Психрометрия

Исследование парогазовых смесей

Психрометрия (или психрометрия , от греч. ψυχρόν (psuchron)  «холодный» и μέτρον (metron)  «средство измерения»; ^{[1] [2]} также называется гигрометрией ) — область техники, изучающая физические и термодинамические свойства смесей газов и паров .

История

С изобретением гигрометра и термометра в шестнадцатом и семнадцатом веках начали появляться теории их объединения. В 1818 году немецкий изобретатель Эрнст Фердинанд Август (1795-1870) запатентовал термин «психрометр», от греческого языка, означающего «холодная мера». Психрометр — это гигрометрический прибор, основанный на принципе, что сухой воздух усиливает испарение, в отличие от влажного воздуха, который его замедляет. ^[3]

Распространенные приложения

Хотя принципы психрометрии применимы к любой физической системе, состоящей из смесей газа и пара, наиболее распространенной системой, представляющей интерес, является смесь водяного пара и воздуха, поскольку она применяется в отоплении, вентиляции, кондиционировании воздуха и метеорологии . С человеческой точки зрения, наш тепловой комфорт в значительной степени является следствием не только температуры окружающего воздуха, но и (поскольку мы охлаждаемся посредством потоотделения) степени, в которой этот воздух насыщен водяным паром.

Многие вещества гигроскопичны , то есть они притягивают воду, обычно пропорционально относительной влажности или выше критической относительной влажности . К таким веществам относятся хлопок, бумага, целлюлоза, другие изделия из древесины, сахар, оксид кальция (негашеная известь) и многие химикаты и удобрения. Отрасли, использующие эти материалы, озабочены контролем относительной влажности при производстве и хранении таких материалов. Относительная влажность часто контролируется в производственных зонах, где обрабатываются легковоспламеняющиеся материалы, чтобы избежать пожаров, вызванных разрядами статического электричества, которые могут возникнуть в очень сухом воздухе.

В промышленных приложениях для сушки, таких как сушка бумаги, производители обычно пытаются достичь оптимума между низкой относительной влажностью, которая увеличивает скорость сушки, и потреблением энергии, которое уменьшается с ростом относительной влажности выхлопных газов. Во многих промышленных приложениях важно избегать конденсации , которая может испортить продукт или вызвать коррозию.

Плесень и грибки можно контролировать, поддерживая низкую относительную влажность. Грибы, разрушающие древесину, обычно не растут при относительной влажности ниже 75%.

Психрометрические свойства

Температура сухого термометра (DBT)

Температура сухого термометра — это температура, показываемая термометром, выставленным на воздух в месте, защищенном от прямого солнечного излучения. Термин «сухой термометр» обычно добавляется к температуре, чтобы отличить ее от влажного термометра и температуры точки росы. В метеорологии и психрометрии само по себе слово «температура» без префикса обычно означает температуру сухого термометра. Технически, температура, зарегистрированная сухим термометром психрометра. Название подразумевает, что чувствительный элемент или колба на самом деле сухие. ВМО предоставляет 23-страничную главу об измерении температуры. ^[4]

Температура влажного термометра (WBT)

Термодинамическая температура влажного шарика — это термодинамическое свойство смеси воздуха и водяного пара. Значение, показываемое термометром с влажным шариком, часто дает адекватное приближение термодинамической температуры влажного шарика.

Точность простого влажного термометра зависит от того, насколько быстро воздух проходит над шариком и насколько хорошо термометр защищен от лучистой температуры окружающей среды. Скорость до 5000 футов/мин (~60 миль/ч, 25,4 м/с) является лучшей, но перемещать термометр на такой скорости может быть опасно. Ошибки до 15% могут возникать, если движение воздуха слишком медленное или если присутствует слишком много лучистого тепла (например, от солнечного света).

Температура по влажному термометру, измеренная при скорости воздуха около 1–2 м/с, называется температурой экрана , тогда как температура, измеренная при скорости воздуха около 3,5 м/с или более, называется температурой стропы .

Психрометр — это устройство, включающее в себя как сухой, так и влажный термометр. Психрометр с петлей требует ручного управления для создания потока воздуха над шариками, но в психрометре с электроприводом для этой функции есть вентилятор. Зная как температуру сухого (DBT), так и температуру влажного (WBT) термометра, можно определить относительную влажность (RH) по психрометрической диаграмме, соответствующей давлению воздуха.

Температура точки росы

Температура насыщения влаги, присутствующей в образце воздуха, ее также можно определить как температуру, при которой пар превращается в жидкость (конденсация). Обычно уровень, при котором водяной пар превращается в жидкость, отмечает основание облака в атмосфере, поэтому называется уровнем конденсации. Таким образом, значение температуры, при котором этот процесс (конденсация) происходит, называется «температурой точки росы». Упрощенное определение — это температура, при которой водяной пар превращается в «росу» (Чамунода Замбуко 2012).

Влажность

Удельная влажность

Удельная влажность определяется как отношение массы водяного пара к массе образца влажного воздуха (включая как сухой воздух, так и водяной пар); она тесно связана с коэффициентом влажности и всегда имеет меньшее значение.

Абсолютная влажность

Масса водяного пара на единицу массы сухого воздуха, содержащего водяной пар. Эта величина также известна как плотность водяного пара. ^[5]

Относительная влажность

Выраженное в процентах отношение количества присутствующей атмосферной влаги к количеству, которое присутствовало бы, если бы воздух был насыщенным.

Удельная энтальпия

Аналогично удельной энтальпии чистого вещества. В психрометрии этот термин количественно определяет общую энергию как сухого воздуха, так и водяного пара на килограмм сухого воздуха.

Удельный объем

Аналогично удельному объему чистого вещества. Однако в психрометрии этот термин количественно определяет общий объем как сухого воздуха, так и водяного пара на единицу массы сухого воздуха.

Психрометрическое отношение

Психрометрическое отношение — это отношение коэффициента теплопередачи к произведению коэффициента массопередачи и влажного тепла на смоченной поверхности. Его можно оценить с помощью следующего уравнения: ^{[6] [7]}

${\displaystyle r={\frac {h_{c}}{k_{y}c_{s}}}\,}$

где:

${\displaystyle r}$  = психрометрическое отношение, безразмерное

${\displaystyle h_{c}}$ = коэффициент конвективной теплопередачи, Вт м ⁻² К ⁻¹

${\displaystyle k_{y}}$ = коэффициент конвективного массопереноса, кг м ⁻² с ⁻¹

${\displaystyle c_{s}}$ = влажное тепло, Дж кг ⁻¹ К ⁻¹

Психрометрическое отношение является важным свойством в области психрометрии, поскольку оно связывает абсолютную влажность и влажность насыщения с разницей между температурой сухого термометра и адиабатической температурой насыщения .

Смеси воздуха и водяного пара являются наиболее распространенными системами, встречающимися в психрометрии. Психрометрическое отношение смесей воздуха и водяного пара приблизительно равно единице, что означает, что разница между адиабатической температурой насыщения и температурой влажного термометра смесей воздуха и водяного пара мала. Это свойство систем воздуха и водяного пара упрощает расчеты сушки и охлаждения, часто выполняемые с использованием психрометрических соотношений.

Влажное тепло

Влажное тепло — это удельная теплота влажного воздуха при постоянном давлении , на единицу массы сухого воздуха. ^[8] Влажное тепло — это количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы смеси водяного пара и воздуха на 1 °C.

Давление

Многие психрометрические свойства зависят от концепции давления :

• давление паров воды;
• атмосферное давление в месте расположения образца.

Психрометрические диаграммы

^[9]

Психрометрическая карта высоты уровня моря

Терминология

Психрометрическая карта — это график термодинамических параметров влажного воздуха при постоянном давлении, часто приравниваемом к высоте относительно уровня моря. Психрометрическая карта в стиле ASHRAE , показанная здесь, была впервые предложена Уиллисом Кэрриером в 1904 году. ^[10] Она отображает эти параметры и, таким образом, является графическим уравнением состояния . Параметры следующие:

• Температура сухого термометра ( DBT ) — это температура образца воздуха, определяемая обычным термометром. Обычно она отображается на оси абсцисс (горизонтальной оси) графика. Единицами измерения температуры в системе СИ являются кельвины или градусы Цельсия ; другими единицами измерения являются градусы Фаренгейта и градусы Ранкина .
• Температура влажного термометра ( WBT ) — это температура образца воздуха после того, как он прошел через процесс идеального адиабатического насыщения при постоянном давлении, то есть после того, как воздух прошел над большой поверхностью жидкой воды в изолированном канале. На практике это показания термометра, чувствительный шарик которого покрыт влажным носком, испаряющимся в быстрый поток воздуха образца (см. Гигрометр ). Когда образец воздуха предварительно насыщен водой, WBT будет показывать то же самое, что и DBT. Наклон линий постоянной WBT — это отношение теплоты испарения воды к удельной теплоте сухого воздуха, примерно 0,4.
• Температура точки росы ( DPT ) — это температура, при которой образец влажного воздуха при том же давлении достигнет «насыщения» водяного пара. В этой точке дальнейшее удаление тепла приведет к конденсации водяного пара в жидкий водяной туман или, если ниже точки замерзания , в твердый иней . Температура точки росы легко измеряется и дает полезную информацию, но обычно не считается независимым свойством образца воздуха, поскольку дублирует информацию, доступную через другие свойства влажности и кривую насыщения.
• Относительная влажность ( RH ) — это отношение молярной доли водяного пара к молярной доле насыщенного влажного воздуха при той же температуре и давлении. RH безразмерна и обычно выражается в процентах. Линии постоянной RH отражают физику воздуха и воды: они определяются посредством экспериментального измерения. Концепция, что воздух «удерживает» влагу или что влага «растворяется» в сухом воздухе и насыщает раствор в некоторой пропорции, ошибочна (хотя и широко распространена); см. относительную влажность для получения более подробной информации.
• Коэффициент влажности — это доля массы водяного пара на единицу массы сухого воздуха при заданных условиях (DBT, WBT, DPT, RH и т. д.). Он также известен как содержание влаги или соотношение смешивания. Обычно он отображается на оси ординат (вертикальной оси) графика. Для заданного DBT будет существовать определенный коэффициент влажности, при котором образец воздуха имеет относительную влажность 100%: соотношение отражает физику воды и воздуха и должно определяться путем измерения. Безразмерный коэффициент влажности обычно выражается в граммах воды на килограмм сухого воздуха или в гранах воды на фунт воздуха (7000 гран равны 1 фунту).
• Удельная энтальпия , обозначаемая как h , представляет собой сумму внутренней (тепловой) энергии влажного воздуха, включая теплоту воздуха и водяного пара внутри. Также называется теплосодержанием на единицу массы. В приближении идеальных газов линии постоянной энтальпии параллельны линиям постоянной WBT. Энтальпия выражается в (СИ) джоулях на килограмм воздуха или БТЕ на фунт сухого воздуха.
• Удельный объем — это объем смеси (сухой воздух плюс водяной пар), содержащей одну единицу массы «сухого воздуха». Единицы СИ — кубические метры на килограмм сухого воздуха; другие единицы — кубические футы на фунт сухого воздуха. Обратную величину удельного объема обычно путают с плотностью смеси. ^[11] Однако, чтобы получить фактическую плотность смеси ( ), необходимо умножить обратную величину удельного объема на единицу плюс значение коэффициента влажности в интересующей точке: ^[12] ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{da}+M_{w}}{V}}\,=\left({\frac {1}{v}}\right)(1+W)}$

где:

${\displaystyle M_{da}}$  = масса сухого воздуха

${\displaystyle M_{w}}$   = масса водяного пара

${\displaystyle V}$       = общий объем

${\displaystyle v}$        = удельный объем влажного воздуха, м ³ кг ⁻¹

${\displaystyle W={\frac {M_{w}}{M_{da}}}\,}$= коэффициент влажности

Психрометрическая карта позволяет определить все параметры некоторого влажного воздуха из любых трех независимых параметров, одним из которых должно быть давление. Изменения состояния , например, при смешивании двух воздушных потоков, можно легко и в некоторой степени графически смоделировать с помощью правильной психрометрической карты для давления воздуха в месте или высоты относительно уровня моря. Для мест на высоте не более 2000 футов (600 м) над уровнем моря общепринятой практикой является использование психрометрической карты для уровня моря.

На графике ω - t температура сухого термометра ( t ) отображается как абсцисса (горизонтальная ось), а отношение влажности ( ω ) отображается как ордината (вертикальная ось). График действителен для заданного давления воздуха (или высоты над уровнем моря). Из любых двух независимых параметров: температуры сухого термометра, температуры влажного термометра, относительной влажности, отношения влажности, удельной энтальпии и удельного объема, можно определить все остальные. Возможны комбинации независимых и производных параметров. ${\displaystyle \left({6 \atop 2}\right)=15}$

Расположение параметров на диаграмме

• Температура сухого термометра : эти линии нарисованы прямыми, не всегда параллельными друг другу и слегка наклонены от вертикального положения. Это ось t , ось абсцисс (горизонтальная). Каждая линия представляет собой постоянную температуру.

• Температура точки росы : от точки состояния ^{[ необходимо разъяснение ]} проведите горизонтальную линию постоянного отношения влажности до пересечения с 100% относительной влажности, также известную как кривая насыщения . Температура точки росы равна температуре полностью насыщенного сухого или влажного термометра.

• Температура по влажному термометру : эти линии являются наклонными и немного отличаются от линий энтальпии. Они идентичны прямым, но не совсем параллельны друг другу. Они пересекают кривую насыщения в точке DBT.

• Относительная влажность : эти гиперболические линии показаны с интервалом в 10%. Кривая насыщения соответствует 100% относительной влажности, тогда как сухой воздух соответствует 0% относительной влажности.

• Коэффициент влажности : Это горизонтальные линии на графике. Коэффициент влажности обычно выражается как масса влаги на массу сухого воздуха (фунты или килограммы влаги на фунт или килограмм сухого воздуха соответственно). Диапазон составляет от 0 для сухого воздуха до 0,03 (lbmw/lbma) на правой оси ω , оси ординат или вертикальной оси графика.

• Удельная энтальпия : Это косые линии, проведенные по диагонали вниз слева направо по всей диаграмме, которые параллельны друг другу. Они не параллельны линиям температуры влажного термометра.

• Удельный объем : это семейство равноотстоящих прямых линий, которые почти параллельны.

Область над кривой насыщения представляет собой двухфазную область, представляющую собой смесь насыщенного влажного воздуха и жидкой воды, находящихся в тепловом равновесии.

Транспортир в верхнем левом углу диаграммы имеет две шкалы. Внутренняя шкала представляет собой отношение явного и общего тепла (SHF). Внешняя шкала показывает отношение разницы энтальпии к разнице влажности. Это используется для установления наклона линии состояния между двумя процессами. Горизонтальная составляющая линии состояния представляет собой изменение явного тепла, а вертикальная составляющая — изменение скрытого тепла. ^{[13] [14] [15]}

Как читать график: основные примеры

Психрометрические карты ^[16] доступны в единицах СИ (метрических) и IP (американских/имперских). Они также доступны в диапазонах низких и высоких температур и для различных давлений.

• Определение относительной влажности: Процент относительной влажности можно найти на пересечении вертикальной линии сухого термометра и наклонной линии влажного термометра, идущей по диагонали вниз. Метрическая система (СИ): Используя сухой термометр при 25 °C и влажный термометр при 20 °C, считайте значение относительной влажности примерно на 63,5%. Американская/имперская система (IP): Используя сухой термометр при 77 °F и влажный термометр при 68 °F, считайте значение относительной влажности примерно на 63,5%. В этом примере отношение влажности составляет 0,0126 кг воды на кг сухого воздуха.
• Определение влияния изменения температуры на относительную влажность: Для воздуха с фиксированным водным составом или влажностью найдите начальную относительную влажность из пересечения линий температуры влажного и сухого термометра. Используя условия из предыдущего примера, относительную влажность при другой температуре сухого термометра можно найти вдоль горизонтальной линии влажности 0,0126, либо в кг воды на кг сухого воздуха, либо в фунтах воды на фунт сухого воздуха.

Распространенной вариацией этой проблемы является определение конечной влажности воздуха, выходящего из испарительного змеевика кондиционера, а затем нагреваемого до более высокой температуры. Предположим, что температура, выходящая из змеевика, составляет 10°C (50°F), и воздух нагревается до комнатной температуры (не смешивается с комнатным воздухом), что определяется путем отслеживания горизонтального соотношения влажности от точки росы или линии насыщения до линии температуры сухого термометра в помещении и считывания относительной влажности. В типичной практике кондиционированный воздух смешивается с комнатным воздухом, который инфильтруется наружным воздухом.

• Определение количества воды, которое необходимо удалить или добавить при понижении или повышении относительной влажности: это разница в соотношении влажности между начальными и конечными условиями, умноженная на вес сухого воздуха.

Диаграмма Молье (график), единицы IP

Диаграмма Молье

Диаграмма «Mollier i - x » (энтальпия – влажность, отношение смешивания), разработанная Рихардом Молье в 1923 году ^[17] , является альтернативной психрометрической диаграммой, которую предпочитают многие пользователи в Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Бельгии, Франции, Скандинавии, Восточной Европе и России. ^[18]

Базовые данные психрометрических параметров для психрометрической карты и диаграммы Молье идентичны. На первый взгляд между картами мало сходства, но если повернуть карту на девяносто градусов и посмотреть на нее в зеркало, сходство становится очевидным. Координаты диаграммы Молье — это энтальпия и отношение влажности. Координата энтальпии наклонена , а линии постоянной энтальпии параллельны и равномерно распределены. Психрометрические карты ASHRAE с 1961 года используют похожие координаты построения. Некоторые психрометрические карты используют координаты температуры сухого термометра и отношения влажности .

Смотрите также

• Воздух
• Кондиционер
• цикл Карно
• цикл Кромера
• Закон парциальных давлений Дальтона
• Точка росы
• Температура сухого термометра
• Испарительное охлаждение
• Влажность
• Рабочая температура
• Относительная влажность
• Температура по влажному термометру

Ссылки

1. Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, «психрон», Греко-английский словарь
2. Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, «метрон», Греко-английский словарь
3. Галликкио, Николь. «Эволюция метеорологии: взгляд в прошлое, настоящее и будущее прогнозирования погоды» (2017) стр. 11-17, ISBN 9781119136170 
4. Всемирная метеорологическая организация. (2008) Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений. ВМО-8. Седьмое издание. Глава 2, Измерение температуры.
5. "AMS Weather Glossary". Американское метеорологическое общество. Архивировано из оригинала 16 октября 2012 года . Получено 18 сентября 2011 года .
6. http://www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/manuals/coollabmanual.pdf Архивировано 21 июля 2011 г. на Wayback Machine , дата обращения 20080408
7. http://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf Архивировано 27 июля 2011 г. на Wayback Machine , дата обращения 20080408
8. "Архивная копия". Архивировано из оригинала 2006-10-30 . Получено 2008-04-10 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
9. Осушение в промышленности и строительстве . 2012.
10. Гатли, Д.П. (2004). «Психрометрическая диаграмма отмечает 100-летие». ASHRAE Journal . 46 (11): 16–20.
11. "Модуль 7: Применение психрометрических соотношений" . Получено 2021-10-13 .
12. 2001 ASHRAE Handbook – Fundamentals (SI) . Скотт А. Зе, Нэнси Ф. Тайселл и Джейн Э. Джексон. 2001. стр. 6.8.
13. Куц, Майер (ред.). (2006) Справочник инженера-механика. Нью-Джерси: John Wiley & Sons.
14. Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (1997). ASHRAE Fundamentals Handbook
15. Биаска, Карин. «Учебник по психрометрическим диаграммам». Архивировано 2 января 2011 г. на Wayback Machine , дата обращения 20 ноября 2010 г.
16. Инициатива Гавайских энергетических и экологических технологий (HEET) . Июль 2016 г.
17. Молье, Р. 1923. «Ein neues диаграмма для влажного потока». ЗВДИ 67(9)
18. Тодорович, Б., ASHRAE Transactions DA-07-024 (113-1), 2007

Внешние ссылки

• Western Cooling Efficiency Center Psych: открытый исходный код психрометрического плагина для Microsoft Excel, Кевин Браун.
• Xchanger Inc, веб-страница Калькулятор влажности, точки росы, массового расхода и теплового потока для систем переменного давления с компрессорами, воздуходувками, вакуумными насосами и теплообменниками.
• Калькуляторы Корвина Калькулятор влажности, точки росы.
• Как читать и использовать психрометрическую диаграмму
• Бесплатная интерактивная психрометрическая таблица онлайн
• Калькулятор и эскиз психрометрических карт