Основные определения

Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим; если же в его состав входит водяной пар, то воздух называется влажным. Таким образом, влажный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара.

Следует отметить принципиально разное значение термина «влажный» применительно к пару и к воздуху. Как известно из предыдущего, пар называется влажным в том случае, если он содержит мелкодисперсную жидкость, влажный же воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или в крайнем случае сухой насыщенный водяной пар. Вообще говоря, воздух может быть и пересыщенным, т.е. содержать влажный пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчета сушильных установок, вентиляционных устройств, установок кондиционирования воздуха и во многих других случаях. Закономерности, полученные для влажного воздуха, справедливы и для других газов, содержащих водяной пар, например для газообразного топлива или дымовых газов. Поэтому они широко применяются также в топочной и котельной технике.

Дальше будет показано, что водяной пар, содержащийся во влажном воздухе, с достаточной точностью можно рассматривать как идеальный газ. Поэтому к влажному воздуху можно применить закон Дальтона, согласно которому давление влажного воздуха составляет

, (8.1)

где р_в и р_п – парциальные давления сухого воздуха и водяного пара в смеси.

Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть .различным и характеризуется количеством пара в килограммах, приходящимся на 1 м³ влажного воздуха. Эта величина называется абсолютной влажностью воздуха.

Сравним содержимое двух сосудов объемом 1 м³ каждый, находящихся при одинаковых температурах t (рис. 8.1). В первом из них находится влажный воздух под давлением , во втором – водяной пар под давлением р_п. Из самого определения парциального давления следует, что количество водяного пара в обоих сосудах одинаково. Но ведь количество пара в первом сосуде определяет абсолютную влажность содержащегося в нем воздуха, а количество пара во втором сосуде определяет плотность его ρ при заданных давлении р_п и температуре t. Следовательно, абсолютная влажность воздуха численно равна плотности содержащегося в нем водяного пара ρ при парциальном давлении его в воздухе р_п и температуре воздуха t.

Рассмотрим в – диаграмме различные состояния водяного пара во влажном воздухе при давлении последнего, равном р (рис. 8.2).

Предположим, что состояние его характеризуется точкой 1. В этом случае температура влажного воздухаt₁меньше, чем температура насыщения водяного пара при давлении р, т. е. меньше, чем t_нр, а парциальное давление пара в воздухе р_п меньше, чем давление насыщения р_н при температуре t₁.Очевидно, что водяной пар во влажном воздухе в этом случае будет перегретым, при этом абсолютная влажность воздуха , где – удельный объем пара, показанный на диаграмме.

Влажный воздух в таком состоянии, когда содержащийся в нем пар перегрет; называется ненасыщенным, потому что количество пара в нём при заданной температуре t₁ может быть и больше, чем ρ_п. В этом легко убедиться, перемещав точку 1 вверх по изотерме t₁. Величина при этом будет уменьшаться следовательно, величина ρ_п – увеличиваться.

Максимально возможное содержание водяного пара в воздухе при температуре t₁ будет иметь место в том случае, когда парциальное давление пара р_п станет равным р_н (точка 2). Очевидно, оно будет равно плотности сухого насыщенного пара при давлении р_н и температуре t₁. В этом случае влажный воздух будет представлять собой смесь сухого воздуха и сухого насыщенного пара. Такой воздух называется насыщенным.

Диаграмма показывает, что с повышением температуры насыщенного влажного воздуха парциальное давление пара в нем р_н, возрастает и при

t= t _нр получаем р_н = р, т. е. при этой температуре состояние насыщения достигается в том случае, если сухого воздуха в смеси не будет вообще (р_в=0) и она будет представлять собой фактически лишь один сухой насыщенный пар (точка 3). Иными словами, любая смесь сухого воздуха с паром при температуре t_нр является ненасыщенным влажным воздухом. Максимально возможное содержание пара в этом случае равно плотности пара при параметрах р и t_нр.

Например, влажный воздух, находящийся при нормальном давлении р_о=760 мм рт. ст. и температуре t =100°С, при любом парциальном давлении пара р_п< 760 мм рт. ст. будет ненасыщенным. Состояние насыщения достигается лишь при р_п=760 мм рт. ст., но тогда он будет представлять собой фактически чистый сухой насыщенный пар без всякой примеси воздуха.

Наконец, если влажный воздух имеет температуру t₂>t_нр (точка 4), то пар в нем всегда перегрет и состояние насыщения не достигается даже в том случае, когда cмесь будет состоять из одного лишь пара (точка 5). Очевидно, что плотность перегретого пара, характеризуемого точкой 5, представляет собой максимально возможное содержание пара в смеси при температуре t₂.

В соответствии с изложенным, высшим пределом парциального давления пара во влажном воздухе при t<t_нр является давление насыщения р_н при данной температуре воздуха, а при этим пределом является само давление влажного воздуха р.

Это означает, что если воздух насыщен, то его абсолютная влажность зависит только от температуры и остается неизменной при любом давлении р>р_н. Например, если насыщенный влажный воздух сжать изотермически до пятикратного уменьшения объема (причем его давление увеличивается также в 5 раз), то 80% содержащегося в нем водяного пара попросту сконденсируется, а абсолютная влажность воздуха останется той же, а именно . Это обстоятельство наглядно иллюстрирует рис. 8.3.

Этот рисунок показывает, что количество водяного пара, приходящееся на единицу объема, после сжатия осталось таким же, каким было и до сжатия, в то время как количество сухого воздуха в единице объема увеличилось в 5 раз.