Психрометрика
Влажность и гигрометрия |
---|
Конкретные концепции |
Общие понятия |
Меры и инструменты |
Психрометрия (или психрометрия , от греческого ψυχρόν (псухрон) «холод» и μέτρον (метрон) «средство измерения»; [1] [2] называемая гигрометрией ) — область техники, изучающая физические термодинамические свойства парогазовых смесей и также .
История
[ редактировать ]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», в переводе с греческого языка означающий «мера холода». Психрометр — гигрометрический прибор, основанный на том принципе, что сухой воздух усиливает испарение, в отличие от влажного воздуха, который его замедляет. [3]
Общие приложения
[ редактировать ]Хотя принципы психрометрии применимы к любой физической системе, состоящей из парогазовых смесей, наиболее распространенной системой, представляющей интерес, является смесь водяного пара и воздуха из-за ее применения в отоплении, вентиляции, кондиционировании воздуха и метеорологии . С человеческой точки зрения наш тепловой комфорт во многом является следствием не только температуры окружающего воздуха, но (поскольку мы охлаждаемся через потоотделение) степени, в которой этот воздух насыщен водяным паром.
Многие вещества гигроскопичны , то есть 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. Промышленности, использующие эти материалы, заботятся о контроле относительной влажности при производстве и хранении таких материалов. Относительная влажность часто контролируется в производственных помещениях, где работают с легковоспламеняющимися материалами, чтобы избежать пожаров, вызванных разрядами статического электричества, которые могут возникнуть в очень сухом воздухе.
В промышленных применениях сушки, таких как сушка бумаги, производители обычно пытаются достичь оптимума между низкой относительной влажностью, которая увеличивает скорость сушки, и потреблением энергии, которое снижается по мере увеличения относительной влажности выхлопных газов. Во многих отраслях промышленности важно избегать образования конденсата , который может испортить продукт или вызвать коррозию.
С плесенью и грибками можно бороться, поддерживая низкую относительную влажность. Грибы, разрушающие древесину, обычно не растут при относительной влажности ниже 75%.
Психрометрические свойства
[ редактировать ]Температура по сухому термометру (DBT)
[ редактировать ]Температура по сухому термометру — это температура, показываемая термометром, помещенным на воздух в месте, защищенном от прямой солнечной радиации. Термин «сухой термометр» обычно добавляют к температуре, чтобы отличить ее от температуры по влажному термометру и температуры точки росы. В метеорологии и психрометрике само слово «температура» без приставки обычно означает температуру по сухому термометру. Технически это температура, регистрируемая сухим термометром психрометра. Название подразумевает, что чувствительная лампочка или элемент на самом деле сухая. ВМО предоставляет 23-страничную главу, посвященную измерению температуры. [4]
Температура по влажному термометру (WBT)
[ редактировать ]Термодинамическая температура по влажному термометру — это термодинамическое свойство смеси воздуха и водяного пара. Значение, показываемое термометром по влажному термометру, часто обеспечивает адекватное приближение к термодинамической температуре по влажному термометру.
Точность простого термометра с мокрым термометром зависит от того, насколько быстро воздух проходит через колбу и насколько хорошо термометр защищен от лучистой температуры окружающей среды. Лучше всего двигаться со скоростью до 5000 футов/мин (~60 миль в час, 25,4 м/с), но перемещать термометр на такой скорости может быть опасно. Погрешности до 15 % могут возникать, если движение воздуха слишком медленное или присутствует слишком много лучистого тепла (например, от солнечного света).
Температура по влажному термометру, измеренная при движении воздуха со скоростью около 1–2 м/с, называется температурой экрана , тогда как температура, измеренная при движении воздуха со скоростью около 3,5 м/с или более, называется температурой стропы .
Психрометр – это устройство, включающее в себя термометр с сухим и мокрым термометром. Психрометр с петлей требует ручного управления для создания потока воздуха над колбами, но психрометр с приводом включает в себя вентилятор для этой функции. Зная как температуру по сухому термометру (DBT), так и температуру по влажному термометру (WBT), можно определить относительную влажность (RH) по психрометрической диаграмме, соответствующей давлению воздуха.
Температура точки росы
[ редактировать ]Температура насыщения влаги, присутствующей в образце воздуха, также может быть определена как температура, при которой пар превращается в жидкость (конденсация). Обычно уровень, на котором водяной пар превращается в жидкость, отмечает основание облака в атмосфере, поэтому его называют уровнем конденсации. Поэтому значение температуры, при котором происходит этот процесс (конденсация), называется «температурой точки росы». Упрощенное определение — это температура, при которой водяной пар превращается в «росу» (Чамунода Замбуко, 2012).
Влажность
[ редактировать ]Удельная влажность
[ редактировать ]Удельная влажность определяется как отношение массы водяного пара к массе пробы влажного воздуха (включая как сухой воздух, так и водяной пар); он тесно связан с коэффициентом влажности и всегда ниже по значению.
Абсолютная влажность
[ редактировать ]Масса водяного пара на единицу массы сухого воздуха, содержащего водяной пар. Эта величина также известна как плотность водяного пара. [5]
Относительная влажность
[ редактировать ]Это отношение, выраженное в процентах, количества присутствующей в атмосфере влаги к количеству, которое присутствовало бы, если бы воздух был насыщенным.
Удельная энтальпия
[ редактировать ]Аналог удельной энтальпии чистого вещества. В психрометрике этот термин количественно определяет общую энергию сухого воздуха и водяного пара на килограмм сухого воздуха.
Удельный объем
[ редактировать ]Аналог удельному объему чистого вещества. Однако в психрометрике этот термин количественно определяет общий объем как сухого воздуха, так и водяного пара на единицу массы сухого воздуха.
Психрометрическое соотношение
[ редактировать ]Психрометрическое соотношение — это отношение коэффициента теплоотдачи к произведению коэффициента массоотдачи и влажного тепла на смоченной поверхности. Его можно оценить с помощью следующего уравнения: [6] [7]
- где:
- = психрометрическое соотношение, безразмерное
- = коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт·м −2 К −1
- = коэффициент конвективного массообмена, кг·м −2 с −1
- = влажное тепло, Дж кг −1 К −1
Психрометрическое соотношение является важным свойством в области психрометрии, поскольку оно связывает абсолютную влажность и влажность насыщения с разницей между температурой сухого термометра и температурой адиабатического насыщения .
Смеси воздуха и водяного пара — наиболее распространенные системы, встречающиеся в психрометрии. Психрометрическое отношение паровоздушных смесей примерно равно единице, что означает, что разница между температурой адиабатического насыщения и температурой по влажному термометру паровоздушных смесей невелика. Это свойство систем воздух-вода упрощает расчеты сушки и охлаждения, часто выполняемые с использованием психрометрических соотношений.
Влажная жара
[ редактировать ]Влажное тепло влажного воздуха при постоянном давлении — это удельная теплота на единицу массы сухого воздуха. [8] Влажное тепло – это количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы смеси водяного пара и воздуха на 1 °С.
Давление
[ редактировать ]Многие психрометрические свойства зависят от концепции давления :
- давление пара воды;
- атмосферное давление в месте расположения пробы.
Психрометрические диаграммы
[ редактировать ]Терминология
[ редактировать ]Психрометрическая диаграмма — это график термодинамических параметров влажного воздуха при постоянном давлении, часто приравниваемом к высоте над уровнем моря. была ASHRAE Показанная здесь психрометрическая диаграмма в стиле впервые предложена Уиллисом Кэрриером в 1904 году. [10] Оно отображает эти параметры и, таким образом, представляет собой графическое уравнение состояния . Параметры:
- Температура по сухому термометру ( DBT ) — это температура пробы воздуха, определяемая обычным термометром. Обычно он отображается по оси абсцисс (горизонтальной оси) графика. Единицами СИ для температуры являются кельвины или градусы Цельсия ; другие единицы измерения — градусы Фаренгейта и градусы Рэнкина .
- Температура по влажному термометру ( WBT ) — это температура пробы воздуха после того, как она прошла идеальный адиабатический процесс насыщения при постоянном давлении, то есть после того, как воздух прошел над большой поверхностью жидкой воды в изолированном канале. На практике это показания термометра, чувствительная колба которого покрыта мокрым носком, испаряющимся в быстрый поток пробы воздуха (см. Гигрометр ). Когда проба воздуха предварительно насыщена водой, показания WBT будут такими же, как и DBT. Наклон линий постоянной WBT представляет собой отношение теплоты парообразования воды к удельной теплоемкости сухого воздуха, примерно 0,4.
- Температура точки росы ( DPT ) — это температура, при которой образец влажного воздуха при том же давлении достигнет «насыщения» водяным паром. В этот момент дальнейший отвод тепла приведет к конденсации водяного пара в жидкий водяной туман или, если температура ниже точки замерзания , в твердый иней . Температура точки росы легко измеряется и дает полезную информацию, но обычно не считается независимым свойством пробы воздуха, поскольку она дублирует информацию, доступную через другие свойства влажности и кривую насыщения.
- Относительная влажность ( RH ) — это отношение мольной доли водяного пара к мольной доле насыщенного влажного воздуха при тех же температуре и давлении. RH безразмерен и обычно выражается в процентах. Линии постоянной относительной влажности отражают физику воздуха и воды: они определяются экспериментальным путем. Представление о том, что воздух «удерживает» влагу или что влага «растворяется» в сухом воздухе и в некоторой пропорции насыщает раствор, ошибочно (хотя и широко распространено); дополнительную информацию см. в разделе относительная влажность .
- Коэффициент влажности – это доля массы водяного пара в единице 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 как ордината (вертикальная ось) графика. Для данного DBT будет определенный коэффициент влажности, при котором относительная влажность пробы воздуха составляет 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 крупицах воды на фунт воздуха (7000 гран равны 1 фунту).
- Удельная энтальпия , обозначаемая h , представляет собой сумму внутренней (тепловой) энергии рассматриваемого влажного воздуха, включая тепло воздуха и водяного пара внутри. Также называется теплосодержанием на единицу массы. В приближении идеальных газов линии постоянной энтальпии параллельны линиям постоянного 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. Обратная величина удельного объема обычно путается с плотностью смеси. [11] Однако для получения фактической плотности смеси ( ) необходимо умножить обратную величину удельного объема на единицу плюс значение коэффициента влажности в интересующей точке: [12]
- где:
- = масса сухого воздуха
- = масса водяного пара
- = общий объем
- = удельный объем влажного воздуха, м 3 кг −1
- = коэффициент влажности
Психрометрическая диаграмма позволяет определить все параметры некоторого влажного воздуха по любым трем независимым параметрам, одним из которых должно быть давление. Изменения состояния , например, когда смешиваются два воздушных потока, можно легко и в некоторой степени графически смоделировать, используя правильную психрометрическую диаграмму для давления воздуха в данном месте или высоты относительно уровня моря. Для мест на высоте не более 2000 футов (600 м) обычной практикой является использование психрометрической карты уровня моря.
На диаграмме ω - t температура по сухому термометру ( t ) отображается по оси абсцисс (горизонтальная ось), а коэффициент влажности ( ω ) отображается по оси ординат (вертикальная ось). Таблица действительна для данного давления воздуха (или высоты над уровнем моря). Все остальные можно определить по любым двум независимым из шести параметров: температуре по сухому термометру, температуре по влажному термометру, относительной влажности, коэффициенту влажности, удельной энтальпии и удельному объему. Есть возможные комбинации независимых и производных параметров.
Расположение параметров на графике
[ редактировать ]- Температура по сухому термометру : эти линии нарисованы прямыми, не всегда параллельными друг другу и слегка наклоненными от вертикального положения. Это ось t , ось абсцисс (горизонтальная). Каждая линия представляет постоянную температуру.
- Температура точки росы : От состояния [ нужны разъяснения ] Точка следует за горизонтальной линией постоянного коэффициента влажности до точки пересечения 100% относительной влажности, также известной как кривая насыщения . Температура точки росы равна температуре полностью насыщенного сухого или влажного термометра.
- Температура по влажному термометру : эти линии представляют собой наклонные линии, которые немного отличаются от линий энтальпии. Они одинаково прямые, но не совсем параллельны друг другу. Они пересекают кривую насыщения в точке DBT.
- Относительная влажность : эти гиперболические линии показаны с интервалом 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 (фунт-мВт/фунт-ма) на правой оси ω , ординатной или вертикальной оси диаграммы.
- Удельная энтальпия : это наклонные линии, проведенные по диагонали вниз слева направо поперек диаграммы и параллельные друг другу. Они не параллельны температурным линиям по влажному термометру.
- Удельный объем : это семейство почти параллельных прямых линий, расположенных на равном расстоянии друг от друга.
Область над кривой насыщения представляет собой двухфазную область, представляющую собой смесь насыщенного влажного воздуха и жидкой воды, находящихся в тепловом равновесии.
Транспортир в левом верхнем углу диаграммы имеет две шкалы. Внутренняя шкала представляет коэффициент полезного общего тепла (SHF). Внешняя шкала показывает отношение разницы энтальпии к разности влажности. Это используется для определения наклона линии условия между двумя процессами. Горизонтальная составляющая линии состояния представляет собой изменение явного тепла, а вертикальная составляющая — изменение скрытого тепла. [13] [14] [15]
Как читать график: фундаментальные примеры
[ редактировать ]Психрометрические диаграммы [16] доступны в единицах измерения СИ (метрические) и IP (США/имперские). Они также доступны в диапазоне низких и высоких температур и для различного давления.
- Определение относительной влажности. Процент относительной влажности можно определить на пересечении вертикальной линии сухого термометра и диагональной наклонной линии температуры по влажному термометру. Метрическая система (СИ): Используя сухой термометр при 25 °C и смоченный термометр при 20 °C, определите относительную влажность примерно 63,5%. США/британские стандарты (IP): Используя сухую термометру с температурой 77 °F и смоченную термометром с температурой 68 °F, определите относительную влажность примерно 63,5%. В этом примере коэффициент влажности составляет 0,0126 кг воды на кг сухого воздуха.
- Определение влияния изменения температуры на относительную влажность: Для воздуха с фиксированным водным составом или коэффициентом влажности найдите начальную относительную влажность по пересечению температурных линий по влажному и сухому термометрам. Используя условия из предыдущего примера, относительную влажность при различных температурах по сухому термометру можно найти вдоль горизонтальной линии отношения влажности, равной 0,0126, либо в кг воды на кг сухого воздуха, либо в фунтах воды на фунт сухого воздуха.
- Распространенным вариантом этой задачи является определение конечной влажности воздуха, выходящего из змеевика испарителя кондиционера, который затем нагревается до более высокой температуры. Предположим, что температура на выходе из теплообменника составляет 10°C (50°F) и нагревается до комнатной температуры (не смешивается с воздухом помещения), что определяется путем отслеживания горизонтального соотношения влажности от точки росы или линии насыщения до сухости помещения. Линия температуры лампы и считывание относительной влажности. Обычно кондиционированный воздух смешивается с воздухом помещения, в который проникает наружный воздух.
- Определение количества воды, которую 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
[ редактировать ]Диаграмма «Моллер i - x » (Коэффициент смешения энтальпии и влажности), разработанная Рихардом Мольером в 1923 году, [17] — альтернативная психрометрическая диаграмма, которую предпочитают многие пользователи в Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Бельгии, Франции, Скандинавии, Восточной Европе и России. [18]
Данные основных психрометрических параметров для психрометрической диаграммы и диаграммы Молье идентичны. На первый взгляд между таблицами мало сходства, но если повернуть карту на девяносто градусов и посмотреть на нее в зеркало, сходство станет очевидным. Координатами диаграммы Молье являются энтальпия и коэффициент влажности. Координата энтальпии перекошена , а линии постоянной энтальпии параллельны и равномерно расположены. В психрометрических диаграммах ASHRAE с 1961 года используются аналогичные координаты. В некоторых психрометрических диаграммах используются по сухому термометру координаты температуры и влажности .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, « психрон » , греко-английский лексикон
- ^ Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, « метрон » , Греко-английский лексикон
- ^ Галликкио, Николь. «Эволюция метеорологии: взгляд в прошлое, настоящее и будущее прогнозирования погоды» (2017), стр. 11-17, ISBN 9781119136170
- ^ Всемирная метеорологическая организация. (2008) Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений. ВМО-8. Седьмое издание. Глава 2. Измерение температуры.
- ^ «Погодный словарь AMS» . Американское метеорологическое общество. Архивировано из оригинала 16 октября 2012 года . Проверено 18 сентября 2011 г.
- ^ http://www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/manuals/coollabmanual.pdf. Архивировано 21 июля 2011 г. на Wayback Machine , доступ: 20080408.
- ^ http://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf. Архивировано 27 июля 2011 г. на Wayback Machine , доступ: 20080408.
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 30 октября 2006 г. Проверено 10 апреля 2008 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Осушение в промышленности и строительстве . 2012.
- ^ Гатли, ДП (2004). «Психрометрическая диаграмма отмечает 100-летний юбилей» . Журнал ASHRAE . 46 (11): 16–20.
- ^ «Модуль 7: Применение психрометрических соотношений» . Проверено 13 октября 2021 г.
- ^ Справочник ASHRAE 2001 г. – Основы (SI) . Скотт А. Зе, Нэнси Ф. Тайселл и Джейн Э. Джексон. 2001. с. 6.8.
- ^ Куц, Майер (Эд). (2006) Справочник инженера-механика. Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья.
- ^ Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (1997). Справочник по основам ASHRAE
- ^ Биаска, Карин. «Учебное пособие по психрометрическим диаграммам». Архивировано 2 января 2011 г. на Wayback Machine , по состоянию на 20 ноября 2010 г.
- ^ Инициатива Гавайских энергетических и экологических технологий (HEET) . Июль 2016.
- ^ Молье, Р. 1923. «Новая диаграмма паровоздушных смесей». ЗВДИ 67(9)
- ^ Тодорович, Б., ASHRAE Transactions DA-07-024 (113-1), 2007 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Western Cooling Efficiency Center Psych: психрометрический плагин с открытым исходным кодом для Microsoft Excel, автор 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 онлайн-интерактивная психрометрическая диаграмма
- Калькулятор и эскиз психрометрических диаграмм