ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

СВОЙСТВА ВОЗДУХА И ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО СОСТОЯНИЯ

В результате бытовых и технологических процессов в воздух помещений поступают вредные выделения («вредности»). Вредностя­ми в вентиляционной технике собирательно называется избыточное количество в помещении тепла, влаги, газов, паров и пыли, носителем которых (за исключением лучистого тепла) является воздух. Таким образом, воздух — это основная рабочая среда процесса вентиляции.

I § 6. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Свойства воздуха определяются его тепловлажностным состоя­нием, газовым составом и содержанием вредных газов, паров и пыли.

Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары в отличие от дру­гих составляющих смеси могут находиться в воздухе как в церегре - том, так и в насыщенном состоянии. Сухая часть влажного воздуха обычно содержит 78% по объему азота, около 21% кислорода, около 0,03% углекислоты, незначительное количество инертных газов (аргон, неон, гелий, ксенон, криптон), водорода, озона и др.

Согласно закону Дальтона каждый газ в смеси, занимая весь объ­ем, имеет свое парциальное давление р, а сумма этих давлений рав­на полному барометрическому давлению В смеси;

5 = (ш. 1)

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па), в системе МКГСС — в кгс/м2 или в мм рт. ст.

Отдельный газ в объеме смеси V, м3, имеет TeMnepaiypv смеси Т, К, и находится под своим парциальным давлением pi, Па. Характе­ристическое уравнение Клапейрона для 1 кг массы произвольного і-то газа в смеси имеет вид

NtiRT КГ

Где пи — масса t-ro газа, кг; R — универсальная газовая постоянная; Мі — моляр­ная масса газа, кг/моль; v» — количество молей газа в смеси.

Универсальная газовая постоянная в системе СИ #==8,314Х XI О3 Дж/(моль-К). В системе МКГСС при измерении давления в кгс/м2 #=848 кгс-м/(моль-°С) „или при измерении давления в мм рт. ст. R = 62,37 мм рт. ст. м3/(моль-°С).

При расчете вентиляции влажный воздух удобно рассматривать как бинарную смесь (смесь двух газов), состоящую из водяных паров (газа с молярной массой Мп=18 кг/моль) и сухого воздуха (условно­го однородного газа с молярной массой Мс. в=29 кг/моль). Баромет­рическое давление В в этом случае равно сумме парциальных давле­ний сухого воздуха рс. в и водяного пара рп:

В = рс* + рп. (III. 3)

Уравнение состояния удобно записать, пользуясь понятиями плот­ности сухого воздуха и водяного пара р*, кг/м3, и их газовой посто­янной Ri, Дж/(кг-К) [кгс-м/(кг-°С)]:

Щг R

Для сухого воздуха плотность рс. в, кг/м3, согласно уравнениям (III.2) и (II1-4), равна:

(ІП.5)

Величина рс. в при атмосферном давлении (одна физическая ат­мосфера равна 101 325 Па, или 760 мм рт. ст., или 10 333 кгс/м2), когда рс. ъ = В, составляет

ВМс. в 101325-29 353

Рсв=------------------------------------------ = ------------------ ~ ----- . (III.6)

Гсв RT 8,3X4-103 Г Г

При стандартных условиях, за которые в вентиляционной технике приняты давление в одну физическую атмосферу и температура в 20°С (293 К), плотность рс. в равна 1,2 кг/м3.

При другом давлении рсъ, Па, и температуре Т, К, плотность су­хого воздуха

Рс. в= 1,2 — « 0,35. 10 , (ІЇІ.7)

TOC o "1-3" h z гсв ' Т 101 325 Т

Или, если давление измеряется в мм рт. ст.,

Рс.8=1.22|^=0,46^. (ШГ)

Плотность водяного пара в воздухе рп, кг/м3, по аналогии с выводом формулы (III.6) при атмосферном давлении равна:

219

Рп - у • №1.8)

Эта величина так же, как и рс. в в формуле (II 1.7), изменяется пря­мо пропорционально давлению ра, под которым находится водяной пар, и обратно пропорционально температуре Т.

Плотность влажного воздуха рв может быть определена как плот­ность сухого воздуха и водяного пара, находящихся в смеси под свои­ми парциальными давлениями рс. в-~ри=В:

Рс в Мс-в , Рп Мп ВМс. в Рп рп

Рв= ——--------------- + = ------------ КГ в~ n)^Pc-B~RT (Мсв~Мп)- (Ш-9)

При измерении давления в Па плотность влажного воздуха рв равна:

ШІЛ., (ШЛ0)

А при измерении давления в мм рт. ст.

353 0» 176 рп Рв = — —------------------------------------------- . (III. 10 )

Из формулы (III.9) следует важный вывод о том, что плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха.

При обычных условиях в помещении, когда давление водяного па­ра равно приблизительно 15 мм рт. ст., доля второго члена в формуле (III.9), учитывающего разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составит всего 0,75% величины рс в. По­этому в инженерных расчетах в тех случаях, когда качественное разли­чие плотностей сухого и влажного воздуха не имеет значения, обычно считают, что рв~рс в-

При изменении свойств воздуха в вентиляционном процессе коли­чество его сухой части остается неизменным, поэтому принято все по­казатели тепловлажностного состояния воздуха относить к 1 кг сухой части влажного воздуха.

Влажность воздуха характеризуется массой содержащегося в нем водяного пара. Массу водяного пара в килограммах, приводящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d кг/кг. Величина d" равна:

Dt=s _Рп_ = ^вРп = (ШЛ1)

Рев /?пРсв МсвРсв fi—Рп

Значение d' обычно является малой дробью, поэтому в расчетах удобнее выражать влагосодержание d в граммах влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха; тогда формула (111.11) приобретает вид:

D = 1000 d' - 623 Рп. (III. 12)

B-Pn

Влагосодержание воздуха может быть различным, однако его максимальное значение при заданной температуре строго определено полным насыщением воздуха водяными парами. В связи с этим для характеристики степени увлажненности воздуха удобно пользоваться показателем относительной влажности воздуха ф. Величина ф равна отношению парциального давления рп водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению рн п водяного пара в на­сыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре:

' Ф = —. (III. 13)

Рнп

Величина ф показывает в процентах или в долях единицы степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения.

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяными парами, и его называют насыщенным влажным воздухом. Водяные пары в этом случае находятся в насыщенном состоянии. При ф<100% воздух содержит водяные пары в перегретом состоянии, и его называют ненасыщенным влажным воздухом.

Давление водяного пара, находящегося в насыщенном состоянии, зависит только от температуры. Его значение определяют эксперимен­тальным путем и приводят в специальных таблицах. Имеется ряд фор­мул, аппроксимирующих зависимость ря ш Па или мм рт. ст, от t, °С. Например, для области положительных температур ее можно прибли­зительно выразить в Па:

Рнп = 479+(11,52+ 1,62 О2 (III. И)

Или в мм рт. ст.:

Рнп = 3,58 + (1 + 0,14 О2- (111.14')

Пользуясь понятием относительной влажности воздуха ф, влагосо­держание воздуха [формула (III.12)] можно определить как

D = 623 ФРн" . (III. 15)

Я-ФРн п

Теплоемкость сухого воздуха сс в и теплоемкость водяного пара сп в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур можно считать постоянными и равными:

Ссв= 1,005 кДж/(кг-К); сП = 1,8 кДж/(кг К) (система СИ);

Сс в = 0,24 ккал/(кг-°С); сп = 0,43 ккал/(кг-°С) (система МКГСС).

О*

Здесь и далее теплоемкость и энтальпия рассматриваются как удельные тепловые величины.

Энтальпию сухого воздуха /св при t~0°C принимают равной нулю, и тогда энтальпия /с в при произвольной температуре t равна:

Ic. n = cCBt. (III. 16)

Удельная теплота парообразования для воды при /=0°С равна 1=2500 кДж/кг, или 597,3 ккал/кг, и энтальпия пара /п во влажном воздухе при этой температуре равна I.

Энтальпия водяного пара в воздухе /п, кДж/кг или ккал/кг, при произвольной температуре t составляет:

/п = 2500+ 1,81 (III. 17)

Или

/п = 597,3 + 0,43 I. (III. 17')

Энтальпия влажного воздуха I складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяного пара. Энтальпия /, отнесенная к 1 кг су­хой части влажного воздуха, кДж/кг или ккал/кг, при произвольной температуре t и влагосодержании d равна:

/= 1,005 / + (2500+ 1,80 d! 1000 (III. 18)

Или

/ = 0,24 t + (597,3 + 0,431) d/1000. (III. 18')

Если ввести характеристику теплоемкости влажного воздуха, кДж/ /(кГ'К) или ккал/(кг-°С), равную:

Св= 1,005+ 1,8 dj 1000 (III. 19)

Или

Св = 0,24 + 0,43d/1000, (III. 19')

Тогда

I — c&t + Id! 1000. (III. 20)

Если в результате конвективного теплообмена воздуху передается явное тепло, то он Нагревается — его температура повышается. Энталь­пия воздуха изменяется в результате изменения его температуры. При поступлении в воздух водяных паров с той же температурой (при подаче пара от внешних источников) ему передается в основном скрытое тепло парообразования. Энтальпия воздуха при этом также возрастает, но в результате изменения энтальпии водяного пара, находящегося в воз­духе. Температура воздуха при этом остается неизменной.

Кроме характеристик тепловлажностного состояния, свойства воз­духа, как было сказано ранее, определяются содержанием в нем газов и паров вредных веществ. Содержание этих вредных веществ в милли­граммах обычно относят к 1 м3 воздуха. Их концентрацию обозначают буквой С с индексом, указывающим наименование вещества, и выра­жают в мг/м3.

Содержание пыли в воздухе обычно оценивают в мг/м3 или в г/кг.

При расчете современных вентиляционных систем важно также знать содержание в воздухе пахнущих веществ, степень его озонирова­ния, содержание в нем отрицательно заряженных легких ионов кислоро­да и ир. Освещение этих вопросов дается в специальной литературе.