямой линии, проходя­щей через три точки с координатами (i₁, d₁; i_3, d₃; i₄, d₄). Таким об­разом, точка 4 смеси принадлежит прямой, соединяющей состоя­ния воздуха 1 и 3, а ее положение определяется из правила равен­ства моментов: точка 4 делит отрезок 1 — 3 на части, обратно про­порциональные массам смешиваемых порций воздуха.