Что такое абсолютная влажность воздуха что такое относительная влажность воздуха
Увлажнение воздуха: основные понятия
Air humidification: basic concepts
N. Kondrashin, engineer
Keywords: absolute humidity, relative humidity, psychrometric diagram, adiabatic air humidification, isothermal humidification
In the practice of designing and setting up ventilation and air conditioning systems and cold centers for buildings for various purposes, knowledge of the theoretical and practical foundations of issues related to air humidity is required. We bring to the attention of our readers an article on the basics of this section of air conditioning. The topic is supposed to be developed in the next issue of the magazine.
В практике проектирования и наладки систем вентиляции и кондиционирования воздуха и хладоцентров зданий различного назначения необходимы знания теоретических и практических основ вопросов, касающихся влажности воздуха. Предлагаем вниманию читателей статью об основах данного раздела кондиционирования воздуха. Развить тему предполагается в следующем номере журнала.
Увлажнение воздуха: основные понятия
В практике проектирования и наладки систем вентиляции и кондиционирования воздуха зданий различного назначения необходимо знание вопросов, относящихся к учету влажности воздуха. В 2004 году творческий коллектив НП «АВОК» в составе М. Г. Тарабанова, В. Д. Коркина и В. Ф. Сергеева разработал справочное пособие «Влажный воздух», которое стало первой в отечественной практике попыткой систематизировать определения и расчетные зависимости основных параметров влажного воздуха и привести их в соответствие с международными стандартами. В 2012 году издательство «АВОК-ПРЕСС» выпустило книгу М. Г. Тарабанова «Кондиционирование воздуха», в которой много внимания уделено i-d-диаграмме влажного воздуха. Данной теме посвящен и ряд публикаций в журнале «АВОК». Однако, вопросы, относящиеся к учету влажности воздуха, по-прежнему требуют пристального внимания специалистов. Предлагаем вниманию читателей статью об основах раздела «Влажный воздух». Развить тему предполагается в следующем номере журнала.
Абсолютная и относительная влажность
Влажность воздуха характеризуют два основных параметра – абсолютная и относительная влажность. При разных температурах воздух может поглощать разное количество влаги: чем выше температура, тем больше влаги может содержаться в воздухе. Абсолютная влажность описывает точное количество влаги, содержащейся в воздухе в граммах воды на килограмм воздуха. Относительная влажность показывает, какое количество влаги относительно максимально возможного для этой температуры содержится в воздухе. Поэтому летом при температуре +25 °C и относительной влажности 30 % в воздухе присутствует значительно больше влаги, чем зимой при температуре –5 °C и относительной влажности 80 %. Нагревание воздуха приводит к уменьшению его относительной влажности, при этом значение абсолютной влажности остается тем же самым.
Для каждого значения давления существует определенная точка, при которой воздух становится неспособным поглотить большее количество влаги. Эта температура называется температурой насыщения, или точкой росы. Если понизить температуру воздуха ниже точки росы, из воздуха начинает выпадать конденсат. Предположим, что у нас есть закрытый сосуд, температура воздуха в котором составляет +20 °C. Абсолютная влажность этого воздуха составляет 10 г/кг, а относительная влажность – 70 %. На основе этих данных можно определить по психрометрической диаграмме, что при снижении температуры воздуха на 6 °C или повышении абсолютной влажности на 5 г/кг воздух достигнет точки росы, а стенки сосуда с внутренней стороны запотеют – на них появится конденсат.
Психрометрическая диаграмма (диаграмма Молье)
Линии, соответствующие постоянному значению удельной энтальпии h, проходят слева направо и сверху вниз. Линии, обозначающие постоянное влагосодержание x, располагаются вертикально. Горизонтальная ось, на которую нанесены значения влагосодержания х, не проходит через начало координат – так диаграмма становится более наглядной. В качестве второй оси абсцисс можно использовать кривую парциального давления водяного пара, которое зависит только от влагосодержания x и давления воздуха p. На проходящие под наклоном вниз линии нанесены значения удельной энтальпии h. На диаграмме также показаны кривые относительной влажности. Чтобы определять изменения параметров было проще, на диаграмму могут быть нанесены дополнительные линии (Δh/Δx), например для отслеживания изменений при паровом увлажнении воздуха. Изотермы проходят в области ненасыщенного воздуха с небольшим наклоном. После точки насыщения (относительная влажность = 1) линии направлены вниз, поскольку при достижении максимального паросодержания дополнительная вода может присутствовать в воздухе только в жидкой фазе в виде небольших капель (тумана). В зоне тумана изотерма отличается от проходящей через точку насыщения изоэнтальпы (линии постоянной энтальпии) только на небольшое значение энтальпии, вносимое влагой в виде тумана. В области ненасыщенного воздуха проходят кривые постоянной относительной влажности, равномерно разделенные соответствующими изотермами в диапазоне от 0 до 1. На диаграмме видно, что относительная влажность всегда снижается при нагревании воздуха, если влагосодержание x при этом остается постоянным.
Нагрев при постоянной абсолютной влажности
Нагрев воздуха осуществляется при сохранении количества содержащегося в нем водяного пара. При этом энтальпия воздуха увеличивается, а относительная влажность воздуха снижается (именно это имеют в виду, когда говорят «отопление сушит воздух»). В российских условиях нагрев воздуха – обязательная функция большинства вентиляционных агрегатов, поэтому в течение всего отопительного сезона вентиляционные установки подают в помещения свежий воздух с комфортной температурой, но низкой относительной влажностью.
Адиабатическое увлажнение воздуха (распыление или испарение воды)
Если распыление или испарение воды осуществляется без подвода тепла, то затрачиваемая на испарение энергия забирается из окружающего воздуха, и воздух охлаждается. Так как процесс охлаждения проходит в адиабатических условиях, т. е. без потерь тепла и подвода его извне, он называется адиабатическим охлаждением. На психрометрической диаграмме точное направление, в котором происходит процесс охлаждения во время увлажнения, может быть определено на основе характеристики (Δh/(Δx. Расчет характеристики (Δh/(Δx: (Δh = изменение энтальпии, кДж/кг; (Δx = изменение влагосодержания, г/кг.
Принцип адиабатического увлажнения используют системы увлажнения различных типов: ультразвуковые, оросительные (сотовые), форсуночные низкого и высокого давления. Системы различных типов имеют свои особенности и ограничения для применения.
Изотермическое увлажнение (увлажнение с помощью пара)
Если увлажнение воздуха осуществляется паром, то температура, как правило, остается неизменной, поскольку водяной пар не обменивается энергией с воздухом – подведения теплоты для испарения воды уже не требуется. Расчет характеристики (Δh/(Δx выполняется так же, как и в предыдущем случае.
Изотермическое увлажнение воздуха на практике осуществляется в паровых увлажнителях (парогенераторах) с электродным или резистивным нагревом воды. Выбор технологии нагрева в основном зависит от параметров используемой воды.
Увлажнение воздуха: зачем оно нужно?
Большинство людей чувствует себя наиболее комфортно при температуре от +20 до +22 °C и относительной влажности от 40 до 60 %. Если значение относительной влажности опускается ниже 30 %, как это случается в отопительный сезон, начинаются проблемы: сухой воздух стремится поглотить как можно больше влаги, которую он забирает из окружающей среды, в том числе и из находящихся в ней людей. В результате может появиться кожный зуд, жжение в глазах, головная боль и общая усталость – так проявляется обезвоживание.
Сухой воздух вызывает пересыхание слизистых оболочек дыхательных путей и глаз, нарушая их нормальную работу. В результате пыли и болезнетворным микроорганизмам становится проще проникнуть через естественный защитный барьер, что приводит к нарушению нормального функционирования органов дыхания и повышению риска вирусных заболеваний. По данным научных исследований, чтобы снизить риск заражения и вероятность проявления болезненных симптомов до минимально возможного уровня, следует поддерживать влажность воздуха на уровне 40–60 %. Кроме того, падение уровня относительной влажности ниже 35 % приводит к пересыханию одежды, ковров, мебели и других находящихся в помещении предметов, а это способствует усиленному образованию пыли. В сухом воздухе все виды пластиков накапливают электрический заряд, который притягивает еще больше частиц пыли.
Влажность гигроскопичных материалов стремится к равновесию с влажностью окружающего воздуха: после прекращения увлажнения предметы интерьера в помещениях начнут отдавать влагу обратно воздуху. Если в помещении находятся произведения искусства, музыкальные инструменты, мебель или паркет из ценных пород дерева, такое колебание влажности может привести к их растрескиванию и порче, поэтому необходимо не только создать правильную влажность, но и автоматически поддерживать ее, чтобы ни колебания температуры, ни изменения влажности наружного воздуха не могли повлиять на изменение влажности в помещении.
Поделиться статьей в социальных сетях:
Абсолютная и относительная влажность воздуха
В процессе проведения опыта будем использовать закрытый сосуд с жидкостью, а значение температуры поддерживать постоянным. Спустя некоторое время в данном сосуде возникнет явление термодинамического равновесия процессов испарения и конденсации. Другими словами, число молекул, которые покинут жидкость, будет эквивалентно числу молекул, вернувшихся обратно в жидкость.
Газообразное вещество, которое находится состоянии равновесия со своей жидкостью, носит название насыщенного пара.
Ненасыщенным паром называют такой пар, давление и плотность которого уступает значениям давления и плотности насыщенного пара.
Давление насыщенного пара в процессе повышения температуры возрастает. В окружающем нас воздухе в любой момент времени присутствует некоторая масса водяного пара. Что же такое влажность воздуха? Воздух, который включает в себя водяной пар, определяется как влажный. В воздухе атмосферы быстрота испарения воды основывается на величине отличия давления паров воды от давления насыщенных паров при существующей температуре.
Абсолютная и относительная влажность воздуха
Свое применение часто находят понятия об абсолютной и относительной влажности.
Абсолютной влажностью считают массу водяного пара, которая находится в одном кубометре воздуха.
а полное давление равно сумме давлений компонент:
Максимальной абсолютной влажностью при приведенной температуре является масса насыщенного водяного пара на один кубометр воздуха.
Относительной влажностью воздуха называют отношение абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при заданной температуре.
Данная величина выражается в процентах:
T r представляет собой температуру термодинамического равновесия пара и жидкости в газе, конкретно в воздухе.
Примеры
В качестве основы решения применим закон Дальтона, который в случае смеси газов, а в нашей задачи имеет место быть смесь сухого воздуха с водяным паром, будет выглядеть следующим образом:
где p v определяет собой давление сухого воздуха, а p H 2 O является давлением паров воды. При этом масса смеси равна:
где p n p обозначает величину давления насыщенного пара. Из формулы β = p H 2 O p n p · 100 % выразим давление насыщенного пара, получим:
Из p = p v + p H 2 O выразим давление сухого воздуха, благодаря чему получим:
В задаче необходимо найти изменение, другими словами разность β2−β1, относительных влажностей в конечном и начальном состояниях:
применяя определение относительной влажности запишем следующее выражение:
Так как по условию задачи нам известны температуры состояний системы, то давления насыщенного пара ( p n p 1 и p n p 2 ) мы можем определить как известные в приведенном случае, по той причине, что всегда можем получить их из соответствующих справочных таблиц. Для нахождения давлений p 1 и p 2 применим уравнение Менделеева — Клайперона, обратим внимание на то, что количество вещества в процессах, которые происходят в системе не претерпевает никаких изменений, в этом случае запишем:
Исходя из условий задачи, можно заявить, что объем уменьшили в n раз, соответственно:
Влажность воздуха
В воздухе всегда содержится водяной пар, даже при отрицательных температурах. Измеряя количество пара, мы будем получать информацию о влажности воздуха.
Чем выше температура, тем больше паров воды сможет удерживать воздух. Конечно, если добавить в воздух этот водяной пар.
Используют два показателя влажности — абсолютную и относительную влажность.
Что такое парциальное давление
Воздух – это смесь газов. Больше всего в нем содержится азота – 78 процентов. Так же, содержится кислород в виде молекул \(O_<2>\) и \(O_<3>\) — озона, он составляет 21 процент. Остальные газы, среди них инертные газы и углекислый газ, составляют 1 процент. Давление воздуха складывается из давлений каждого входящего в воздух газа.
Поясним это на простом примере. Рассмотрим емкость, например – обычную трехлитровую стеклянную банку для консервации. Когда в банке нет съестных припасов, ее объем целиком занимает воздух. Давление воздуха в банке будет равно атмосферному давлению. Закупорим банку крышкой. Предположим, у нас имеется возможность отдельно отфильтровать из воздуха каждый газ.
Будем проводить такой опыт:
Проделав такой опыт несколько раз, мы получим парциальные давления всех газов, из которых состоит воздух.
Примечания:
Связь общего давления и парциальных давлений всех газов смеси с помощью математики можно описать так:
\(\large P_<\text<общ>> \left(\text <Па>\right) \) – давление смеси газов (общее давление);
\(\large P_ <1>\left(\text <Па>\right) \) – парциальное давление первого газа;
\(\large P_ <2>\left(\text <Па>\right) \) – парциальное давление второго газа;
Каждый газ создает свой вклад в общее давление смеси. Этот вклад называют парциальным давлением газа.
Если сложить парциальные давления всех газов, получим давление воздуха, которое мы измерили в начале эксперимента, перед тем, как начать откачивать газы из банки.
В каких единицах измеряют абсолютную влажность
Каждая молекула имеет массу. Чем больше молекул пара, тем больше масса пара в каждом кубометре воздуха.
Масса в объеме – это плотность. Поэтому, абсолютную влажность указывают с помощью плотности водяного пара.
Плотность пара связана с его парциальным давлением. Чем больше плотность пара, тем больше его парциальное давление. Поэтому, абсолютную влажность можно указывать, так же, с помощью парциального давления водяного пара.
Чем больше молекул пара в каждом кубометре воздуха, тем больше абсолютная влажность.
В каких единицах измеряют относительную влажность
Степень увлажненности воздуха зависит от того, близок или далек водяной пар, находящийся в воздухе, от состояния насыщения. Если пар близок к насыщению, относительная влажность высокая. А если пар от насыщения далек – относительная влажность низкая.
Относительную влажность принято измерять в процентах, так как относительные величины мы описываем с помощью дроби.
Важно! Измерьте сначала температуру воздуха, а затем измеряйте его относительную влажность!
Примечание: Относительная величина – значит, дробная. Процент – это дробь, у которой в знаменателе находится число 100.
Формула для вычисления относительной влажности воздуха
В числителе – плотность пара, которая имеется в момент измерения.
В знаменателе – максимальная плотность пара, соответствующая имеющейся температуре (то есть, плотность насыщенного пара).
Если плотность пара максимальная – то пар называют насыщенным. Чем выше температура, тем больше максимальная плотность пара.
\( \large \varphi \) – относительная влажность;
\(\large \rho_ <0>\left( \frac<\text<кг>><\text<м>^<3>>\right) \) – измеренная плотность водяного пара в воздухе, т. е. абсолютная влажность;
\(\large \rho_
Иногда формулу удобнее записывать в таком виде:
\[\large \boxed < \rho_<0>= \varphi \cdot \rho_
Что такое точка росы
Если охлаждать влажный воздух, то можно довести пар, находящийся в воздухе до насыщения. При этом, можно заметить, как на гладких поверхностях появится роса. Появление росы будет происходить при некоторой температуре. Такую температуру называют точкой росы.
Точка росы – это температура, при которой относительная влажность становится равна 100%. При этой температуре из воздуха конденсируется влага: выпадает роса, идет дождь, или, к примеру, запотевает стекло.
Приборы для измерения влажности
Приборы, с помощью которых можно измерять влажность, называют гигрометрами. Есть несколько типов таких приборов: волосные, конденсационные, психрометрические.
Волосной гигрометр
В волосном гигрометре используют свойство волоса изменять свою длину при изменении влажности. Чем больше влажность воздуха, тем длиннее становится волос. Обычно используют волосок из конской гривы, либо длинный человеческий волос. Один конец волоса закреплен на корпусе прибора, а другой прикрепляется к стрелке (рис. 1). По шкале прибора можно определить относительную влажность воздуха.
Конденсационный гигрометр
Конденсационный гигрометр по точке росы помогает определить абсолютную влажность воздуха.
Сначала определяют точку росы с помощью встроенного в прибор термометра. Затем, по таблице, содержащей плотность и парциальное давление водяного пара при различных температурах, определяют абсолютную влажность воздуха.
При известной температуре воздуха и абсолютной влажности можно дополнительно вычислить относительную влажность воздуха.
Устройство конденсационного гигрометра представлено на рисунке 2.
В небольшую металлическую коробку, встроена трубка с грушей и термометр. Передняя тонкая стенка коробки отполирована, чтобы на ней удобнее было наблюдать конденсацию капелек воды. Металлическое кольцо, придающее жесткость тонкой передней стенке, прикреплено через прокладку для теплоизоляции.
Используют прибор так: Наливают в коробку быстро испаряющуюся жидкость (спирт, эфир и т. п.), и продувают грушей воздух через коробку. Тем самым, вызывают быстрое испарение жидкости и понижение температуры в коробке. При этом на полированной передней стенке коробки появляется роса. А термометр позволяет измерить температуру, при которой роса конденсировалась. Появление росы говорит о том, что пар стал насыщенным.
Абсолютную влажность воздуха определяют по таблице, в которой содержится плотность и парциальное давление водяного пара при различных температурах.
Психрометрический гигрометр
Такой прибор для измерения относительной влажности сокращенно называют психрометром. Он состоит из двух одинаковых термометров, закрепленных на держателе (рис. 3). Нижняя часть одного из термометров погружена в небольшую емкость, содержащую несколько миллилитров воды. Обычно на корпус этого прибора наносят психрометрическую таблицу. Благодаря этой таблице, считав показания двух термометров, можно определить относительную влажность воздуха.
Самодельный психрометр
Чтобы изготовить самодельный психрометр, нужно взять два одинаковых бытовых спиртовых термометра.
В нижней части каждого термометра присутствует шарик с жидкостью. Эта жидкость расширяется при возрастании температуры. Излишки жидкости из шарика поднимаются по тонкой трубке, рядом с которой нанесены деления температурной шкалы. Обычно в качестве такой жидкости используют подкрашенный спирт (спиртовой термометр), или ртуть (ртутный термометр).
Шарик одного из термометров нужно обернуть кусочком ваты, или небольшой тряпочкой, смоченной водой комнатной температуры. Этот термометр договоримся называть «влажным».
Со вторым термометром ничего делать не нужно. Этот термометр будем называть «сухим».
Расположим эти термометры неподалеку один от другого. Спустя несколько минут самодельный психрометр будет готов к измерениям влажности.
Нам известно, что температура жидкости уменьшается при испарении (ссылка). Поэтому, показания влажного термометра всегда будут меньше показаний сухого термометра. Чем суше воздух, тем больше будет разница между показаниями термометров. Потому, что в сухом воздухе скорость испарения (ссылка) воды возрастает.
Запишем показания сухого и влажного термометров. Относительную влажность воздуха можно найти с помощью психрометрической таблицы.
Что такое психрометрическая таблица
В психрометрической таблице (рис. 4. и рис. 5) содержатся значения относительной влажности воздуха. Эти значения связаны с показаниями сухого термометра и разностью показаний сухого и мокрого термометров.
Наличие водяного пара в воздухе влияет на скорость испарения. Чем выше температура и чем меньше пара в воздухе, — тем быстрее испаряется вода, — тем больше разница между показаниями сухого и мокрого термометров.
Таблица — зависимость плотности насыщенного пара от температуры
В этой таблице (рис. 6 и рис. 7) содержатся плотность и парциальное давление водяного пара при различных значениях температуры. С помощью такой таблицы, зная абсолютную влажность и температуру воздуха, можно вычислить относительную влажность.
Абсолютную влажность воздуха обычно указывают с помощью плотности водяного пара.
Сказка о маленьком волшебнике и волшебном ведерке
Понятие влажности воздуха легко пояснить с помощью сказки.
В некотором царстве жил да был маленький волшебник. Звали его Воздухом. И было у него волшебное ведерко.
Волшебство заключалось в том, что размеры ведерка зависели от температуры. Чем выше температура, тем больше становилось ведерко, увеличиваясь в размерах.
Примечание: При такой аналогии абсолютная влажность – это количество воды, налитой в ведерко. А относительная влажность – это доля, которую занимает налитая вода по отношению ко всему объему ведерка.
Предположим, что при некоторой температуре объем ведра — 10 литров. Нальем в ведерко 5 литров воды. Это половина ведра, то есть, относительная влажность составит 50%. Так как 5/10 = 0,50 = 50%
Количество налитой воды не изменяем, значит, масса и объем воды не изменяется.
Допустим, температура возросла. Размеры ведерка будут увеличиваться с ростом температуры. Предположим, что ведерко увеличилось настолько, что теперь его объем составляет 15 литров.
Значит, теперь относительная влажность будет равна
Если абсолютная влажность не изменяется, когда температура растет, относительная влажность уменьшается.
Предположим теперь, что температура понизилась. Значит, объем (размеры) ведерка уменьшится. Если, например, объем ведерка уменьшится до 8 литров, то относительная влажность составит
То есть, абсолютная влажность не изменилась, а относительная возросла.
Если абсолютная влажность не изменяется, когда температура падает, относительная влажность растет.
При дальнейшем понижении температуры объем ведерка продолжит уменьшаться. При некоторой температуре может случиться так, что объем уменьшившегося ведерка совпадет с объемом налитой воды.
Предположим, объем ведерка уменьшится до 5 литров. И количество воды в ведерке – так же, равняется 5 литрам. Относительная влажность при этом составит 100%.
Температура, при которой размеры ведерка будут совпадать с количеством налитой воды, называется точкой росы.
Если температура продолжит падать, волшебное ведерко продолжит уменьшаться. Излишки воды при этом будут проливаться. Мы говорим в таких случаях: «выпадают осадки», или «идет дождь».
Примечание: Относительная влажность не может превышать 100%. Когда относительная влажность равна 100%, излишки водяного пара из воздуха конденсируются, при этом выпадают осадки – дождь, или роса.
Для чего контролировать влажность воздуха
Измерять и контролировать уровень влажности воздуха необходимо в самых разнообразных ситуациях: