I-х діаграма вологого повітря

 

Основні властивості вологого повітря можна з достатньої для технічних розрахунків точністю визначати за допомогою I-х діаграми, уперше розробленої Л.К. Рамзіним.

Діаграма I-х побудована для постійного тиску Р = 745 мм рт.ст. (»99кН/м²), що по багаторічним статистичним даним, можна вважати середньорічним для центральних районів Європейської частини.

Діаграма має кут 135° між осями координат, причому на осі ординат відкладені у визначеному масштабі ентальпії I, а на похилій осі абсцис – вологовміст x, для зручності користування діаграмою, спроектовані на допоміжну вісь, перпендикулярну осі ординат.

На діаграмі нанесені:

1) лінії постійного вологовмісту (x = const) – вертикальні, прямі, паралельні осі ординат;

2) лінії постійної ентальпії (I = const) – прямі паралельні осі абсцис, тобто йдуть під кутом 135° до горизонту;

3) лінії постійних температур, чи ізотерми (t = const);

4) лінії постійної відносної вологості (φ = const)

5) лінія парціальних тисків водяної пари Р_п у вологому повітрі, значення яких відкладені в масштабі на правій осі ординат діаграми.

Лінії постійних температур (ізотерми), що виражають залежність I від х при t = const, будуються за допомогою рівняння:

 Дж/кг.           (89)

Задаються при даній температурі t₁ = const двома довільними значеннями х₁ і х_2, далі обчислюють по рівнянню відповідне кожному x значення I. Отримані точки (х_1, I₁) і (х₂, I₂) наносять на діаграму і проводять через них пряму, що є ізотермою t₁ = const. Нахил ізотерми трохи збільшується зі зростанням температури, тому що теплоємність водяної пари С_п, а отже, й i_п при цьому зростає.

Лінії постійної відносної вологості побудовані за допомогою рівняння, що виражає залежність між x і P_н при φ = const:

.                            (90)

Лінії φ = const утворюють пучок розбіжних кривих, що виходять з однієї точки (не показаної на діаграмі) з координатами t = -273°C і х = 0. Для того, щоб лінії φ = const не підходили дуже близько одна до одної, що затруднило б користування діаграмою I-х, остання побудована в косокутній системі координат.

При температурах t ³ 99,4°С величина φ не залежить від температури і практично є величиною постійної, так само як і вологовміст повітря x. Тому при t = 99,4°С лінії φ = const мають різкий перелом і йдуть майже вертикально.

                                                              

Рисунок 3.1. Діаграма I-x для вологого повітря

 

Лінія φ = 100% відповідає насиченню повітря водяною парою при даній температурі. Ця лінія обмежує знизу розташовану над нею робочу площу діаграми, що відповідає ненасиченому вологому повітрю, використовуваному як сушильний агент.

Площа діаграми, розташована під лінією φ = 100%, відноситься до повітря, пересиченого водяною парою, і для розрахунків сушарок інтересу не представляє.

Лінія парціального тиску водяної пари будується по рівнянню:

.                                      (91)

На діаграмі I-x по будь-яким двом відомим параметрам вологого повітря можна знайти крапку, що характеризує стан повітря, і визначити всі його інші параметри.

При нагріванні вологого повітря в спеціальних теплообмінниках (калориферах) - його відносна вологість φ зменшується, а вологовміст x залишається постійним. Тому на діаграмі I-x процес нагрівання повітря зображують відрізком АВ, проводячи з точки, що відповідає початковому стану повітря (t₀, x₀), вертикальну лінію х = const нагору до перетинання з ізотермою, що відповідає температурі нагрівання повітря t₁ (Рис. 3.1.).

Процес охолодження повітря (що має початкову температуру t₁) при постійному вологовмісті до його насичення зображується вертикально проведеною прямою з крапки В (що характеризує початковий стан охолоджуваного повітря) униз до перетинання з лінією φ = 100% (відрізок ВС Рис.) точка перетинання ліній х = const і φ = 100% (т. С) характеризує стан повітря в результаті його охолодження при х = const і називається точкою роси. Ізотерма, що проходить через цю точку, визначає температуру точки роси t_р. Подальше охолодження повітря нижче температури точки роси (наприклад до t = t_п) приводить до конденсації з нього частини вологи і відповідно - до зменшення його вологовмісту від х₀ до х_п. На діаграмі процес охолодження насиченого повітря збігається з лінією φ = 100% (крива СЕ), (Рис. 3.2).

При адіабатичному сушінні волога з матеріалу буде випаровуватися тільки за рахунок тепла, переданого матеріалу повітрям. При цьому, якщо температура матеріалу, що висушується, (а отже, і вологи, що міститься в ньому,) не змінюється і дорівнює 0°С, то ентальпія повітря після сушіння I₂ буде дорівнює його ентальпії перед сушінням I₁, тому що все тепло, віддане повітрям на випар вологи, повертається назад у повітря з парами, що віддаляються з матеріалу. Одночасно знижується температура, збільшується вологовміст і відносна вологість повітря. Такий процес має назву теоретичного процесу сушіння (I₂ = I₁ = I = const).

Для сушильної практики велике значення має адіабатичний процес випару з вільної поверхні рідини, подібний із процесом випару з поверхні вологого матеріалу в початковий період сушіння.

Після досягнення рівноваги між вологим повітрям і вологою, що випаровується, температура останньої прийме постійне значення, рівне температурі мокрого термометра t_м. Сталу температуру мокрого термометра, що прийме повітря наприкінці процесу насичення, називають температурою адіабатичного насичення. Якщо t_м > 0, то випаровувана волога, що надходить у повітря, W вносить у нього деяку кількість тепла W×с×t_м, тому адіабатичний процес охолодження повітря в цьому випадку відбувається з підвищенням його ентальпії (I₂ >I₁).

 

Рисунок 3.2. Процес нагрівання повітря на І-x діаграмі

Рисунок 3.3. Процес охолодження повітря в I-x діаграмі

 

Якщо L - витрата сухого повітря на випар, то:

,                                    (92)

.                                           (93)

де с - теплоємність води.

Величина W/L показує збільшення вологовмісту повітря в процесі його адіабатичного охолодження, рівне (х_м - х₁), де х_м - вологовміст повітря при його повному насиченні вологою при t = t_м:

, при .                                 (94)

Це рівняння служить для нанесення на I-x діаграму ліній постійної температури t_м = const (лінії постійної температури адіабатичного насичення).

Зміна стану повітря (температури, вологовмісту і відносної вологості) при адіабатичному процесі випару вологи з вільної поверхні рідини відбувається по лінії t_м = const. (Рис. 3.3).

Різниця між температурою повітря t_в і температурою мокрого термометра t_м характеризує здатність повітря поглинати вологу з матеріалу і зветься потенціалом сушіння e: 

.                                                 (95)

Потенціал сушіння характеризує швидкість випару вологи з матеріалу, що залежить від стану повітря і температури процесу, тобто визначається спільним впливом тепло- і масообміну. Коли повітря цілком насичується вологою (t_в = t_м), величина e стає рівної нулю.