Прежде, чем изучать процессы конденсации с использованием оборотной воды в градирнях, необходимо усвоить понятия "влажный термометр" и "относительная влажность".

Мы знаем, что воздух, которым мы дышим, является влажным воздухом. Он никогда не будет абсолютно сухим (т.е. всегда будет содержать пусть небольшое, но все же отличное от нуля количество водяных паров), даже в пустыне. Вместе с тем, он никогда не будет и полностью насыщенным, даже в джунглях на экваторе. Влажный воздух - это невидимый газ, так же как и водяной пар. Заметим, что количество водяного пара, содержащегося в одном килограмме воздуха, ничтожно мало, порядка нескольких грамм.
Вместе с тем, водяной пар можно наблюдать, например, над поверхностью кастрюли, в которой находится кипящая вода (см. рис. 72.1)- это так называемый насыщенный пар, находящийся на границе, разделяющей два фазовых состояния воды - жидкое и паровое.
Затем этот пар поглощается окружающим воздухом и становится невидимым. В этом случае его называют перегретым паром.
Влажность воздуха измеряют специальным прибором — гигрометром. Если мы внесем такой прибор в помещение, которое заполнено абсолютно сухим воздухом при температуре, допустим, 25°С, то он покажет нам 0% относительной влажности (HR).
Иначе говоря, в таком воздухе содержание влаги составляет ноль граммов. Теперь начнем в этом помещении кипятить воду, чтобы выработать водяной пар. По мере того, как окружающий воздух будет поглощать этот пар, показания гигрометра начнут расти, и когда в одном килограмме воздуха будет содержаться 10 г влаги, гигрометр покажет относительную влажность (HR) 50% (см. рис. 72.2).

Если количество пара станет очень большим, через какое-то время наше помещение целиком будет заполнено туманом. Гигрометр покажет HR = 100%.
Что же произошло? Оказывается, что при температуре воздуха 25°С в нем может содержаться не более 20 г водяного пара на каждый килограмм воздуха. Весь водяной пар больше этой величины будет конденсироваться и превращаться в капельки вод создавая туман, который станет видимым.
То же самое происходит, например, с сахаром, который вы растворяете в воде. Вначале сахар полностью растворяется и вы его не видите. Однако когда раствор становится насыщенным, сахар, который вы будете сыпать в раствор, перестанет растворяться и начнет оседать на дне стакана. Этот осадок станет видимым.

Теперь попробуем объяснить, почему мы утверждали, что в одном килограмме воздуха содержится 10 граммов водяного пара, когда гигрометр показывал HR = 50% при температуре воздуха 25°С. Чтобы понять это, рассмотрим упрошенную диаграмму влажного воздуха, представленную на рис. 72.4.
На этой диаграмме по горизонтали откладываются значения температур воздуха по сухому термометру (Ts). По вертикали откладывается содержание паров воды в одном килограмме сухого воздуха, которое превращает его во влажный воздух с данной относительной влажностью (HR) при данной температуре воздуха по сухому термометру (Ts). Значения относительной (в %) и абсолютной (в граммах на килограмм) влажности воздуха можно найти по этой диаграмме на вертикальном отрезке, восстановленном из точки соответствующей температуры на горизонтальной оси. Например, вертикаль ABC соответствует температуре 25°С, измеренной с помощью обычного ртутного термометра.
Содержание водяного пара (выраженное в граммах на килограмм воздуха) представлено горизонтальными отрезками. Например, горизонталь ВВ' соответствует 10 г водяного пара на 1 кг воздуха.
Наклонные кривые указывают относительную влажность HR в процентах. Например, кривая ВВ"соответствует HR = 50%.
Таким образом, точка В характеризует состояние воздуха при температуре 25°С (Ts) и относительной влажности HR = 50%, содержащего 10 г водяного пара в одном килограмме воздуха.

Заметим, что область выше кривой насыщения (которая соответствует HR = 100%) представляет собой область такого состояния воздуха, при котором он не только полностью насыщен водяным паром, но и содержит влагу в виде тумана (капелек воды). Эта область нас не интересует.
На вертикали, соответствующей температуре воздуха по сухому термометру Ts = 25°C, относительная влажность HR меняется от 0% в точке А (когда содержание водяных паров равно 0 г) до 100% в точке С (когда содержание водяных паров равно 20 г на килограмм сухого воздуха).
Теперь мы знаем, что при температуре 25°С воздух становится насыщенным, когда он содержит 20 г водяного пара в каждом килограмме воздуха. Разумеется, все величины, указанные на рис. 72.4, определены с помощью соответствующих расчетных и экспериментальных данных теми, кто строит такие диаграммы: и здесь, и далее мы будем доверять этим данным!
Итак, при 25°С один килограмм воздуха может содержать не более 20 г водяного пара. Если он содержит 20 г/кг, то говорят, что воздух насыщенный и его HR = 100%. Но какова будет его относительная влажность HR, если в 1 кг воздуха содержится 10 г водяного пара вместо 20 г?
Если 1 кг воздуха при 25°С содержит только 10 г водяного пара (как в точке В), значит он содержит только половину (то есть 50%) того количества пара, которое он мог бы содержать в насыщенном состоянии: в этом случае его HR равна 10 г / 20 г = 0,5 или 50%. Точно так же, если в 1 кг воздуха при 25°С содержится 5 г водяного пара, то его HR равна 5 г/ 20 г = 0,25 или 25%.
В общем случае относительная влажность воздуха HR — это отношение фактической массы водяного пара в 1 кг воздуха при данной температуре к максимально возможной массе водяного пара в 1 кг воздуха при этой же температуре, выраженное в процентах*.
* В отечественной литературе понятие "относительная влажность воздуха" определяют как отношение парциального давления водяного пара, содержащегося во влажном воздухе при данных температуре и давлении к парциальному давлению насыщенного водяного пара при тех же значениях температуры и давления, выраженное в процентах, и обозначают греческой буквой ф (фи) (прим. ред.).

ЧТО ПРОИСХОДИТ. ЕСЛИ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА ПАДАЕТ?
Давайте вновь поставим опыт по насыщению водяным паром нашего помещения.

На этот раз предположим, что наше помещение, заполненное сухим воздухом (HR = 0%) с температурой 25СС оборудовано окном (см. рис. 72.6). Наружная температура низкая, например, - 5°С. Вследствие этого температура поверхности стекла внутри помещения ниже, чем 25СС, допустим, она равна 10°С.

В процессе кипения воды в нашей кастрюле, находящейся внутри помещения, последнее будет понемногу заполняться водяным паром. Когда при температуре воздуха 25°С содержание водяного пара в нем повысится до 7,5 г на килограмм воздуха, мы заметим, что стекло изнутри "запотеет", то ест  паР начнет конденсироваться на внутренней по
верхности стекла.


Что же произошло? При контакте со стеклом часть комнатного воздуха (который имеет параметры, соответствующие точке В на рис. 72.7) охлаждается до температуры 10°С, которая соответствует точке D.

Но, как следует из рис. 72.7, воздух при температуре 10 С может содержать не более 7,5 г водяных паров на килограмм воздуха, а это как раз то самое количество, которое содержится в комнате!

При контакте с холодным стеклом часть воздуха, находящегося в комнате, охлаждается до температуры 10СС и, поскольку содержание водяных паров в нем равно 7,5 г/кг, он становится насыщенным (HR = 100%), а на стекле появляется влага. Из результатов этого опыта мы можем сделать следующий вывод: чем ниже температура воздуха, тем меньшее количество водяного пара он может содержать.

ТОЧКА РОСЫ (ТЕМПЕРАТУРА ТОЧКИ РОСЫ)
Когда водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется на холодной поверхности, говорят, что воздух достиг точки росы (Тг)*. В этом состоянии влажность воздуха HR = 100%, следовательно множество точек росы представляет собой кривую насыщения на диаграмме влажного воздуха.

Рассмотрим испаритель непосредственного кипения, на вход которого подается воздух с температурой 25°С и относительной влажностью 37,5%. Мы уже знаем (см. рис. 72.7), что температура точки росы для такого воздуха Тг = 10°С.
Если температура оребрения испарителя выше 10°С, то водяной пар, находящийся в этом воздухе, не будет конденсироваться. И наоборот, если она ниже 10°С, начнется конденсация водяного пара и осаждение влаги (конденсата). Таким образом, воздух помещения, проходя через испаритель, начнет осушаться (см. рис. 72.8).
Замечание 1. При конденсации водяных паров, содержащихся в охлаждаемом воздухе, значительная часть производительности испарителя затрачивается на сам процесс конденсации. Однако, поскольку образующийся при этом конденсат сливается в водосток, эта часть производительности оказывается бесполезно потерянной.
Замечание 2. Чем ниже температура кипения, тем ниже будет температура поверхности ребер, тем интенсивнее будет идти процесс конденсации и, следовательно, тем больше будут потери производительности.
Замечание 3. Если в установке с воздухоохладителем (см. рис. 72.8) вместо конденсатора воздушного охлаждения использовать сухую градирню, то мы увидим, что температура конденсации начнет расти (см. раздел 70). Но если растет температура конденсации, значит растет и ВД, а следовательно, начнет расти и НД, что приведет к повышению температуры ребер. Однако, если температура ребер станет выше точки росы, то никакой осушки воздуха происходить не будет, и в некоторых случаях это может повлечь за собой возникновение определенных проблем.

ТЕМПЕРАТУРА ПО ВЛАЖНОМУ ТЕРМОМЕТРУ
Возьмем два одинаковых ртутных термометра и с их помощью начнем измерять температуру нашей комнаты.
Если термометры точные, то они оба будут показывать одинаковую температуру 25°С.
С другой стороны, установленный в комнате электронный гигрометр покажет нам, что влажность воздуха, находящегося в комнате при 25°С HR = 50%
Как следует из рис. 72.4, это означает что в 1 кг воздуха комнаты содержится 10 г водяного пара и водяной пар при этом далек от состояния насыщения.
* Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух или какой-либо другой газ, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения (прим. ред.).

Теперь обернем заполненный ртутью баллон термометра № 2 хлопчатобумажной тканью: он по-прежнему будет показывать 25°С.
А теперь пропитаем эту ткань водой, имеющей также температуру 25°С: разумеется, поскольку температура воды такая же, как и у окружающего воздуха, термометр № 2 вновь будет показывать 25°С, то есть ту же температуру, что и термометр № 1.
После этого установим напротив этих термометров небольшой вентилятор таким образом, чтобы его воздушный поток обдувал баллоны обоих термометров, и включим вентилятор.
Что же произойдет с показаниями термометров?
Перед тем, как продолжить чтение, попробуйте ответить на этот вопрос самостоятельно...

Итак,  после включения  вентилятора вы увидите, что:
►  Термометр № 1 по-прежнему будет показывать 25°С.
►  Столбик ртути термометра № 2 начнет медленно опускаться и через 2...3 мин стабилизируется около отметки 18°С.
►  Спустя примерно 5 минут, когда ткань, которой обернут баллон термометра № 2, полностью высохнет, столбик ртути в нем начнет подниматься и постепенно вновь дойдет до отметки 25°С.
Можете ли вы объяснить это любопытное поведение термометра № 2?
Влажность воздуха в комнате HR = 50%, он далек от насыщения, поэтому способен жадно поглощать водяные пары. Когда воздушная струя от вентилятора обдувает влажную ткань, вода, которой пропитана эта ткань, начинает интенсивно испаряться. Пары воды поглощаются воздухом. Однако для испарения воде необходимо тепло, которое она берет сама у себя.
Ее температура падает, что и показывает нам термометр № 2. После того, как вся вода испарится, ткань становится сухой и термометр № 2 вновь начнет показывать температуру воздуха в комнате. Однако, если не давать ткани высыхать (например, постоянно ее смачивая), то термометр № 2 все время будет показывать нам температуру ниже, чем термометр № 1.

В этом случае температуру, измеряемую с помощью термометра № 2, мы будем называть температурой воздуха по влажному термометру.
Чем суше воздух, который обдувает влажный термометр, тем интенсивнее он поглощает водяные пары. Но чем интенсивнее поглощаются пары воды, тем сильнее испаряется, а следовательно, и больше охлаждается вода, которой пропитана ткань влажного термометра. Таким образом, чем суше воздух, тем ниже будет температура воздуха по влажному термометру: следовательно, разность между показаниями сухого и влажного термометра будет очень точно свидетельствовать о степени насыщения воздуха водяным паром.
Чем больше будет эта разность, тем суше воздух. В нашем опыте с двумя термометрами мы продемонстрировали принцип работы широко используемого измерительного прибора, который называют психрометром. При изменении температуры воздуха с помощью сухого и влажного термометров достаточно снабдить этот прибор специальной линейкой или использовать диаграмму влажного воздуха, чтобы легко определить относительную влажность окружающего прибор воздуха.

На диаграмме влажного воздуха (см. рис. 72.13) температура влажного термометра отложена по наклонной шкале. Температуре 18°С соответствует точка Е на этой шкале. Соединяя эту точку с точкой В, мы получим значение относительной влажности (50%) и влагосодержание (10 г на 1 кг воздуха).
На некоторых диаграммах температура влажного термометра на кривой насыщения не указывается.
В этом случае необходимо найти значение этой температуры на горизонтальной шкале температур и провести вертикаль до пересечения с кривой насыщения*.
Понятия температуры по влажному термометру и относительной влажности играют очень большую роль в кондиционировании воздуха. Однако не менее, а может быть, и более важны эти понятия для того, чтобы разобраться с процессами, происходящими в градирнях. К рассмотрению этих процессов мы приступим в следующей главе, а пока попробуйте решить несколько упражнений.

► 1°) Если при температуре сухого термометра 25°С воздух является полностью насыщенным водяными парами (HR = 100%), что покажет влажный термометр?
► 2°) Если при температуре сухого термометра 25°С воздух является абсолютно сухим (HR = 0%), всегда ли влажный термометр будет показывать 18°С?
► 3°) Как можно поступить, чтобы определить относительную влажность воздуха в помещении, если в вашем распоряжении есть только один термометр?
Решение на следующей странице...
* В технической литературе имеется несколько вариантов диаграммы влажного воздуха. В данной книге используется вариант Молье (Mollier). В отечественной литературе более широко используется так называемая I-d диаграмма, предложенная в 1918 году профессором Петербургского университета Л.К.Рамзиным (диаграмма Рамзина). Известны также диаграммы ASHRAE (Carrier) - американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и вентиляции, AICVF - Французской ассоциации инженеров по кондиционированию, вентиляции и охлаждению (см., например, Техническая термодинамика/В.А.Кириллин (ред.) - М: Наука) (прим. ред.).

Решения (см. рис. 72.14)


1°) Точка F, соответствующая температуре воздуха по сухому термометру 25°С, находится на кривой насыщения, то есть HR = 100%.
Поскольку воздух является полностью насыщенным, то при проходе через влажную ткань смоченного термометра он не в состоянии поглощать водяные пары.
Следовательно, он не вызывает испарения влаги с ртутного шарика смоченного термометра, поэтому показания последнего будут такими же, как и у сухого термометра, то есть 25°С.
2°) В точке G при температуре 25°С (см. рис. 72.14) воздух является абсолютно сухим (HR = 0%), поэтому испарение влаги с ртутного шарика влажного термометра будет очень интенсивным и стремительным, поскольку сухой воздух будет жадно поглощать водяные пары. Следовательно температура по влажному термометру будет намного ниже, чем 18°С. Если у вас есть диаграмма влажного воздуха, вы сможете увидеть, что в этом случае температура по влажному термометру составит 8,4°С (точка С на рис. 72.14).
3°) Вначале нужно измерить температуру воздуха по сухому термометру, например, 25°С.
Затем обернуть ртутный шарик этого термометра тканью или марлей, смоченной в воде с температурой 25°С. После этого достаточно установить этот термометр в то же место, где был сухой термометр, и направить на него струю воздуха из помещения с помощью вентилятора.
 
Чтобы измерение было корректным, скорость воздушной струи должна быть в диапазоне от 2 до 4 м/с. Этого можно достичь, используя вентилятор обыч-                       Рис. 72.15.
ного кондиционера, но без охлаждения воздуха. В
нашем примере (см. рис. 72.15) влажный термометр покажет температуру 18°С, значит относительная влажность воздуха в помещении HR = 50%.

ВНИМАНИЕ! Вода, которой вы будете смачивать ткань или марлю, обязательно должна иметь ту же температуру, которую вам показал сухой термометр. В самом деле, если в предыдущем примере ткань смочить водой с температурой, допустим, 15°С, то термометр будет показывать эту температуру еще до начала испарения влаги: следовательно, результат измерения будет совершенно неверным!