Смеси паров с газами. Основные понятия

Рассмотрим основные свойства влажного воздуха (газа): влажность, влагосодержание, теплосодержание.

Различают абсолютную и относительную влажность воздуха. Абсолютная влажность (или объёмная влажность) – это количество водяного пара в кг, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Поскольку пар равномерно распределяется по всему объёму воздуха, то абсолютная влажность его равна плотности пара в смеси ρ_п, кг/м³.

Относительная влажность (или степень насыщения воздуха влагой) – это отношение количества водяного пара, содержащегося в 1м³ влажного воздуха ρ_п, к максимально возможному его количеству ρ_н при данных условиях (температуре и давлению) насыщения

.

Плотность пара пропорциональна его парциальному давлению в смеси при данной температуре, следовательно, относительную влажность можно выразить отношением давлений

, (11.1)

где Р_П – парциальное давление водяного пара, соответствующее его плотности ρ_п, Р_Н – давление насыщенного пара при той же температуре.

Влагосодержание – это отношение количества водяного пара (кг) к количеству сухого воздуха (кг), содержащихся в одном объёме:

или

Величина x характеризует относительный весовой состав влажного воздуха. Если m_п – масса водяного пара во влажном воздухе, а m_с.в. – масса сухого воздуха в том же объёме, то согласно уравнению для относительного весового состава:

,

где G_к, G_н – соответственно количество компонента и носителя в объёме V, кг; М_к, М_Н – молекулярные массы компонента и носителя; р, Р – парциальное давление компонента и полное (общее) давление газовой смеси влагосодержание (в кг/кг сухого воздуха) при общем давлении Р составит:

. (11.2)

Но парциальное давление пара из (11.1)

Подставляя в (11.2) значение P_П и величины молекулярных масс сухого воздуха и водяного пара (М_с.в. = 29, М_П = 18), получим следующую зависимость влагосодержания воздуха от его относительной влажности

или .

Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха выражается суммой энтальпий 1 кг сухого воздуха i _в и водяных паров _п, содержащихся в нём

, Дж/кг сух. возд. (11.3)

где с_с.в. – удельная теплоёмкость сухого воздуха (1010, Дж/(кг·^oC)); t – температура воздуха, ºС; i _П – энтальпия перегретого пара, Дж/кг.

Энтальпия пара определяется по эмпирической формуле:

i _П = r ₀ + c _п· t = (2493 +1,97· t)·10³, Дж/кг,

где r₀ = 2493·10³ Дж/кг – теплота испарения воды при 0ºС или теплосодержание пара при 0ºС;

с_П = 1,97·10³, Дж/(кг·⁰C), – удельная теплоемкость пара.

Подставив значение i _П в выражение (11.3) и учитывая теплоёмкость сухого воздуха
с_с.в. = 1010 Дж/(кг·⁰C), найдём энтальпию влажного воздуха (в Дж/кг сухого воздуха):

J = 1010 ·t + (2493 +1.97· t)·10³· x, (11.4)

или J = (1,01+1,97· x)· 10³· t + 2493·10³· x. (11.5)

В формуле (11.5) член (1,01+ 1,97· x)·10³· t, равный (c_с.в. + с_п · x), представляет собой удельную теплоёмкость влажного воздуха при влагосодержании x.

Плотность водяного пара меньше плотности воздуха, поэтому влажный воздух легче сухого, причём с увеличением влажности масса воздуха уменьшается.

Рассмотрим некоторый объём влажного воздуха V, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и x кг водяных паров. Общее давление воздуха Р, парциальное давление водяных паров p_п. По уравнению состояния идеального газа (уравнению Клапейрона-Менделеева) объем V равен:

,(11.6)

где R – универсальная газовая постоянная (8314 Дж/(моль·град); М_с.в. – молекулярная масса воздуха (М_с.в. = 29).

Величины Р, р_с.в. и р _п в уравнении (11.6) выражаются в Н/м² (Па). Значение V приводятся в таблицах влажного воздуха.

11.1.1. Статика сушки. Материальный и тепловой балансы сушки

Обычно расчет сушилок ведут исходя из количества влажного материала и его начальной и конечной влажности.

Для определения количества удаленной влаги, количества сухого материала, получаемого в результате сушки, а также требуемого расхода тепла и воздуха составляют материальный и тепловой балансы.