Gazy wilgotne i suszenie.pdf

Gazy wilgotne i suszenie

Teoria gazów wilgotnych dotyczy gazów, które w sąsiedztwie cieczy wchłaniają pary

cieczy i stają się wilgotne. Zmiana warunków powoduje, że część pary ulega skropleniu.

Najbardziej typowym przykładem jest tutaj powietrze wilgotne – mieszanina gazów i par.

Traktujemy ją jako gaz składający się z gazu suchego (nie skroplone w atmosferze cząstki

azotu, tlenu, argonu) oraz wody występującej w powietrzu w różnych stanach fazowych.

Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu jest nieznaczne i dlatego można z pewnym

ograniczeniem stosować w tym przypadku prawa gazów doskonałych i prawa Daltona. Zatem

Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym jest równe:

p p = p b - p s

(1)

gdzie: p p – ciśnienie cząstkowe pary wodnej ,

p b – ciśnienie atmosferyczne,

p s - ciśnienie cząstkowe gazu suchego.

W rzeczywistych warunkach atmosferycznych rzadko spotyka się powietrze całkowicie

nasycone parą wodna, a jeszcze rzadziej idealnie suche. Najczęściej występuje powietrze

nienasycone tj. zdolne do wchłonięcia pary wodnej w danej temperaturze. Dość często

w przyrodzie występuje również powietrze w stanie przesyconym wilgocią. Wówczas część

wody nie mogąc utrzymać się w stanie lotnym skrapla się, tworząc w powietrzu mgłę. Bywa

też tak, że w pobliżu 273 K (dokładniej 0,01 o C) woda w powietrzu występuje jednocześnie

w trzech fazach; lotnej jako para, ciekłej (mgła deszczowa) i stałej (śnieg).

Stan powietrza wilgotnego określa wilgotność bezwzględna i wilgotność względna

Wilgotność bezwzględna - ilość gramów pary wodnej zawarta w jednym metrze sześciennym

powietrza wilgotnego , co jednoznacznie odpowiada gęstości pary ρ p = m p / V.

Wilgotność względna φ – stosunek gęstości pary ρ p do maksymalnej gęstości pary nasyconej

ρ p ’’ . Zatem

 . Wartość  p ” - maksymalnej gęstości pary nasyconej powietrza w danej

 



temperaturze podawana jest w tablicach technicznych. Z pewnym przybliżeniem wilgotność

względną można wyrazić stosunkiem ciśnień cząstkowych pary i powietrza suchego:

 ≈

p 

(2)



 , p

 







Wilgotność względną można określić przy pomocy psychrometru Assmana, higrometru itp.

Psychrometr Assmana bazuje na pomiarze temperatury przepływającego powietrza z pręd-

kością 2 m/s przy pomocy termometru suchego oraz zwilżonego. Termometr nawilżony wy-

każe tym niższą temperaturę im mniej nasycone będzie powietrze badane. Wówczas więcej

ciepła parowania odbiera się od otoczenia. Jeżeli badane powietrze jest nasycone, to oba ter-

mometry wskażą tę samą temperaturę. Posługujemy się tu wzorem empirycznym:

s 



)





100%

(3)

gdzie: p s m ,p s s – ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego

i suchego,

T s T m – odczyty wskazań termometru suchego i mokrego.

Higrometry oparte są na zasadzie wydłużania się włosa odtłuszczonego lub na zasadzie

absorpcji względnie kondensacji (eter parujący). Przy ich pomocy odczytuje się temperaturę

pojawienia się pierwszych kropel rosy (tzw. punkt rosy).

Podstawowym parametrem stanu powietrza wilgotnego jest zawartość w nim wilgoci X

tj. stosunek masy wody zawartej w gazie do masy suchego gazu:

X  [kg/kg]

(4)

Jeżeli ten stosunek został wyrażony w gramach, to x piszemy z małej litery.

Jeżeli gaz suchy i para wodna zawarte są w tej samej objętości, to:

X 



(5)

Wykorzystując równanie stanu dla pary i gazu suchego (

p  i

gs  ) otrzymamy

wzór:



0,622



0,622

(6)



bo dla powietrza R gs = 287 J/kg deg, a dla pary wodnej R p = 461,9 J/kg deg.

Ponieważ p gs = p b – p p , zaś p p = φ p s , to X = 0,622







gdzie : p b – ciśnienie barometryczne,

p s – ciśnienie nasycenia pary wodnej,

φ –wilgotność względna.

Biorąc pod uwagę udziały wagowe pary wodnej g p =

 i gazu suchego g gs =

 ,to stała

gazowa powietrza wilgotnego wyrazi się wzorem:



 (7)



zaś gęstość gazu wilgotnego określa wzór:





(8)

(XR



Bardzo często stosuje się pojęcie stopnia nasycenia lub inaczej

stopnia zawilgocenia powietrza . Jest to stosunek istniejącej wilgotności do maksymalnie

możliwej w danej temperaturze – przed osiągnięciem stanu nasycenia:



(9)

max

Istotniejsze rozbieżności pomiędzy wartościami stopniem nasycenia ψ i wilgotnością

względną φ występują tylko przy wysokich temperaturach i małych wartościach wilgotności

względnej .

Entalpia gazu wilgotnego :

1 xi



[kJ/kg gazu wilgotnego]

(10)

Przy c p ≈ 1kJ/kg deg entalpia pary wyniesie i p = 2500 + 1,965 (T – 273), zaś gazu wilgotne-

go J 1+x = (T – 273) + (1965 T) X

Jak widać obliczanie podstawowych wielkości dla powietrza wilgotnego jest niewygodne.

W praktyce przemysłowej często korzysta się z wykresów. Mając dwa parametry spośród

pięciu można wyznaczyć pozostałe trzy ( J 1+x , X, T lub t , p p , φ ).

J 



Typowe procesy zachodzące z powietrzem wilgotnym

a) Mieszanie powietrza wilgotnego

Zadanie takie najłatwiej rozwiązać można przy pomocy wykresu J-x, gdy znamy parametry

dwu stanów i udziały wagowe poszczególnych składników.

J I

J 1 J 3 J 2 <1

1 3 2 =1

x 1 x 3 x 2 x

Prosta 1-2 na rysunku jest prostą mieszania. Punkt 3 reprezentuje końcowy stan mieszania

masy m 1 i masy m 2 : m 1 (1-3) = m 2 (3-2). Analitycznie można określić entalpię i stopień

suchości punktu 3 przy pomocy wzorów:

J =



oraz x 3 =



(11)



gdzie: L 1 , L 2 masy powietrza suchego ( uwaga m oznaczono masy powietrza wilgotnego),

J 1 ,J 2 ,J 3 – entalpie w punktach 1,2,3,

x 1 , x 2 , x 3 – zawartości wilgoci.

b) Nawilżanie – czyli pochłanianie małej ilości wody.

Proces ten może odbywać się po przez rozpylenie zimnej wody i jest związany z oziębianiem

gazu – lub przez wpuszczenie pary wodnej stanowiącej jednocześnie czynnik ogrzewający

gaz. Jest to mieszanie znanej masy gazu wilgotnego z określoną niewielką masą wody o

znanej entalpii.

Po zmieszaniu:

J m = J 1 +

m w

x m = x 1 + L

m w

(12)

gdzie : L - ilość gazu suchego w kg,

J 1 - entalpia gazu wilgotnego w kJ/kg deg,

x 1 - zawartość wilgoci w kg,

m w - masa wody dodanej w kg,

i w - entalpia wody dodanej w kJ/kg deg.

Przy nawilżaniu interesuje nas stosunek przyrostu entalpii ∆J do przyrostu wilgoci ∆x, który

jest równy entalpii czynnika nawilżającego:

ΔJ 

 [kJ/kg]

(13)

Δx

c) Ogrzewanie i oziębianie powierzchniowe

Proces ten przebiega przy x = constans i p p = constans, a na wykresie jest to linia prosta

(A-2). W czasie ogrzewania powierzchniowego wzrasta entalpia i temperatura, maleje zaś

wilgotność względna, co umożliwia wchłonięcie dodatkowej wilgoci. Oziębianie przy

p = constans, jeżeli następuje poniżej temperatury rosy (punktu rosy) wywoła to wykroplenie

wody, która może być pod postacią mgły lub kropel wody.

d) Procesy zachodzące między dużą masy wody a powietrzem nienasyconym

Powietrze na styku z wodą nasyca się w warstwie, której stan można założyć na krzywej

o φ = 100% i temperaturze wody punktu A. Wymiana masy i ciepła może przebiegać

w sposób następujący:

1. Parametry stanu powietrza x 1 > x A ; φ < 100% ; p p1 > p pA ; t 1 > t A . Proces przebiega po

prostej 1-A, ponieważ p p1 > p pA , to nadmiar pary z powietrza będzie się wykraplać, a ciepło

skraplania zostanie przekazane wodzie. Oprócz tego powietrze o temperaturze t 1 > t A będzie

oddawać ciepło wodzie.

2. Przemiana przy stanie 2 ma ciśnienie p p2 = p pA i nie będzie tu wymiany masy.

Natomiast powietrze o wyższej temperaturze będzie oddawać energię cieplną wodzie.

3. Proces w stanie 3 ma p p2 < p pA i nastąpi nieznaczne odparowanie, przy czym ciepło

parowania odbierane będzie wodzie. W tym samym czasie powietrze o wyższej temperaturze

ogrzewa wodę. Jest to tzw. proces suchej wymiany ciepła.

4. Prosta 4-A charakteryzuje proces najbardziej ustabilizowany. Parowanie przebiega wzdłuż

linii J = constans. Ciepło „suche” przekazane wodzie zostaje całkowicie zwrócone powietrzu

w postaci pary. Następuje większe nasycenie powietrza wodą.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: