Теоретичні основи теплотехніки (стр. 30 из 35)

Основні теоретичні відомості

Вологе повітря – це механічна суміш сухого повітря ( µс.п = 29 кг/кмоль, R с.п = 287 Дж/(кг·К)) і водяної пари ( µп = 18 кг/кмоль, Rп = 461,5 Дж/кг ).

У харчовій промисловості вологе повітря широко використовується як сушильний агент при виробництві макарон, сухарів, печива, цукру, кухонної солі, сухофруктів і фруктових порошків, солоду, сухого молока та інших продуктів.

Процеси сушіння, кондиціонування, вентиляції зазвичай проходять при барометричному тиску, який згідно з законом Дальтона дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря й водяної пари: Рδ = Р с.п + Рп .

У більшості випадків барометричний тиск приймають рівним 99,3 кПа. Це відповідає середньорічному тиску для України. Для цього тиску й побудована Hd – діаграма стану вологого повітря. Указаному тиску відповідає температура насичення 99,45 ºС. Якщо температура вологого повітря нижча за 99,45 ºС, то максимальна можлива кількість водяної пари в ньому дорівнює густині сухої насиченої пари при цій температурі.

Повітря, в якому густина пари рівна максимально можливій при даній температурі називається насиченим ρ = ρmax = ρн, повітря в якому ρп < ρн - ненасиченим ( Рп < Рн), а повітря , в якому ρп > ρн - перенасиченим.

При парціальному тиску пари Рп < 10 кПа з похибкою до 0,1%, водяну пару можна вважати ідеальним газом. Знаючи температуру вологого повітря, тиск насиченої пари Рн можна визначити за таблицею теплофізичних властивостей насиченої водяної пари.

Основні параметри вологого повітря

Абсолютна вологість повітря – це маса водяної пари в кілограмах у 1 м3 вологого повітря, тобто густина водяної пари при заданих тиску Рп і температурі повітря t :

ρп = mп / V = Pп / (Rп T). / 2.1 /

де Rп – питома газова стала, Дж/(кг×К);

Т – температура, К.

Відносна вологість повітря – це відношення абсолютної вологості в даному стані до максимально можливої абсолютної вологості насиченого повітря при одинаковій температурі :

φ = 100 ρп / ρн = 100 Рп / Рн . / 2.2 /

Для сухого повітря φ = 0 , а для насиченого φ = 100%.

Вологовміст повітря – це маса водяної пари в грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря:

d =103 mп /mс.п = 103 Pп µп / ( Pс.п µс.п) = 622 Pп / ( Pб – Pп ). / 2.3 /

де µп, µс.п – відповідно молекулярна маса сухого повітря і водяної пари.

В процесі нагрівання повітря вологовміст d і парціальний тиск Рп не змінюються, тиск насичення Рн збільшується, відносна вологість φ зменшується й зростає здатність повітря поглинати вологу, яка пропорційна dн - d.

Ентальпія вологого повітря дорівнює сумі ентальпій сухого повітря й водяної пари:

H = hc.п + 0,001d hп = ср.с.п. t + 0,001d ( rо+ ср.п.t) , / 2.4 /

де ср.с.п., ср.п. –середня ізобарна теплоємність відповідно сухого повітря і водяної пари; Ср.с.п. =1,006 кДж/(кг·К), Ср.п. =1,92 кДж/(кг·К); r0 =2500 кДж/кг – питома теплота пароутворення води при температурі 0 ºС;

Ентальпія вологого повітря розраховується на 1 кг сухого повітря , тобто на /1+d/ кг вологого повітря. Тому її позначають не малою, а великою літерою H.

На практиці відносна вологість повітря визначається за допомогою психрометра, який включає два термометри. Кулька одного з них обмотана тканиною, змоченою водою. Перший термометр називається сухим і показує температуру вологого повітря t , другий – мокрим, а температура, яку він показує, називається температурою мокрого термометра tм . Це температура води, яка випаровується з вільної поверхні тканини після досягнення теплової рівноваги між нею і вологим повітрям, тобто коли кількість теплоти, яку одержує вода від повітря, дорівнює кількості теплоти, що йде на випаровування.

У ненасиченому повітрі tм < t , у насиченому, де є рівновага між випаровуванням і конденсацією, tм = t .

Зі зниженням t ( Pп = const) через деякий момент часу ненасичене вологе повітря перетворюється в насичене / Рп = Рн /. Температура , при якій проходить це перетворення, називається температурою точки роси tр. При подальшому охолоджені з вологою повітря почне конденсуватися вода.

Нd- діаграма вологого повітря

Ця діаграма була запропонована проф. Л. К. Рамзіним у 1918 р. Аналогічна діаграма побудована Р. Мольє у 1923 р., в ній замість d використано x = 0,001 d , кг/кг /рис.2.1/. Діаграма побудована для Pп=745 мм рт.ст., але при розрахунках процесу сушіння коливанням барометричного тиску з достатньою в техніці точністю можна знехтувати.

З метою збільшення корисного поля діаграми кут між осями ентальпій і вологовмісту дорівнює 135º. Для компактності нижня частина діаграми відрізана і значення d відкладені на горизонталі /рис.2.1/.

З лівого нижнього кута вгору і вправо йде жмуток кривих φ = const. Нижня крива відповідає насиченому повітрю φ = 100%, верхня φ = 5%. При t >99,45 ºС φ =f(d) і лінії φ = const направлені вертикально вгору, тому що у формулі dн = 622 Рн /(Рб – Рн) знаменник перетворюється на нуль. Для сухого повітря d = 0, для водяної пари d = ∞.

Нижня частина діаграми використовується для визначення парціального тиску пари в повітрі. Значення Рп = f(d), кПа, відкладені внизу на правій ординаті .

Ізотерми вологого повітря /показники сухого термометра/ - суцільні прямі, направлені зліва направо, злегка піднімаючись угору. Ізотерми мокрого термометра починаються на кривій насичення /при φ = 100% tм = t / і у вигляді штрихових прямих направлені справа наліво дещо пологіше, ніж прямі Н = const.

Початковий стан повітря /точка 0 на рис.2.1/ наносять на Нd – діаграму за показами психрометра. За допомогою діаграми / для відомого положення точки / можна знайти значення ще п’яти параметрів вологого повітря. Наприклад, при t =20 ºС і tм = 15 ºС Н = 43 кДж/кг, φ = 60%, tр = 12 ºС , d = 8,5 г/кг, Рп =1,4 кПа.

Вологе повітря / наприклад, у калорифері сушарки / нагрівається при d = const і процес нагріву зображається відрізком вертикальної лінії від початкової точки 0 до перетину ліній з ізотермою, яка відповідає температурі нагрітого повітря t1 /див. рис.2.1/.

Процес охолодження зворотний нагріву і зображається вертикальною лінією, що йде зверху вниз.

В ідеальній сушарці, що працює без втрат теплоти в оточуюче середовище, процес сушіння (випаровування) ішов би при Н = const, тому що теплота сушильного агента, витрачена на випаровування вологи, повертається в повітря разом з парою вологого матеріалу. В реальних умовах із-за втрат теплоти в оточуюче середовище, процес сушіння відбувається із зменшенням ентальпії, ізотерми на Hd – діаграмі йдуть крутіше, ніж за ізоентальпією.

При t < tр починається конденсація водяної пари чи на поверхні тіл з утворенням роси, чи в об’ємі вологого повітря з утворенням туману /при t < 0ºС можуть утворюватися відповідно іній або паморозь /. При цьому осушується вологе повітря. Охолодження повітря продовжується за кривою φ = 100%. Із зниженням температури зменшується значення d і збільшується кількість сконденсованої вологи. Ентальпія перенасиченого повітря / ρп > ρн / зменшується пропорційно кількості сконденсованої пари.

Опис лабораторної установки

Основними елементами установки є калорифер 2 та сушильна камера 4 /рис.2.2/.

Стан вологого повітря у приміщенні визначають за показами сухого t та мокрого tм термометрів психрометра 8. Для визначення барометричного тиску Рб використовують барометр 9. Масову витрату повітря через установку знаходять за допомогою реометра 1, вимірюючи перепад тиску, що виникає на каліброваному звуженні / круглий отвір /, через який тече повітря.

Через реометр повітря надходить у двоходовий калорифер – горизонтальну скляну трубу, поділену навпіл уздовж осі сталевою перегородкою і закриту з обох торців кришками. Потужність електронагрівача / два тени / 3 регулюється автотрансформатором 7 і вимірюється ватметром W. За допомогою такого самого автотрансформатора / на схемі не показаний / зміною напруги, що подається на електродвигун вентилятора 6, установлюють задану масову витрату повітря / її знаходять, використовуючи номограму, за висотою нижньої частини водяного меніска у прямій скляній трубці реометра /.

Рис.2.2 Схема експериментальної установки 1 – реометр, 2 – калорифер, 3 – тени, 4 – сушильна камера, 5 – потенціометр,6 – вентилятор, 7 – автотрансформатор, 8 – психрометр, 9 – барометр.

Сушильна камера 4 циліндричної форми має ванну для води і кільцевими поперечними перегородками розділена на три секції. На перегородках закріплені серветки тканини, нижні краї яких занурені у воду. Повітря, яке тече від секції до секції, змінює напрям і зволожується.

Температури на різних ділянках потоку повітря вимірюється за допомогою хромель-копелевих термопар, що підключені до шестипозиційного потенціометра 5. Термопари t1 та t2 служать для вимірювання температур повітря відповідно на вході та виході із сушильної камери, а суха tз та мокра tм4 термопари – для визначення стану вологого повітря на певній відстані від сушильної камери, тобто після його часткового охолодження.

Порядок виконання роботи

Добавити декілька мілілітрів води у ванночку сушильної камери.

Перевірити наявність води у U- подібному коліні мокрої термопари.

Встановити нуль шкали реометра 1 / по низу водяного меніска у скляній трубці реометра /.

Включити вентилятор, а потім / але не раніше / електричний нагрівач калорифера. За допомогою автотрансформаторів встановити задані викладачем витрату повітря та потужність нагрівача, записати ці дані у табл.2.1.

Змочити тканину мокрого термометра і включити вентилятор психрометра, уважно стежити за зміною tм . Записати мінімальне значення tм / воно спочатку знижується, а після підсихання тканини починає підвищуватися / і відповідну температуру сухого термометра t .

Записати покази барометра.

Включити потенціометр. Включити привід діаграми і виключити його, як тільки підключиться термопара t1 . Коли підвищення температури за калорифером припиниться, тобто коли установка ввійде у стаціонарний режим роботи, можна починати експеримент. Одержані результати записати у табл.2.1.