Физические свойства влажного газа

Физические свойства влажного газа характеризуются пара­метрами его состояния, которыми являются: температура t (по сухому термометру), влагосодержание d, абсолютная γп и отно­сительная φ влажность, плотность γ, температура tм по мокрому (влажному) термометру, температура tрос точки росы, степень насыщения ψ, парциальное давление pп водяного пара, энталь­пия I. Для определения всех величин, характеризующих состояние влажного газа, как правило, достаточно знать хотя бы два параметра.

Термодинамические свойства сухого газа и пара различны, поэтому свойства влажного газа зависят от его количественного состава.

Влажный газ можно рассматривать как смесь идеальных газов, каждый компонент которой занимает весь объем V смеси, имеет температуру T смеси и находится под своим парциальным давле­нием pi. Согласно закону Дальтона давление смеси (влажного газа) равно сумме парциальных давлений pс и pп сухого газа и водяного пара:

p = pс + pп.                        (1)

Уравнения состояния для сухого газа, водяного пара и влаж­ного газа как идеальных газов могут быть записаны в виде:

pс·V = Gс·Rс·T,  или  pс = γс·Rс·T;               (2)

pп·V = Gп·Rп·T,  или  pп = γп·Rп·T;              (3)

p·V = G·R·T,  или  p = γ·R·T.               (4)

Здесь Gс, Gп и G – количество (по массе в килограммах) сухого газа, водяных паров и влажного газа, находящихся в объеме V, G = Gс + Gп; γс и γп – плотность соответственно сухого газа и водяного пара, кг/м3, при парциальных давлениях и темпера­туре T, К; γ – плотность влажного газа при его давлении p и температуре T, кг/м3; Rс, Rп и R – газовая постоянная соответ­ственно сухого газа, водяного пара и влажного газа, Дж/(кг·К).

Количественный состав влажного газа, т. е. концентрацию в нем влаги (пара) при относительно небольшом ее количестве, принято выражать влагосодержанием. Влагосодержанием d называется количество (в килограммах или граммах) влаги в смеси, приходящейся на 1 кг сухого газа. В общем случае влагосодержание складывается из паросодержания и содержания влаги в жидкой (твердой) фазе:

d = dп + dж.                (5)

Если влага в жидкой (твердой) фазе не содержится в воздухе (dж = 0), то d = dп. В технике кондиционирования, как правило, приходится иметь дело с ненасыщенным или насыщенным газом (воздухом), а капельная влага, выпавшая из воздуха в процессе его обработки (охлаждения, расширения), отводится. Поэтому в дальнейшем под влагосодержанием газа (воздуха) будем понимать его паросодержание и обозначать d.

Для (1 + d) кг влажного газа, т. е. для смеси, содержащей 1 кг сухого газа, уравнение состояния имеет вид:

p·Vсм = (1 + dR·T = Rсм·T,                (6)

где Vсм – объем (1 + d) кг влажного газа, м3; Rсм – газовая постоянная смеси, содержащей 1 кг сухого газа, Rсм = (1 + dR.

В соответствии с законами для смеси газов:

                (7)

Rсм = Rс + d ·Rп.                (8)

Влагосодержание можно представить выражением:

                (9)

где т = Rс / Rп.

Для сухого воздуха Rс = 287 Дж/(кг·К), для водяного пара Rп = 461 Дж/(кг·К). Поэтому для влажного воздуха:

                (10)

Из уравнения (9) с учетом, что pс = ppп, получаем:

                (11)

Для влажного воздуха зависимость парциального давления водяных паров от влагосодержания такая:

                (10а)

Для влажных топочных газов (молекулярная масса которых составляет приблизительно 31 против 29 для влажного воздуха), применяющихся в судовых системах осушенных инертных газов на танкерах,

                (10б)

                (10в)

Абсолютной влажностью γп газа называется количество водя­ного пара в килограммах, содержащегося в 1 м3 влажного газа. Она численно равна плотности γп пара при данной температуре t газа и парциальном давлении pп водяных паров в нем.

Количество водяных паров в газе может увеличиваться до определенного значения. Если газ содержит водяных паров меньше этого значения, он называется ненасыщенным, а влага, находя­щаяся в нем, представляет собой перегретый водяной пар. Когда влажный газ при его заданных температуре t и давлении p со­держит максимально возможное количество водяных паров, он называется влажным насыщенным (или просто насыщенным) газом (воздухом). Абсолютная влажность насыщенного газа (воздуха) равна плотности γ”п кг/м3, сухого насыщенного пара, соответ­ствующей температуре t влажного газа. При этом парциальное давление насыщенных водяных паров будет равно pп. Влаго­содержание насыщенного газа:

                (12)

Для воздуха:

                (13)

Относительной влажностью газа φ называют отношение абсолютной влажности γп газа при его данной температуре t к абсо­лютной влажности γ”п насыщенного газа при той же температуре или, с учетом уравнения (3), отношение парциального давле­ния pп водяных паров, содержащихся в газе, к парциальному давлению pп паров в насыщенном газе при той же температуре:

                (14)

где vп и vп – удельный объем перегретого и насыщенного водя­ного пара.

Величина φ может изменяться от нуля (сухой газ) до единицы (насыщенный газ). С учетом того, что pп = φ·pп, из уравнений (9), (11) и (14) получим:

                (15)

                (16)

Степень насыщения газа ψ равна отношению влагосодержания d ненасыщенного газа к влагосодержанию d насыщенного газа при той же температуре:

                (17)

Учитывая уравнения (9) и (12), получаем:

                (18)

а используя выражение (10а), находим соотношение между φ и ψ для влажного газа:

                (19)

Поскольку d всегда меньше d, то и ψ < φ. Только для насы­щенного газа, когда d = d, ψ = φ = 1 (100%). Степень насыще­ния применяют в расчетах сравнительно редко, обычно исполь­зуют относительную влажность.

Плотность γ, кг/м3, влажного газа представляет собой сумму плотностей сухой части газа и водяных паров:

γ = γс + γп.                (20)

Влажный воздух при равных температуре и давлении всегда легче сухого, так как молекулярная масса пара меньше молеку­лярной массы воздуха (а значит, и γп < γс). Учитывая уравнения (2), (3), (1) и выражая pп через d с помощью уравне­ния (10а), из формулы (20) получаем:

                (21)

где γ’с – плотность сухого воздуха при данной температуре t и полном давлении p воздуха, кг/м3.

Температура точки росы tpoc газа – такая температура, при которой из охлаждаемого, при неизменном влагосодержании d, газа начинает выпадать влага в виде капель (ненасыщенный газ при охлаждении становится насыщенным, а затем туманом – в виде смеси насыщенного газа с мелкокапельной влагой).

Температура по влажному (мокрому) термометру tм газа зависит от его температуры и влагосодержания. Это температура слоя адиабатически насыщенного газа у поверхности воды, уста­навливающаяся в результате тепло- и влагообмена между газом и водой. Ее определяют с помощью термометра с резервуаром, обернутым мокрым батистовым чехлом, нижний конец которого опущен в ванночку с водой.

Для количественной оценки тепловых процессов при обработке влажного газа пользуются понятием его энтальпии, или тепло­содержания I. Кроме того, для расчетов можно применять и дру­гие параметры – внутреннюю энергию U и энтропию S.

Энтальпия I, кДж/кг, влажного газа – количество содержа­щейся в нем тепловой энергии, отнесенной к 1 кг сухого газа или к (1 + d) кг влажного газа. За нулевую точку – начало отсчета энтальпий – принимается энтальпия сухого (d = 0) газа с тем­пературой 0 °C. Значит, энтальпия влажного газа может иметь как положительное, так и отрицательное значения.

В самом общем случае, когда влажный газ находится в состоя­нии смешанного тумана и в нем одновременно содержатся сухой газ (1 кг), насыщенные водяные пары в количестве d« кг, взве­шенные капельная влага (dвод, кг) и кристаллы льда (dл, кг), энтальпия, внутренняя энергия и энтропия определяются выра­жениями:

I = iс + iп«·d« + iвод·dвод + iл·dл;                (22)

U = uс + uп«·d« + uвод·dвод + uл·dл;                (23)

S = sс + sп«·d« + sвод·dвод + sл·dл.                (24)

Здесь iс, uс, sс – энтальпия (кДж/кг), внутренняя энергия (кДж/кг) и энтропия (кДж/(кг·К)) сухого газа; iп«, uп«, sп« – то же сухого насыщенного водяного пара; iвод, uвод, sвод – то же воды; iл, uл, sл – то же льда.

Энтальпия воды iвод = свод·t = 4,19·t, где свод = 4,19 кДж/(кг·К) – теплоемкость воды, а энтальпия льда iл = – (335 – 2,1·t), где 335 кДж/кг – теплота плавления льда, сл = 2,1 кДж/(кг·К) – его теплоемкость.

Состояние смешанного тумана для влажного газа может быть относительно устойчивым лишь при температуре, близкой к 0 °C. При t > 0 °C в газе будет взвешенная капельная влага, а при t < 0 °C – кристаллы льда. В первом случае в уравнениях (22)-(24) не следует учитывать последнее (четвертое) слагаемое, а во втором – третье. Если влажный газ насыщен, в нем не содержится ни капельной влаги, ни кристаллов льда, его I, U и S определяются по сумме первых двух слагаемых в соответствующих уравнениях. Для ненасыщенного влажного газа:

I = iс + iп·d;                (22а)

U = uс + uп·d;                (23а)

S = sс + sп·d.                (24а)

Значения iс, uс, sс и iп, uп, sп могут быть определены по урав­нениям или таблицам для соответствующего сухого газа и водя­ного пара при их парциальных давлениях pс и pп и температуре t влажного газа.

Для определения энтальпии влажного газа можно восполь­зоваться эмпирическим уравнением:

I = cpс·t + (r0 + cpп·t)·d,                (25)

или

I = (cpс + cpп·d)·t + r0·d = cвл·t + r0·d,                (25а)

где cpс – изобарная теплоемкость сухого газа, кДж/(кг·К); r0 – скрытая теплота испарения насыщающей газ жидкости при тем­пературе 0 °C; cpп – изобарная теплоемкость паров насыщающей жидкости, кДж/(кг·К); cвл – теплоемкость влажного газа, отне­сенная к 1 кг его сухой части.

Для паровоздушной смеси (влажного воздуха) уравнения (25) и (25а) приобретают вид:

I = 1,0·t + (2500 + 1,89·t)·d;                (26)

I = (1,0 + 1,89·dt + 2500·d = cвл·t + 2500·d,                (26а)

где cвл = 1,0 + 1,89·d, кДж/(кг·К), представляет собой теплоем­кость влажного воздуха, отнесенную к 1 кг сухого воздуха (сухой его части). Значения свл зависят от влажности и температуры воз­духа, однако зависимость от температуры более существенная. Например, при относительной влажности воздуха φ = 0,3; 0,6; 1,0 значения cвл при t = 0 °C составляют соответственно 1,0077; 1,0098; 1,0127, а при t = 40 °C равны 1,03; 1,06; 1,098.

Первое слагаемое в формулах (25а) и (26а) cвл·t пред­ставляет собой явную часть теплосодержания (энтальпии), за­висящую в основном от температуры газа (воздуха), а второе (2500·d) – скрытую, изменяющуюся при изменении влагосодер­жания газа (воздуха).

Для аналитических расчетов параметров влажного воздуха применяются психрометрические таблицы, которые составляются для определенного давления воздуха (0,1 МПа или др.)

Пересчет влагосодержаний и энтальпий на другое давление производится в соответствии с формулами (10) и (26); пересчет удельных объемов, которые обратно пропорциональны давлению воздуха, произвести нетрудно.

Поделитесь с друзьями
  • RSS
  • Twitter
  • Facebook
  • Добавить ВКонтакте заметку об этой странице
  • Одноклассники
  • Мой Мир
  • LiveJournal
  • Блог Я.ру
  • Blogger
  • Блог Li.ру
  • Google Buzz
  • В закладки Google
  • Яндекс.Закладки
  • Memori.ru
  • МоёМесто.ru
  • Сто закладок
  • БобрДобр
  • LinkedIn
  • FriendFeed
  • MySpace
  • Orkut

Физические свойства влажного газа: 2 комментария

  1. Качественные статьи у вас, весьма удивило что не копипаст, значит действительно профессионал своего дела.
    И я далекий от холодильников и промышленного оборудования даже впервые узнал, что газ в них тоже может быть влажным и в зависимости от процента влажности будет иметь совсем разные свойства

    • спасибо на добром слове, стараемся! :)
      да, влажность значительно влияет на свойства воздуха.
      например, охлаждение влажного тропического воздуха (с учетом коэффициента влаговыпадения равного 4 — как пример) на каждые 10 градусов соответствует понижение температуры на 40 градусов для сухого воздуха.
      это при одном и том же значении подведенного холода. и так бывает ;)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>