Процессы изменения состояния воздуха

Состояние сухого воздуха определяется давлением В, кгс/м²; удельным объемом v, м^3./ кг, объемным весом g, кг/м³ и абсолютной температурой Т в

°К (по шкале Кельвина).

Удельным объемом называется объем единицы веса воздуха, а обратная ему величина представляет собой объемный (удельный) вес воздуха, т. е.

v= , (37), g = , (38)

Абсолютная температура воздуха в °К

Т=273+t

где t - температура воздуха по стоградусной шкале в °С.

Вес воздуха в кг определяется как произведение его объема на объемный вес, т. е.

G=Lg (39)

где L - объем воздуха в м³; g - объемный вес воздуха в кг / м³.

С другой стороны, объем сухого воздуха в м³ может быть выражен как произведение его веса на удельный объем, т. е.

L=G v (40)

По закону Бойля - Мариотта объем воздуха (газа) при неизменной температуре обратно пропорционален давлению. Если при давлении p ₁ объем 1 кг воздуха (газа) составляет v ₁, а при давлении p ₂ он равен v ₂, то

, (41) или р₁ v₁=р₂v₂, (42)

т.е. произведениедавления на удельный объем есть величинапостоянная.

В общем виде

р v = const, (43)

По закону Гей - Люссака при повышении температуры на 1° и постоянном давлении объем воздуха увеличивается на 1/273 часть его объема при 0°С.

Если при 0°С воздух имел объем L₀, то при t ^° его объем будет равен:

L_t= L₀(1+ t), (44)

где = - коэффициент объемного расширения воздуха.

Таким образом, пользуясь законом Гей-Люссака, можно определить отношение объемов L ₁ и L₂ одного и того же количества воздуха, взятого при разных температурах:

L₁= L₀(1+ t₁) и L₁= L₀(1+ t₂), (45)

откуда следует, что

или , (46)

т.е. при постоянном давлении объем воздуха изменяется прямопропорционально изменению его абсолютной температуры.

А так как

g₁= и g₂ = (47)

то

, (48)

т. е. отношение объемных весов воздуха обратно пропорционально отношению абсолютных температур.

При одновременном изменении давления, объема и температуры

(49)

Величина R, выраженная в кг м3 / м2 кг град или кг м / кг град, носит название газовой постоянной.

В общем виде это уравнение записывается так:

рL=RT, (50)

и носит название характеристического уравнения газов.

Для воздуха весом G характеристическое уравнение имеет вид

рL=GRT, (51)

Газовая постоянная сухого воздуха R_c.в.= 29,27, а для водяного пара R _n= 47,1 кг м / кг град.

Теплоемкость воздуха.Различают удельную весовую и удельную объемную теплоемкости. Весовой удельной теплоемкостью С _в называют количество тепла, необходимого для того, чтобы 1 кг воздуха нагреть на 1°; для вентиляционных расчетов принимают С _в =0,24 ккал/кг град.

Объемной удельной теплоемкостью С ₀ называют количество тепла, которое необходимо для того, чтобы 1 м³ воздуха нагреть на 1°. При t =0°С и барометрическом давлении В= 745 мм вод. ст. С ₀ =0,31 ккал/м³ град.

С изменением температуры и давления объемная теплоемкость меняется пропорционально объемному весу воздуха. Поэтому при определении расходов тепла на подогрев воздуха точнее пользоваться весовой удельной теплоемкостью.

Весовая удельная теплоемкость водяных паров, содержащихся во влажном воздухе, С_п= 0,43 ккал/кг град, откуда ясно, что удельная весовая теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Несмотря на это, при вентиляционных расчетах принимают во внимание, как правило, весовую удельную теплоемкость сухого воздуха, т. е. С =0,24 ккал/кг град.

Количество тепла, необходимого для подогрева воздуха, определяют по формулам:

Q=GC₁ (t₂ - t₁),(52) или Q = LC₂ (t_{2 -} t₁), (53)

где Q - количество тепла в ккал; G - вес воздуха в кг; L - объем воздуха в м³; С _{1 -} весовая удельная теплоемкость; С _{2 -} объемная удельная теплоемкость; t₁ - температуравоздуха до нагрева в °С; t₂ - то же, после нагрева в °С.

Влажность воздуха. Как указывалось ранее, в атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров.

Влажный воздух может находиться в насыщенном и ненасыщенном состояниях. Влажный воздух, содержащий максимальное количество водяных паров при данной температуре, называют насыщенным. Воздух, в котором содержится не максимально возможное при данной температуре количество водяного пара, называют ненасыщенным. Ненасыщенный влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и перегретого водяного пара, а насыщенный влажный воздух - из сухого воздуха и насыщенного водяного пара.

Различают абсолютную влажность, влагосодержание и относительную влажность воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется вес водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха.

Характеристическое уравнение для водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха, имеет вид

р_п L _п = G_п R _п Т, (54)

где р _п - парциальное давление водяного пара в кгс/м²; L_п - объем водяного пара в 1 м³ воздуха; G_п - вес водяного пара в кг; Т - абсолютная температура воздуха в °К; R_n - газовая постоянная водяного пара в кг м / кг град.

Т. к. объем водяных паров в 1 м³ влажного воздуха тоже равен 1 м³, то из равенства (14) получим

G_n = , (55)

т. е. абсолютная влажность G_n, кг/м³ известна, если известны парциальное давление водяного пара и его температура.

Влагосодержанием воздуха называют вес водяных паров, содержащихся во влажном воздухе, сухая часть которого весит 1 кг.

Если на 1 кг сухого воздуха, находящегося в смеси с паром, приходится d кг водяного пара, то влажный воздух весит 1+ d кг, а давление смеси В=р_с.в+р_п.

Характеристическое уравнение для сухого воздуха записывается так:

Lр_{с.в =} G_c.в R_c.вT, (56)

Но т. к. G_c.в= 1 кг, то Lр_{с.в =} R_c.вT,(57)

Для водяного пара характеристическое уравнение имеет вид:

Lр_{п =} d R_п T, (58)

Разделив равенство (17) на выражение (18), найдем

, (59)

откуда

d= (60)

Подставляя значения газовых постоянных для сухого воздуха и водяного пара, получим

d= (61)

или, учитывая, что р_с.в + Р_п=В,

d=0,622 кг в 1 кг сухого воздуха.

Относительной влажностью j называют отношение веса содержащихся во влажном воздухе водяных паров D к их весу в воздухе D_нас при полном насыщении и той же температуре в %:

j= %, (62)

Обычно количество паров в воздухе меньше того, которое соответствует его полному насыщению при данной температуре. Водяной пар, вводимый в насыщенный воздух, не может им усваиваться и конденсируется в виде капель, образуя туман.

Парциальное давление водяных паров р_{нас ,} насыщающих воздух при данной температуре, равно упругости (давлению) водяного пара при этой же температуре. Парциальное давление пара в ненасыщенном воздухе р_п меньше давления насыщенного водяного пара. Поэтому относительную влажность j в % можно определять как

j= , (63)

При j=100 % воздух насыщен, а при j=0 - абсолютно сух.

При нагревании и охлаждения воздуха влагосодержание его не меняется, а относительная влажность или уменьшается, или возрастает. При достаточном понижении температуры воздух может достигнуть полного насыщения (т. е. j=100 %). Наинизшая критическая температура, при которой охлажденный воздух с постоянным влагосодержанием достигает полного насыщения, называется точкой росы. Охлаждение воздуха ниже температуры точки росы вызывает конденсацию водяного пара и образование тумана.

Основные физические характеристики воздуха (объемный вес, упругость водяного пара, влагосодержание при полном насыщении для различных температур при давлении 760 мм рт. ст.) приведены в приложении 16 СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование.