Точка росы под давлением [°Cтрд] — это температура, до которой сжатый воздух может быть охлажден без образования конденсата. Точка росы зависит от давления процесса. Когда давление падает, точка росы также снижается.
Говоря о системах под давлением, мы имеем в виду точку росы под давлением, но не атмосферную точку росы. Описание различий между этими двумя физическими параметрами приводится ниже.
2. Атмосферная точка росы [°CtdA]
Атмосферная точка росы [°CтрА] – температура, до которой атмосферный воздух (воздух под давлением приблиз. 1 бар абс.) может быть охлажден без образования конденсата.
2.1 Разница между точкой росы под давлением и атмосферной точкой росы
Точка росы под давлением или атмосферная точка росы? Атмосферный воздух способен удерживать больше паров воды нежели сжатый воздух. По мере охлаждения сжатый воздух достигает точки росы при более высоком значении температуры (“точка росы” в °Cтр или °Fтр), в то время как атмосферный воздух может быть подвержен дальнейшему охлаждению до момента образования конденсата (атмосферная точка росы, в °Cтр или °Fтр).
Для мониторинга систем сжатого воздуха важным является значение точки росы под давлением, поскольку она является индикатором удаленности от “опасного порога“ (= точки росы). Тем не менее, некоторым пользователям требуются данные с указанием непосредственно атмосферной точки росы – testo 6740 предоставляет возможность выбора выходного параметра, т.е. пользователь может выбрать точку росы под давлением или же атмосферную точку росы (для последней через меню управления вводится значение давления процесса).
Рассмотрим куб с 1 м 3 воздуха при температуре 20 °C и 20 % относительной влажности. Эти условия соответствуют содержанию в нем 3 граммов водяного пара, при том воздух может содержать максимум 15 г/м 3 при 20 °C (насыщение влажностью в зависимости от температуры).
В случае А (атмосферная точка росы):
Давление остается постоянным (1 бар), куб охлаждается до температуры точки росы. 3 г водяного пара также может содержаться в 1 м 3 T, как и при первоначальной температуре, с охлаждением же снижается способность воздуха содержать влагу. При. -3.2 °C, только 3 г водяного пара может быть в воздухе.
Куб воздуха достигает точки росы и начинает выделять конденсат. Эта точка росы носит название атмосферной (-3.2 °Cтр), поскольку процесс происходит при атмосферном давлении.
В случае В: (точка росы под давлением):
Давление поднимается до 3 бар, вызывая уменьшение объема куба до 1/3 от его изначального размера. Даже после сжатия воздушный куб сохраняет массу водяного пара в 3 г (влага не была добавлена или извлечена), при этом значение абсолютной влажности теперь: 3 г/(1/3м 3 ) = 9 г/м 3 .
Поскольку температура до сих пор 20 °C и насыщение (максимально возможное содержание влаги) зависит только от температуры, 15 г/м 3 водяного пара могут находиться в воздушном кубе. Таким образом, относительная влажность 9/15 = 60%ОВ, т.е. изменение давления с 1 бара на 3 привело к повышению относительной влажности в 3 раза.
Если охладить сжатый куб воздуха, то он достигнет точки росы уже при 12 °Ctd, при которых воздух достигает своего насыщения (9 г/м 3 = макс. возможное содержание влаги).
Это явно указывает на то, что повышение давления поднимает температуру точки росы. Таким образом, при постоянной температуре процесса удаленность от критического значения (температурная дистанция до точки росы) становится меньше!
2.2 Преобразование точки росы под давлением в атмосферную точку росы
2.3 Точка росы и относительная влажность
Точка росы сжатого воздуха – это температура, при которой вода конденсируется из сжатого воздуха. Она зависит от относительной влажности и температуры процесса (см. диаграмму ниже). Чем ниже относительная влажность, тем меньше точка росы (при постоянном давлении и температуре процесса).
Как показывает диаграмма, переменная влажности “точка росы” обеспечивает в значительной степени большую разрешающую способность, чем относительная влажность в диапазоне низкой влажности ( 3 (25 °C), что соответствует 100% относительной влажности.
Увеличение давления не влияет на атмосферную точку росы. Изменяется только точка росы под давлением.
Пример: воздух с атмосферной точкой росы 0 °Cтр сжимается с 1 до 3 бар. Это утраивает значение абсолютной влажности с 4440 мг/м 3 (1) до 13320 мг/м 3 (2).
Соотношение атмосферной точки росы и абсолютной влажности при температуре процесса 25 °C
3. Психрометрическая диаграмма (диаграмма Молье) для систем под давлением
Традиционные психрометрические диаграммы верны только при одном уровне давления, обычно при атмосферном давлении (применение в области технологий кондиционирования воздуха, см. “Стационарные технологии для измерения влажности, дифференциального давления и температуры”).
Психрометрическая диаграмма ниже показывает соотношение разных переменных влажности (точка росы [°Cтр],относительная влажность [%ОВ] и степень влажности [г/кг] также, как и температура [°C] ) в том числе при неатмосферном давлении.
4. Вычисление точки росы [°Cтр]
Разница в подсчете точки росы/точки образования инея
Если температура точки росы выше 0 °Cтр, задается температура точки росы; в случае же, если она ниже 0 °Cтр, задается температура точки образования инея.
Для температур точки росы, значения, полученные с помощью testo 6740 и зеркала точки росы, совпадают при соблюдении погрешности измерений.
В редких случаях различия между testo 6740 и зеркалом точки росы могут иметь место в температурах точки образования инея между -35 °C и 0 °C. Это происходит, когда (при температурах 3 ]
Абсолютная влажность [г/м 3 ] указывает на фактическое количество граммов воды в одном кубическом метре сухого воздуха или сухого газа.
Поскольку при измерениях в диапазоне остаточной влажности мы имеем дело с очень небольшими значениями абсолютной влажности, testo 6740 показывает абсолютную влажность в мг/м 3 .
7. Зависимость параметров влажности от давления
Сенсор влажности testo измеряет относительную влажность %ОВ напрямую (без необходимости в “знании”/введении значения давления). Поскольку этот параметр зависит от давления, все зависящие от давления параметры (°Cтр, г/м 3 ,%ОВ) также подсчитываются без ввода данных о давлении. Для параметров влажности, не зависящих от давления (ppm, °Ctd = температура атмосферной точки росы), тем не менее, необходимо выполнять корректировку давления путем ввода абсолютного давления (через меню управления/градуировочный адаптер) (см. изображение).
8. Реакция параметров влажности на изменение давления и/или температуры
В таблице ниже приведены сведения о реакции параметров влажности при изменении давления и/или температуры. Атмосферная точка росы и влагосодержание не зависят от давления и температуры.
Точка росы сжатого воздуха.
Aтмocфepный вoздуx вceгдa coдeржит oпpeдeлeннoе кoличecтвo вoдянoгo пapа. Мaкcимaльнoe coдepжaниe влaги зaвиcит oт тeмпeрaтуpы вoздуxa и oт дaвлeния. Пpи пoнижeнии тeмпepaтуpы вoздуxa eгo cпocoбноcть удepживaть влaгу cнижaeтcя. Coдepжaниe влaги в вoздуxe oпиcывaeт тoчкa рocы. Кoтoрaя пoкaзываeт, пpи кaкoй тeмпepатуpe coдepжaщaяcя в вoздуxe влaгa будeт cooтвeтcтвoвaть 100% влaжнocти, a тaкжe пpи кaкoй тeмпeрaтурe нaчинaeт выпaдaть кoндeнcaт.
Рaзличaют тoчку pocы (DР) и тoчку pocы пoд дaвлeниeм (РDР).
DР – тoчкa poсы для aтмocфeрнoгo вoздуxa
РDР (Рrеssurе dеwpоint) – тoчкa рocы пoд дaвлeниeм для cжaтoгo вoздуxa
Тoчкa poсы (DР): пoкaзывaeт тeмпepaтуpу, пpи кoтopoй aтмocфepный вoздуx нa 100% нacыщeн влaгoй. Еcли тeмпepaтурa вoздуxa пoнижaeтcя дo дaннoгo знaчeния, тo пap, coдepжaщийcя в вoздуxe, пpeвpaщaeтcя в кoндeнcaт.
Тoчкa pocы пoд дaвлeниeм (РDР): тeмпepaтурa, пpи кoтopoй cжaтый вoздуx (дaвлeниe бoлee 1 aтм) нacыщeн вoдянoй влaгoй нa 100%. Еcли тeмпeрaтуpe cжaтoгo вoздуxa пoнижaeтcя нижe знaчeния тoчки рocы, тo вoдянoй пaр будeт кoндeнcирoвaтьcя.
Тaблицa 1: Тeмпeрaтуpa тoчки pocы и влaгocoдeржaниe cжaтoгo вoздуxa.
Тoчкa рocы, °C
Сoдeржaниe влaги, г/м3
Тoчкa poсы, °C
Coдeржaниe влaги, г/м3
Тoчкa pocы, °C
Coдepжaниe влaги, г/м3
Содержание влаги, г/м3
Coдepжaниe влaги, г/м3
Coдepжaниe влaги, г/м3
Тoчкa pocы, °C
Изменение агрегатных состояний вещества
Воздух всегда содержит водяной пар. Чем больше водяного пара в воздухе, тем ближе он к насыщению. Но чем выше температура, тем больше водяного пара требуется для насыщения воздуха. Согласно уравнению состояния идеального газа, давление пропорционально плотности и температуре газа (водяного пара).
Следовательно, чем выше температура воздуха, тем больше может быть давление водяного пара в нем. С другой стороны, при постоянной температуре влажность воздуха можно характеризовать как давлением, так и плотностью.
Если сосуд с небольшим количеством воды закрыть крышкой и оставить на достаточно продолжительное время, то вода будет испаряться и пар станет насыщенным (считаем, что воды для этого хватит).
Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие – это когда примерно одинаковое количество молекул покидает жидкость при испарении и возвращается в нее при конденсации. Оба процесса происходят одновременно.
Испарение – процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости. Скорость испарения зависит от температуры, давления, рода жидкости, площади поверхности и наличия ветра.
Кипение – процесс парообразования, происходящий по всему объему жидкости. Характеризуется определенной температурой кипения, которая зависит от рода жидкости и внешнего давления.
Зависимость температуры кипения от давления
Характеристики влажности
Абсолютная влажность (упругость) воздуха – плотность водяного пара в воздухе, ρ, кг/м 3 .
Относительная влажность – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре.
Парциальное давление водяного пара – давление, которое производил бы водяной пар, если бы остальные газы отсутствовали.
Атмосфера состоит из различных газов, каждый из которых вносит свой вклад в атмосферное давление.
Чем меньше относительная влажность, тем интенсивнее происходит испарение. Давление насыщенного пара при заданной температуре можно определить по справочной таблице. Температура, при которой водяной пар заданного давления становится насыщенным, называется точкой росы .
Если водяной пар охлаждать изобарически, то пар становится насыщенным, и его состояние будет соответствовать точке росы на диаграмме pT .
При охлаждении ниже точки росы начинается конденсация пара: запотевание, выпадение росы, появление тумана. Точка росы позволяет определить абсолютную влажность при заданной температуре.
Приборы для определения влажности воздуха
В качестве детали, чувствительной к изменению влажности, служит обезжиренный человеческий волос. Он закреплен в верхней части прибора, обернут вокруг ролика и натянут при помощи специально подобранного груза. К ролику прикреплена стрелка. При увеличении относительной влажности воздуха волос удлиняется и вызывает вращение ролика вместе со стрелкой. Передвигаясь по шкале, она и указывает значение влажности воздуха, выраженное в процентах.
Конденсационный гигрометр представляет собой металлическую коробку, передняя стенка которой хорошо отполирована. Внутрь коробки наливают легко испаряющуюся жидкость — эфир — и вставляют термометр. Пропуская через коробку воздух с помощью резиновой груши, вызывают сильное испарение эфира и быстрое охлаждение коробки. По термометру замечают температуру, при которой появляются капельки росы на полированной поверхности стенки. Давление в области, прилегающей к стенке, можно считать постоянным, так как эта область сообщается с атмосферой и понижение давления за счет охлаждения компенсируется увеличением концентрации пара. Появление росы указывает, что водяной пар стал насыщенным. Зная температуру воздуха и точку росы, можно найти парциальное давление водяного пара и относительную влажность.
Психрометр Августа имеет два термометра: "сухой" и "влажный". Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду. Испарение воды с поверхности влажного термометра приводит к понижению его температуры. Второй же, сухой термометр, показывает обычную температуру воздуха. Измеренные психрометром значения температур можно перевести в значение относительной влажности воздуха по специальной таблице.
Фазовая диаграмма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат температура — давление.
Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях. Тройная точка воды — температура 273,16 К (0,01 °C) и давление 611,657 Па.
При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку . В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».
Вода может находиться в метастабильных состояниях — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Кривая сублимации льда начинается в точке (0 Па; 0 K) и заканчивается в тройной точке воды (611,657 Па; 273,16 K).