Определение относительной влажности по психрометру
Относительная влажность наиболее точно определяется с помощью психрометра, состоящего из двух термометров, чувствительный элемент одного из которых обернут тканью, постоянно смачиваемой водой. Испарение воды с поверхности ткани происходит за счет внутренней энергии воды и чувствительного элемента «мокрого» термометра, температура которого поэтому понижается. В результате тепло- и массообмена окружающего воздуха с влажной тканью устанавливается тепловое равновесие, которому соответствует температура, показываемая «мокрым» термометром t м . Она будет меньше температуры «сухого» термометра t , показывающего действительную температуру влажного воздуха.
Интенсивность испарения, а следовательно, и снижение температуры «мокрого» термометра t м по сравнению с температурой воздуха, показываемой «сухим» термометром, т.е. t - t м , тем больше, чем дальше состояние водяных паров во влажном воздухе от состояния насыщения.
По психрометрическим таблицам (Приложение), зная t м и психрометрическую разность температур t - t м , на пересечении строки t м и столбца t - t м можно определить относительную влажность воздуха .
Параметры влажного воздуха обычно определяют графическим путем с помощью Hd- диаграммы (рис. 2). Особенностью этой диаграммы является расположение оси абсцисс под углом 135° к оси ординат. Точки с оси абсцисс спроецированы на горизонтальную (условную) ось.
Кривая является пограничной, соответствующей состояниям насыщенного влажного воздуха. Область над этой кривой соответствует состояниям ненасыщенного влажного воз-
 |
|||||
 |
духа, область под кривой является областью насыщенного влажного воздуха, появления росы, «тумана».
По Hd- диаграмме можно определить температуру точки росы, если т. 1 вертикально (охлаждение) спроецировать на кривую . Изотерма, которая пройдет через эту точку пересечения, соответствует температуре t росы .
Для определения парциального давления водяного пара р п по заданному влагосодержанию под кривой построена линия . Значения р п указаны на правой ординате диаграммы в мм рт.ст.
Процесс нагревания влажного воздуха. Пусть влажный воздух в состоянии т. 1 с начальной температурой t 1 и относительной влажностью нагревается в калорифере (электронагревателе) до t 2 . На Hd -диаграмме этот процесс изображается прямой 1-2 (см. рис. 2), через точки 1 и 2 которой проходят изотермы соответственно t 1 и t 2 . Процесс нагревания влажного воздуха осуществляется при , т.к. в процессе нагревания содержание влаги во влажном воздухе не меняется.
По изменению энтальпии нагреваемого воздуха Н 2 - Н 1 можно по уравнению Первого закона термодинамики определить количество подведенной теплоты (при ):
, кДж/час. (10)
Процесс сушки. Если пренебречь тепловыми потерями, то можно считать, что процесс сушки материалов нагретым воздухом в сушильной камер происходит при . На Hd- диаграмме такой процесс изображается прямой 2-3΄ (см. рис. 2). Постоянство энтальпии влажного воздуха объясняется тем, что тепло, необходимое для испарения влаги, берется из потока воздуха и возвращается в него вместе с испарившейся влагой.
В сушилке, работающей с потерями тепла в окружающую среду, процесс сушки будет происходить не по кривой 2-3΄ (при ), а по кривой 2-3. Положение точки 3 определяется по измеренным в опыте t 3 и . По изменению влагосодержания воздуха до и после сушильной камеры d 1 и d 3 можно рассчитать массу влаги, отведенной от высушиваемого материала нагретым воздухом:
, г влаги/час. (11)
После прочтения данной статьи, рекомендую прочитать статью про энтальпию , скрытую холодопроизводительность и определение количества конденсата, образующегося в системах кондиционирования и осушения :
Доброго времени суток уважаемые начинающие коллеги!
В самом начале своего профессионального пути я наткнулся на данную диаграмму. При первом взгляде она может показаться страшноватой, но если разобраться в главных принципах, по которым она работает, то можно её и полюбить:D. В быту она называется и-д диаграмма.
В данной статье я попытаюсь просто(на пальцах) объяснить основные моменты, чтобы вы потом отталкиваясь от полученного фундамента самостоятельно углубились в данную паутину характеристик воздуха.
Примерно так она выглядит в учебниках. Как-то жутковато становится.
Я уберу все то лишнее, что не будет мне нужным для моего объяснения и представлю и-д диаграмму в таком виде:
(для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)
Все равно еще не совсем понятно, что это такое. Разберем её на 4 элемента:
Первый элемент - влагосодержание (D или d). Но прежде чем я начну разговор об влажности воздуха в целом, я бы хотел кое о чем с вами договориться.
Давайте договоримся “на берегу” сразу об одном понятии. Избавимся от одного прочно засевшего в нас (по крайней мере, в меня) стереотипа о том, что такое пар. С самого детства мне показывали на кипящую кастрюлю или чайник и говорили, тыкая пальцем на валящий из сосуда “дым”: “ Смотри! Вот это пар”. Но как многие, дружащие с физикой люди, мы должны понимать, что “Водяной пар — газообразное состояние воды . Не имеет цвета , вкуса и запаха”. Это всего лишь, молекулы H2O в газообразном состоянии, которых не видно. А то что мы видим, валящее из чайника - это смесь воды в газообразном состоянии(пар) и “капелек воды в пограничном состоянии между жидкостью и газом”, вернее видим мы последнее (так же, с оговорками, можно назвать то что мы видим - туманом). В итоге мы получаем, что в данный момент, вокруг каждого из нас находится сухой воздух (смесь кислорода, азота…) и пар (H2O).
Так вот, влагосодержание говорит нам о том, сколько этого пара присутствует в воздухе. На большинстве и-д диаграмм данная величина измеряется в [г/кг], т.е. сколько грамм пара(H2O в газообразном состоянии) находится в одном килограмме воздуха (1 кубический метр воздуха в вашей квартире весит около 1,2 килограмма). В вашей квартире для комфортных условий в 1 килограмме воздуха должно быть 7-8 грамм пара.
На и-д диаграмме влагосодержание изображается вертикальными линиями, а информация о градации расположена в нижней части диаграммы:
(для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)
Второй важный для понимания элемент - температура воздуха (T или t). Думаю здесь ничего объяснять не нужно. На большинстве и-д диаграмм данная величина измеряется в градусах Цельсия [°C]. На и-д диаграмме температура изображается наклонными линиями, а информация о градации расположена в левой части диаграммы:
(для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)Третий элемент ИД-диаграммы - относительная влажность (φ ). Относительная влажность, это как раз та влажность, о которой мы слышим из телевизоров и радио, когда слушаем прогноз погоды. Измеряется она в процентах [%].
Возникает резонный вопрос: “Чем отличается относительная влажность от влагосодержания?” На данный вопрос я отвечу поэтапно:
Первый этап:
Воздух способен вмещать в себя определенное количество пара. У воздуха есть определенная “паровая грузоподъемность”. Например, в вашей комнате килограмм воздуха может “взять на свой борт” не больше 15 грамм пара.
Предположим, что в вашей комнате комфортно, и в каждом килограмме воздуха, находящегося в вашей комнате, имеется по 8 грамм пара, а вместить каждый килограмм воздуха в себя может по 15 грамм пара. В итоге мы получаем, что в воздухе находится 53,3% пара от максимально возможного, т.е. относительная влажность воздуха - 53,3%.
Второй этап:
Вместимость воздуха различна при разных температурах. Чем выше температура воздуха, тем больше пара он может в себя вместить, чем ниже температура, тем меньше вместимость.
Предположим, что мы нагрели воздух в вашей комнате обычным нагревателем с +20 градусов до +30 градусов, но при этом количество пара в каждом килограмме воздуха осталось прежним - по 8 грамм. При +30 градусах воздух может “взять себе на борт” до 27 грамм пара, в итоге в нашем нагретом воздухе - 29,6% пара от максимально возможного, т.е. относительная влажность воздуха - 29,6%.
Тоже самое и с охлаждением. Если мы охладим воздух до +11 градусов, то мы получим “грузоподъемность” равную 8,2 грамм пара на килограмм воздуха и относительную влажность равную 97,6%.
Заметим, что влаги в воздухе было одинаковое количество - 8 грамм, а относительная влажность прыгала от 29,6% до 97,6%. Происходило это из-за скачков температуры.
Когда вы зимой слышите о погоде по радио, где говорят, что на улице минус 20 градусов и влажность 80%, то это значит, что в воздухе около 0,3 граммов пара. Попадая к вам в квартиру этот воздух нагревается до +20 и относительная влажность такого воздуха становится равна 2%, а это очень сухой воздух (на самом деле в квартире зимой влажность держится на уровне 10-30% благодаря выделениям влаги из сан-узлов, из кухни и от людей, но что тоже ниже параметров комфорта).
Третий этап:
Что произойдет, если мы опустим температуру до такого уровня, когда “грузоподъемность” воздуха будет ниже, чем количество пара в воздухе? Например, до +5 градусов, где вместимость воздуха равна 5,5 грамм/килограмм. Та часть газообразного H2O, которая не умещается в “кузов” (у нас это 2,5 грамм), начнет превращаться в жидкость, т.е. в воду. В быту особенно хорошо виден этот процесс, когда запотевают окна в связи с тем, что температура стекол ниже, чем средняя температура в комнате, на столько что влаге становится мало места в воздухе и пар, превращаясь в жидкость, оседает на стеклах.
На и-д диаграмме относительная влажность изображается изогнутыми линиями, а информация о градации расположена на самих линиях:
(для увеличения рисунка необходимо щелкнуть и потом еще раз щелкнуть по нему)
Четвертый элемент ID диаграммы - энтальпия (I или i). В энтальпии заложена энергетическая составляющая тепловлажностного состояния воздуха. При дальнейшем изучении (за пределами этой статьи, например в моей статье про энтальпию ) стоит обратить на неё особое внимание, когда речь будет заходить об осушении и увлажнении воздуха. Но пока особого внимания на этом элементе мы заострять не будем. Измеряется энтальпия в [кДж/кг]. На и-д диаграмме энтальпия изображается наклонными линиями, а информация о градации расположена на самом графике (или слева и в верхней части диаграммы).
При более строгом определении под следует понимать отношение парциальных давлений водяных паров рп, находящихся в ненасыщенном влажном воздухе к их парциальному давлению в насыщенном воздухе при той же температуре
Для области температур, характерных для кондиционирования воздуха
Плотность влажного воздуха
ρ
равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара
где - плотность сухого воздуха при данных температуре и давлении, кг/м 3 .
Для вычисления плотности влажного воздуха можно воспользоваться другой формулой:
Из уравнения видно, что с увеличением парциального давления пара при неизменных давлении p (барометрическом) и температуре T плотность влажного воздуха уменьшается. Поскольку это уменьшение незначительно, на практике принимают .
Степень насыщения влажного воздуха ψ - отношение его влагосодержания d к влагосодержанию насыщенного воздуха при той же температуре: .
Для насыщенного воздуха .
Энтальпия влажного воздуха I (кДж/кг) - количество тепла, содержащееся в воздухе, отнесенное к 1кг сухого или (1+d) кг влажного воздуха.
За нулевую точку принимают энтальпию сухого воздуха (d = 0) с температурой t = 0°С. Поэтому энтальпия влажного воздуха может иметь положительные и отрицательные значения.
Энтальпия сухого воздуха 
где - массовая теплоемкость сухого воздуха.
Энтальпия водяного пара включает количество теплоты, необходимое для превращения воды в пар при t =0 o C и количество теплоты, затраченной на нагрев полученного пара до температуры t o C. Энтальпия d кг водяного пара содержащегося в 1кг сухого воздуха: ,
2500 - скрытая теплота парообразования (испарения) воды при t=0 o C;
- массовая теплоемкость водяных паров.
Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпии 1кг сухого воздуха и энтальпии d кг водяных паров:
где 
- теплоемкость влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха.
Когда воздух находится в состоянии тумана, в нем могут быть взвешенные капли влаги d вод и даже кристаллы льда d л . Энтальпия такого воздуха в общем виде
Энтальпия воды =4.19t , энтальпия льда .
При температуре больше нуля градусов (t >0°C) в воздухе будет капельная влага, при t < 0°С - кристаллы льда.
Температура точки росы -температура воздуха, при которой в изобарном процессе охлаждения парциальное давление водяного пара р п становится равным давлению насыщения . При этой температуре начинается выпадение влаги из воздуха.
Т.е. точкой росы называют ту температуру, при которой имеющийся в воздухе водяной пар при своей неизменной плотности становится вследствие охлаждения воздуха насыщенным паром (j =100%). Для приведенных выше примеров (см. табл. 2.1), когда при 25 о С абсолютная влажность j становится 50 %, точкой росы будет температура около 14 о С. А когда при 20 о С абсолютная влажность j становится 50 %, точкой росы будет температура около 9 о С.
Человек при высоких значениях точки росы чувствует себя некомфортно (см.табл.2.2).
Таблица 2.2 – Ощущения человека при высоких значениях точки росы
В районах с континентальным климатом условия с точкой росы между 15 и 20 °C доставляют некоторый дискомфорт, а воздух с точкой росы выше 21 °C воспринимается как душный. Нижняя точка росы, менее 10 °C, коррелирует с более низкой температурой окружающей среды, и тело требует меньшего охлаждения. Нижняя точка росы может пойти вместе с высокой температурой только при очень низкой относительной влажности.
Диаграмма d- I влажного воздуха
Расчет и анализ процессов тепловлажностной обработки воздуха по вышеприведенным зависимостям сложен. Для расчета процессов, происходящих с воздухом при изменении его состояния, используют тепловую диаграмму влажного воздуха в координатах d-I (влагосодержание - энтальпия), которая была предложена нашим соотечественником профессором Л.К.Рамзиным в 1918г.
Л. К. Рамзин (1887-1948) - советский инженер-теплотехник, изобретатель
прямоточного котла. http://ru.wikipedia.org/wiki/Рамзин
Она получила широкое распространение у нас и за границей. Диаграмма d-I влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров.
Построение диаграммы основано на зависимости .
Чаще всего диаграмма d-I строится для давления воздуха, равного 0,1013 МПа (760 мм рт.ст.). Встречаются диаграммы и для других барометрических давлений.
Ввиду того, что барометрическое давление на уровне моря изменяется от 0,096 до 0,106 МПа (720 - 800 мм рт.ст.), расчетные данные по диаграмме следует рассматривать как средние.
Диаграмму строят в косоугольной системе координат (под 135°). При этом диаграмму становится удобной для графических построений и для расчетов процессов кондиционирования воздуха, поскольку расширяется область ненасыщенного влажного воздуха. Однако в целях сокращения размеров диаграммы и удобства использования значения d сносят на условную ось, расположенную под 90° к оси I .
Диаграмма d-I изображена на рисунке 1. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой - чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы. Кроме линий постоянных значений I, d, t , на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const. Иногда наносят линию парциальных давлений водяного пара р п и линии других параметров.
Рисунок 1 – Тепловая диаграмма d-I влажного воздуха
Существенное значение имеет следующее свойство диаграммы. Если воздух изменил свое состояние от точки а до точки б , безразлично по какому процессу, то на диаграмме d-I это изменение можно представить в виде отрезка прямой аб . При этом приращению энтальпии воздуха будет соответствовать отрезок бв=I б -I а . Изотерма, проведенная через точку а , разделит отрезок бв на две части:
отрезок бд
, представляющий изменение доли ощутимого тепла (запаса тепловой энергии, изменение которой приводит к изменению температуры тела): 
.
отрезок дв
, определяющий в масштабе изменение теплоты парообразования (изменение этой теплоты не вызывает изменения температуры тела): 
.
Отрезок aг соответствует изменению влагосодержания воздуха . Точку росы находят, опустив перпендикуляр из точки состояния воздуха (например из точки б ) на условную ось d до пересечения с линией насыщения (φ=100%). На рис. 2.6 К-точка росы для воздуха, начальное состояние которого определяла точка б .
Направление процесса, происходящего в воздухе, характеризуется изменениями энтальпии I и влагосодержания d .
I-d-диаграмма влажного воздуха была разработана русским ученым, профессором Л.К. Рамзиным в 1918 г. На западе аналогом I-d-диаграммы является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма. I-d-диаграмма применяется в расчетах систем кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления и позволяет быстро определить все параметры воздухообмена в помещении.
I-d-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров. Использование диаграммы позволяет наглядно отобразить вентиляционный процесс, избегая сложных вычислений по формулам.
Основные свойства влажного воздуха
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью сухого воздуха с водяным паром. Эту смесь называют влажным воздухом. Влажный воздух оценивают по следующим основным параметрам:
- Температура воздуха по сухому термометру tc, °C - характеризует степень его нагрева;
- Температура воздуха по мокрому термометру tм, °C - температура, до которой нужно охладить воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении начальной энтальпии воздуха;
- Температура точки росы воздуха tp, °C - температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания;
- Влагосодержание воздуха d, г/кг – это количество водяного пара в г (или кг), приходящееся на 1 кг сухой части влажного воздуха;
- Относительная влажность воздуха j, % – характеризует степень насыщенности воздуха водяными парами. Это отношение массы водяных паров, содержащихся в воздухе, к максимально возможной их массе в воздухе при тех же условиях, то есть температуре и давлении, и выраженное в процентах;
- Насыщенное состояние влажного воздуха – состояние, при котором воздух насыщен водяными парами до предела, для него j = 100 %;
- Абсолютная влажность воздуха е, кг/м 3 — это количество водяных паров в г, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха. Численно абсолютная влажность воздуха равна плотности влажного воздуха;
- Удельная энтальпия влажного воздуха I, кдж/кг – количество теплоты, необходимое для нагревания от 0 °С до данной температуры такого количества влажного воздуха, сухая часть которого имеет массу 1 кг. Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров;
- Удельная теплоемкость влажного воздуха с, кДж/(кг.К) – теплота, которую надо затратить на один килограмм влажного воздуха, чтобы повысить температуру его на один градус Кельвина;
- Парциальное давление водяных паров Рп, Па – давление, под которым находятся водяные пары в влажном воздухе;
- Полное барометрическое давление Рб, Па – равно сумме парциальных давлений водяного пара и сухого воздуха (согласно закону Дальтона).
Описание I-d-диаграммы
По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сухой части воздуха. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой: чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы. Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const. В нижней части I-d-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание d, г/кг, с упругостью водяного пара Рп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара Рп. Все поле диаграммы разделено линией j = 100 % на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха. Линия j = 100 % соответствует состоянию воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже расположена область пересыщенного состояния воздуха (область тумана). Каждая точка на I-d-диаграмме соответствует определенному тепловлажностному состоянию Линия на I-d-диаграмме соответствует процессу тепловлажностной обработки воздуха. Общий вид I-d-диаграммы влажного воздуха представлен ниже во вложенном файле PDF пригоден для печати в форматах А3 и А4.
Построение процессов обработки воздуха в системах кондиционирования и вентиляции на I-d-диаграмме.
Процессы нагрева, охлаждения и смешивания воздуха
На I-d-диаграмме влажного воздуха процессы нагрева и охлаждения воздуха изображаются лучами по линии d-const (рис. 2).
Рис. 2. Процессы сухого нагрева и охлаждения воздуха на I-d-диаграмме:
- В_1, В_2,– сухой нагрев;
- В_1, В_3 – сухое охлаждение;
- В_1, В_4, В_5 – охлаждение с осушением воздуха.
Процессы сухого нагрева и сухого охлаждения воздуха на практике осуществляют, применяя теплообменники (воздухонагреватели, калориферы, воздухоохладители).
Если влажный воздух в теплообменнике охлаждается ниже точки росы, то процесс охлаждения сопровождается выпадением конденсата из воздуха на поверхности теплообменника, и охлаждение воздуха сопровождается его осушкой.
Учитывая, что является основным объектом вентиляционного процесса, в области вентиляции приходится часто определять те или другие параметры воздуха. Чтобы избежать многочисленных вычислений, их определяют обычно по специальной диаграмме, которая носит название Id диаграммы. Она позволяет быстро определить все параметры воздуха по двум известным. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс. Пример Id диаграммы приведен на следующей странице. Аналогом Id диаграммы на западе является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма.
Оформление диаграммы в принципе может быть несколько различным. Типовая общая схема Id диаграммы показана ниже на рисунке 3.1. Диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной системе координат Id, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных представляют параллельные прямые, обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержаний (в принципе, углы между линиями энтальпии и влагосодержания может быть и другим). Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. В такой системе координат линии постоянных температур представляют из себя прямые линии, идущие под небольшим наклоном к горизонтали и слегка расходящиеся веером.
Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0% и 100%, между которыми нанесены линии других значений равных относительных влажностей с шагом 10%.
Шкала температур обычно располагается по левой кромке рабочего поля диаграммы. Значения энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой Ф= 100. Значения парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке рабочего поля, иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой кромке. В последнем случае на диаграмме добавочно строят вспомогательную кривую парциальных давлений.