Температурно-влажностные параметры воздуха и их определение

В России действуют две температурные шкалы: термодинамическая (абсолютная) и международная практическая (стоградусная). Градус термодинамической шкалы обозначается символом К (Кельвин), а температура — буквой Т. В международной практической шкале температура выражается в градусах Цельсия (°С) и обозначается символом t. В Америке и Англии широко распространены термометры со шкалой Фаренгейта (°F), у которых точка плавления льда обозначена 32°, точка кипения воды— 212°, а температура обозначается символом f. Перевод градусов одной шкалы в градусы другой шкалы производится по формуле:

 

Атмосферный воздух представляет собой смесь нескольких газов и водяного пара. Согласно закону Дальтона наблюдаемое барометрическое давление атмосферного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р_св и водяных паров р_п, т. е.

 

При 0° С и 760 мм рт. ст. плотность сухого воздуха равна 1,293 кг/м³, а водяного пара — 0,768 кг/м³, поэтому при одинаковых условиях влажный воздух легче сухого.

Зависимость параметров воздуха, насыщенного водяными парами, от температуры

Для характеристики влажности воздуха применяется несколько величин.

Упругость (парциальное давление) водяного пара выражается в миллиметрах ртутного столба (h мм рт. ст.), в миллибарах (е мбар) и, в соответствии с международной системой единиц СИ (ГОСТ 9867—61), — в ньютонах на квадратный метр (е Н/м²). Соотношение между единицами давления следующее: 1 мм рт. ст. = 133,312 Па; 1 мбар = 10² Па, 10⁵ Н/м² = 0,1 МПа; 1 кгс/см² = 9,80665 х 10⁴ Па = 980,665 мбар = 735,559 мм рт. ст. Максимальная упругость водяного пара Е (или Н) представляет собой давление водяного пара в состоянии насыщения относительно поверхности чистой воды и зависит от температуры (рис.). Если воздух содержит большее количество влаги, то излишняя влага находится в виде капель тумана, т. е. в жидком виде.

Рис. Схема зависимости точки росы от влажности воздуха

Абсолютной влажностью а называется масса водяного пара в 1 м³ смеси. Влагосодержанием d называется отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха. Влагосодержание обозначается через х (кг/кг), если масса пара принимается в килограммах, или через d (г/кг), если масса пара принимается в граммах (d = 0,001 х).

Относительной влажностью воздуха называется отношение фактического количества водяных паров к тому максимальному количеству, которое может содержать воздух при данной температуре, находясь в состоянии насыщения, т. е.

 

Точкой росы τ называется температура воздуха, при достижении которой находящийся в воздухе водяной пар в результате изобарического охлаждения достигает состояния насыщения (рис.). Это означает, что на поверхности предмета (например, груза или корпуса судна), имеющего температуру, равную или ниже точки росы, происходит конденсация влаги. Точка росы растет с увеличением абсолютной влажности воздуха (см. рис.).

Дефицитом точки росы называется разность между температурой и точкой росы воздуха:

 

Температура смоченного термометра — это температура, которую примет поверхность, непрерывно увлажняемая чистой водой. При относительной влажности 100% температура смоченного термометра совпадает с температурой окружающего воздуха. Чем меньше влажность воздуха, тем больше разность между температурами воздуха по сухому и смоченному термометрам вследствие охлаждения смоченного термометра за счет испарения воды с его поверхности.

При нормальных условиях (давление 101,3 кПа и температура 0°С) массовая теплоемкость сухого воздуха с_с=1,0 кДж/ (кг-К), а водяного пара с_п=1,93 кДж/(кг·К).

Общее теплосодержание воздуха (энтальпия) слагается из теплоты, характеризуемой температурой воздуха, и «скрытой теплоты», которая в неявной форме содержится в водяном паре в виде теплоты конденсации.

По физическому смыслу энтальпию I_в влажного воздуха можно представить как общее количество теплоты, содержащейся в 1 кг сухого воздуха I _с и d килограммах водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха I _п:

,

где I — температура воздуха, К;

2500 — скрытая теплота испарения воды при 0ºС, кДж/кг;

1,93 — массовая теплоемкость водяного пара, кДж/(кг·К)

Взаимосвязь параметров влажного воздуха при обычной температуре характеризуется следующими эмпирическими зависимостями:

;

г/кг;

;

Характер зависимости параметров влажного воздуха от температуры показан на рис.

В технических расчетах воздух, имеющий температуру 20°С, относительную влажность 70% при нормальном барометрическом давлении 760 мм рт. ст., принято называть стандартной атмосферой.

Приборы контроля термо-влажностных параметров воздуха

Термометры

жидкостные, действие которых основано «а изменении объема жидкости при изменении температуры;

деформационные, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры;

сопротивления, основанные на изменении электропроводности тел с изменением температуры;

термоэлектрические, основанные на изменении электродвижущей силы (э.д.с.) термоэлементов при изменении разности температуры спаев.

Атмосферное давление измеряется с помощью барометров и барографов разного типа (ртутных, деформационных и анероидов), скорость ветра — анемометров.

Наиболее распространенными приборами для измерения влажности являются психрометры и гигрометры. Психрометрический метод основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Расчеты проводятся по психрометрической формуле, на основании которой составлены психрометрические таблицы:

 

где

е — парциальное давление водяного пара в воздухе, Па;

E ' — давление насыщенного водяного пара при температуре поверхности испаряющейся жидкости, Па;

А — психрометрический коэффициент;

р — давление атмосферы, Па;

t и t' — температуры соответственно воздуха и поверхности испаряющейся жидкости, °С.

Психрометры состоят из двух термометров, из которых один («сухой») измеряет температуру окружающего воздуха, другой («смоченный») — температуру тела, с поверхности которого происходит испарение воды. Показания смоченного термометра тем ниже показаний сухого, чем меньше парциальное давление водяного пара в воздухе. Влажность воздуха определяется по показаниям сухого и смоченного термометров.