1/71 P i ? ≫ ≪ > < Fuktig luft Faseovergang under trippelpunktet
2/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Fuktig luft som blanding at to gasser
• Luft betraktes som en ren komponent
• Vanndamp og luft oppfører seg som en blanding av nær ideelle gasser
4/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Hver komponent betraktes som om den er alene i blandingen
pa =naRT
V=
ma(R/Ma)TV
, P v =nvRT
V=
mv(R/Mv)TV
5/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Absolutt fuktighet (fuktighetsratio, spesifikk fuktighet)
Det er spesielt for fuktig luft at egenskaper uttrykkes i forhold til den ene av kom-
ponentene (tørr luft) og ikke den totale mengden.
ω =mv
ma
Vi kan uttrykke massen ved partialtrykk og molekylvekter
mv
ma=
MvpvV/RT
MapaV/RT=
Mv
Ma
pv
pa
Mv
Ma= 0.622, pa = p− pv
Dermed kan absolutt fuktighet uttrykkes ved partialtrykkene
ω = 0.622pv
p− pv
6/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Relativ fuktighet
φ =yv
yv,sat
)T,p
Siden pv = yvp, pg = yv,satp gjelder, er relativ fuktighet forholdet mellom vann-
dampens partialtrykk og vanndampens metningstrykk ved samme temperatur.
φ =pv
pg
)T,p
7/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Indre energi, entalpi og entropi kan finnes ved a addere bidraget fra hver komponent
i blandingen. For entalpi gjelder f.eks:
H = Ha + Hv = maha + mvhv
Vi deler pa ma og introduserer absolutt fuktighet. Vi far da entalpi av blandingen
per masseenhet tørr luft
H
ma= ha +
mv
mahv = ha + ωhv
8/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
For overhetet damp kan vi bruke entalpien for mettet damp ved gjeldende temperatur:
hv ≈ hg (T )
Det samme gjelder indre energi og entropi, som alle finnes i tabell A-2.
OBS! Tabell A-2 har 273.15 K som referanseverdi for disse tilstandsvariab-
lene, mens tabell A-25, f.eks bruker 0 K som referanseverdi!
9/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Fuktig luft i kontakt med flytende vann
Til na har vi sett pa fuktig luft alene. Mange systemer bestar av fuktig luft og vann
sammen. Vi innfører da en del forutsetninger basert pa likevekt
• Tørr luft og vanndamp oppfører seg som uavhengige ideelle gasser
• Likevekten mellom flytende fase og vanndamp er ikke forstyrret av at det er luft
til stede.
Det samme gjelder hvis vannet befinner seg som is, dvs. under frysepunktet.
12/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Et kg fuktig luft kjøles ned ved konstant trykk.
Starttilstand Sluttilstand
P [bar] 1.013 1.013
T [◦C] 21 5
φ 70 % ?
13/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
a) Absolutt fuktighet i starten.
Metningstrykket for vanndamp ved 21 ◦C fra tabell A-2: pg = 0.02487
Fra
φ =pv1
pg
løser vi ut pv1 = φpg = 0.7 · 0.02487 = 0.01741 bar Dermed kan absolutt fuktighet
beregnes med
ω = 0.622pv
p− pv
som innsatt gir
ω = 0.6220.01741
1.01325− 0.01741= 0.011
14/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
b) Duggpunktstemperaturen er metningstemperaturen som korresponderer med par-
tialtrykket pv1 Vi ma interpolere i tabell A-2 for a finne den
15/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
De aktuelle verdiene er
T P
◦C bar
15 0.01705
16 0.01818
Dette gir Td = 15.3 ◦C
16/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
c) Fordi slutt-temperaturen ligger under duggpunkttemperaturen far vi utkondensert
vann. Mengden vann er forskjellen mellom vannmengde i tilstand 1 og 2:
mw = mv1 −mv2
Initiell vannmengde finner vi lett nar vi kjenner absolutt fuktighet, som er definert
som
ω =mv
ma=
mv
m−mv
17/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Nar vi vet at initiell mengde fuktig luft er m = mv + ma = 1.0 kg løser vi den ut
herfra
ω (m−mv) = mv
Innsatt
ωm = mv + ωmv = mv (1 + ω)
Løser vi dette med hensyn pa mv1 far vi
mv1 = mω
1 + ω= 1.0 · 0.011
1 + 0.011= 0.0109
18/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Mengde tørr luft:
ma = m−mv1 = 1.0− 0.0109 = 0.9891
Etter avkjølingen vet vi at luften er mettet. Det betyr at vanndamptrykket er met-
ningstrykket ved slutttilstanden Den finnes i tabell A-2 ved T = 5 ◦C: pg2 = 0.00872
bar. Dermed kan vi regne ny absolutt fuktighet
ω2 = 0.6220.00872
1.01325− 0.00872= 0.0054
Gjenværende vann i luften er:
mv2 = maω2 = 0.9891 · 0.0054 = 0.0053
19/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Dermed er differansen utkondensert:
mw = mv1 −mv2 = 0.0109− 0.0053 = 0.0056
Ser vi pa vann alene har vi ved slutten en tofase ”blanding” væske - damp. Kvaliteten
pa en blanding er definert ved
x =mw
mtot
Innsatt vare tall far vi
x =mw
mv1=
0.00530.0109
= 0.47
21/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Forutsetninger
1. Innholdet i tanken er et lukket system med konstant volum
2. Innholdet er en ideell blanding av to ideelle gasser
3. Nar flytende gass er tilstede er vanndampen mettet og holder systemets tempe-
ratur. Da er væsken ogsa mettet og holder systemets temperatur
22/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
a) Ved starttilstanden er duggpunktstemperaturen metningstemperaturen som kor-
responderer med partialtrykket pv1 Relativ fuktighet og starttemperatur er gitt:
pv1 = φ1pg1 = 0.10 · 1.985 = 0.1985
Interpolasjon gir duggpunktstemperaturen 60 ◦C
23/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
a) Under avkjølingen gjennomgar systemet en konstantvolum-prosess. Vannet vil
eksistere enten som bare damp eller som bade damp og væske. I figur E12.9 krysser
prosesslinjen metningskurven for damp i punktet 1’. Nedenfor dette punktet har vi
kondensering.
24/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Vi kan finne temperaturen T’ ved a interpolere i tabell A-2 for spesifikt volum for
vanndamp i denne tilstanden, som er lik spesifikt volum i starttilstanden. Vi har da:
vv1 = vv =
(R/Mv
)T1
pv1=
8314 [Nm]18 [kgK]
· 393 [K]
0.1985 · 105[N/m2
] = 9.145[m3/kg
]Vi finner na T ′=56 ◦C ved a interpolere for spesifikt volum vg = vv1 i tabell A-2. T ’
er IKKE duggpunktstemperaturen som vi fant i a)!
25/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
c) Mengden utkonsentrert vann er differansen mellom initiell og endelig vanndam-
pinnhold. I starten har vi:
mv1 =V
vv1=
359.145
= 3.827 kg
Ved slutten kan vi finne vanndampinnholdet ut fra dampkvaliteten.
x2 =vv2 − vf2
vg2 − vf2=
9.145− 0.00102251.447− 0.001022
= 0.178
Dermed kan vi finne vanndampinnholdet i tilstand 2:
mv2 = x2mv1 = 0.178 · 3.827 = 0.681 kg
Massen kondensat er dermed
mw2 = mv1 −mv2 = 3.827− 0.681 = 3.146 kg
26/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
KONSERVERING AV MASSE OG ENERGI
Samme regler gjelder for systemer med fuktig luft som for andre systemer. Eneste
forskjell er noen spesielle begreper.
Massebalansen:
ma1 = ma2
mv1 + mw = mv2
27/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Det er vanlig a relatere balansen til mengden tørr luft ma. Vi kan uttrykke meng-
den vanndamp ved hjelp av absolutt fuktighet: mv = ωma. Dermed far vi denne
massebalansen for vann:
mw = ma(ω2 − ω1)
Vi ser bort fra arbeid, kinetisk energi og potensiell energi. Da er energibalansen:
Qcv + (maha1 + mvhv1) + mwhw − (maha2 − mv2hv2) = 0
28/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Entalpien for vanndamp kan vi hente fra vanndamptabellen for mettet damp med
samme temperatur
Qcv + (maha1 + mvhg1) + mwhw − (maha2 − mv2hg2) = 0
Setter mv = ωma, og vi far:
Qcv + ma (ha1 − ω1hg1) + mwhw + ma (ha2 − ω2hg2)
Kombinerer, ordner og far:
Qcv + ma [(ha1‘− ha2) + ω1hg1 + (ω2 − ω1)hw + ω2hg2] = 0
For luftbehandlingsenheter kan vi sette opp energibalansen pa en hensiktsmessig
form:
29/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eks 12.10: OPPVARMING AV FUKTIG LUFT I
EN KANAL
Kjent: Temperatur og relativ fuktighet inn, volumstrøm og temperatur ut. Trykket
er konstant, og ingen fuktighet blir tilført.
Bestem: Overført varme og relativ fuktighet pa utløpet.
30/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
a) Overført varme Qcv ut fra masse- og energibalanser. I dette tilfellet er vanndam-
pinnholdet konstant.
ma1 = ma2
mv1 = mv2
Energibalanse blir:
Qcv + (maha1 + mvhv1)− (maha2 − mv2hv2) = 0
som kan løses med hensyn pa overført varme:
Qcv = ma (ha2 − ha1) + mv (hv2 − hv1) = ma [(ha2 − ha1) + ω (hv2 − hv1)]
Vi ma beregne entalpiene pa innløp og utløp
31/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Massestrømmen beregnes ut fra volumstrømmen pa innløpet
ma =(AV )1
va1
Spesifikt volum for luften beregnes ut fra innløpstilstanden ved ideell gasslov:
va1 =
(R/M
)T1
pa1
Partialtrykket pa1 finnes ut fra egenskapene for relativ fuktighet der vi finner met-
ningstrykket pv1 fra damptabellen A-2
pv1 = φ1pg1 = 0.8 · 0.01228 = 0.0098 bar
Dermed far vi spesifikt volum for luften pa innløpet:
va1 =
(831428.97
NmkgK
)· 283K
0.9902 · 105 N/m2 = 0.82 m3/kg
32/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Nar spesifikt volun er kjent kan vi regne ut massestrømmen
ma =(AV )1
va1=
150m3/60s0.82m3/kg
= 3.048 kg/s
Absolutt fuktighet finner vi direkte ut fra damptrykket
ω = 0.622pv1
p− pv1= 0.622
0.00981− 0.0098
= 0.00616
Ved a hente ut entalpiene kan i beregne overført varme:
Qcv = ma [(ha2 − ha1) + ω (hv2 − hv1)] =
3.048 [(303.2− 283.1) + 0.00606 (2556.3− 2519.8)] = 62.3kJ/s = 62.3kW
33/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
b) Relativ fuktighet pa utløpet er gitt av partialtrykkene ut fra definisjonen. Parti-
altrykket for vanndamp pa utløpet er lik partialtrykket for vanndamp pa innløpet:
pv2 = pv1 = 0.0098
Metningstrykket for utløpstemperaturen 30 ◦C finner fi fra tabell A-2: pg2 = 0.04246
Vi far da relativ fuktighet direkte:
φ2 =pv2
pg2=
0.00980.04246
= 0.231
34/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eks 12.11: AVKJØLING VED KONSTANT VO-
LUM
En lukket tank med volum 35 m3 med fuktig luft ved 1.5 bar, 120 ◦C og φ=0.1.
Blandingen kjøles til 22 ◦C. Beregn overført varme i kJ.
35/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Energibalanse for et lukket system:
∆U = Q−W
Vi ser bort fra arbeid, W=0. Overført varme blir da:
Q = U2 − U1
der
U1 = maua1 + mv1uv1 = maua1 + mv1ug1
og
U2 = maua2 + mv2uv2 + mw2uw2 = maua2 + mv2ug2 + mw2uf2
36/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Spesifikk indre energi for vanndamp er tilnærmet lik spesifikk indre energi for mettet
vanndamp ved gjeldende temperatur. Ved utløpet er dette eksakt, fordi tilstanden
ER mettet. De tre siste ligningene gir:
Q = ma (ua2 − ua1) + mv2ug2 + mw2uf2 −mv1ug1
Massen av tørr luft finner vi fra ideell gassligning. Partialtrykket for tørr luft i tilstand
1:
pv1 = φ1pg1 = 0.10 · 1.985 = 0.1985
pa1 = p− pv1 = 1.5− 0.1985 = 1.3015
Massen av tørr luft blir følgende:
ma =pa1V
(R/Ma) T1=
1.3015 · 35831428.97 · 393
= 40.387
37/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Vi kan na regne ut overført varmemengde, der mv1, mv2 og mw2 er fra løsningen av
Eks 12.9.
Q = ma (ua2 − ua1) + mv2ug2 + mw2uf2 −mv1ug1
= 40.389 (210.49− 281.1) + 0.681 · 2405.7 + 3.146 · 92.32− 3.827 · 2529.3
= −10.603 kJ
38/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
ADIABATISK METNINGSTEMPERATUR
ω =ha(Tas)− ha(T ) + ω′ [hg (Tas)− hf (Tas)]
hg (T )− hf (Tas)
Tas : Adiabatisk metningstemperatur
hf : Entalpi for mettet væske
hg : Entalpi for mettet damp
ω′ = 0.622pg (Tas)
p− pg (Tas)
Vi skal i det følgende vise hvordan vi kommer frem til dette uttrykket
40/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
• Innløp: Fuktig luft med ma, vanndamp med mv
• Fødevann: Vanndamp med m′v − mv
• Utløp: Fuktig luft med ma, vanndamp med m′v
41/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Entalpibalanse for kontrollvolumet
(maha + mvhv)inn +[(
m′v − mv
)hw
]fødevann
=(maha + m′
vhv
)ut
Forutsetninger:
• Hver av de to luftstrømmene er blandinger av ideell gass
• Ingen varmeutveksling med omgivelsene
• Intet arbeid utført
• Kinetisk og potensiell energi er neglisjert
42/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Samme ligning med mere eksakt notasjon:
[maha(T ) + mvhv(T )] +[(
m′v − mv
)hw(Tas)
]=
[maha(Tas) + m′
vhv(Tas)]
43/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Vi deler pa massestrømmen for tørr luft[ha(T ) +
mv
mahv(T )
]+
[(m′
v
ma− mv
ma
)hw(Tas)
]=
[ha(Tas) +
m′v
mahv(Tas)
]Her er:
ω : mvma
ω′ : m′v
ma
(hv)ut : (hg)ut
[ha(T ) + ωhv(T )] +[(
ω′ − ω)hw(Tas)
]=
[ha(Tas) + ω′hv(Tas)
]Denne kan na løses med hensyn pa ω, og vi far ligningen vi begynte med:
ω =ha(Tas)− ha(T ) + ω′ [hg (Tas)− hf (Tas)]
hg (T )− hf (Tas)
44/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Vatkuletemperaturen
Vatkuletemperaturen kan brukes for a male en tilnærmet adiabatisk metningstem-
peratur. Tilnærmingen er god for blandingen luft/vann ved temperaturer i komfort-
omradet, men gjelder ikke generelt.
Arsaken er at varmebalansen for forholdene i den vate veken ikke oppfyller kravene
til en ekte adiabatisk metter. Geometri, lufthastighet og temperatur pa vannet som
blir tilsatt veken spiller inn.
48/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Metningskurve φ = 1.0 og linjer for konstant relativ fuktighet φ < 1.0
49/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Linjer for konstant temperatur. Linjen for t = 0 ◦C er horisontal, de andre er mer og
mer skra. Hvorfor?
h = ha + ωhv ≈ cp(a)t + ω(hfg + cp(v)t) = ωhfg +(cp(a) + ωcp(v)
)t
Diagrammet er konstruert slik at temperaturlinjen er horisontal for t = 0 ◦C
51/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eksempel pa prosess: Luft tilføres fuktighet og varme. Du kan lese av de viktigste
tilstandsverdiene i diagrammet for punkt 1 og 2.
55/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Sammenhengen mellom amerikansk og europeisk diagram (Kilde: Tim Padfield):
56/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
AVFUKTNING
Luft avkjøles ved konstant trykk til under duggpunktstemperaturen for deretter a
varmes opp igjen.
57/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Massebalansen
ma1 = ma2
mv1 + mw = mv2
Mengden kondensat
mw = mv1 − mv2
Kondensat pr masseenhet luft:
mw
ma= ω1 − ω2
58/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Kjølevæske har massestrøm mr og entalpier hi og he. Entalpibalanse:
mr (hi − he) + (maha1 + mv1hv1)− mwhw − (maha2 + mv2hv2) = 0
Innfører mv1 = ω1ma, mv2 = ω2ma og mw = (ω1 − ω2) ma
mr (hi − he) + (maha1 + ω1mahv1)− (ω1 − ω2) mahw − (maha2 + ω2mahv2) = 0
mr
ma(hi − he) + (ha1 + ω1hv1)− (ω1 − ω2) hw − (ha2 + ω2hv2) = 0
Mengde kjølevæske pr enhet tørr luft blir:
mr
ma=
(ha1 + ω1hv1)− (ω1 − ω2) hw − (ha2 + ω2hv2)(hi − he)
59/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Evaporativ kjøling
Nar vann og luft føres sammen vil følbar varme i luften ga med til a fordampe vann.
Resultatet er at lufttemperaturen gar ned samtidig som at vanndampinnholdet i
luften øker. Den følbare varmen i luften er gatt over til latent varme i vanndampen.
Jo tørrere luften er, jo større evaporativ kjøling kan vi oppna.
60/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Entalpibalansen blir som følger. Det understrekede leddet er entalpi tilført gjennom
vannet. Denne er mye mindre enn entalpien tilført gjennom luften i punkt 1. Dermed
er prosessen ikke adiabatisk, bare nesten.
(ha2 + ω2hg2) = (ω2 − ω1) hf + (ha1 + ω1hg1)
61/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eks. 12.16
Innløp: 38 ◦C og 10 % relativ fuktighet
Utløp: 21 ◦C
Tilført vann: 21 ◦C
Volumstrøm 140 m3
62/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Massestrøm for luft nar luftmengden er angitt som volumstrøm:
ma =(AV )1
va1
der va1 lett kan beregnes ut fra tilstandsligningen for fuktig luft
63/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Absolutt fuktighet i tilstand 2 kan vi løse ut fra entalpibalansen:
(ha2 + ω2hg2) = (ω2 − ω1) hf + (ha1 + ω1hg1)
ω2(hg2 − hf ) = (ha1 + ω1hg1) + ha1 − ha2
som gir
ω2 =(ha1 + ω1hg1) + ha1 − ha2
(hg2 − hf )
64/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Adiabatisk blanding
Mange prosesser der fuktig luft inngar har kanaler med T-stykker der to luftstrømmer
gar sammen til en.
65/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eks. 12.17
Innløp 1: 5 ◦C, absolutt fuktighet 0.002 kg vanndamp/kg tørr luft og Volumstrøm
142 m3
Innløp 2: 24 ◦C, relativ fuktighet 50 %, Volumstrøm 425 m3
66/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Kjøletarn
Nar ytre forhold gjør det ønskelig a kjøle luft med minimalt vannforbruk er kjøletarn
en mye brukt løsning
67/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Eks. 12.18
Innløp kondensat: 38 ◦C, massestrøm 4.5x107 kg/h
Makeup vann: 20 ◦C
Innløp luft: 25 ◦C, relativ fuktighet 30 %
Utløp luft: 35 ◦C, relativ fuktighet 90 %
68/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Massebalanse for luft, bruker felles betengelse ma
ma3 = ma4 = ma
Massebalanse for vann
m1 + m5 + mv3 = m2 + mv4
Vi vet at m1 = m2, Uttrykker massestrømmer for vanndamp ved hjelp av absolutt
fuktighet
m5 = mv4 − mv3 = ma (ω4 − ω3)
69/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Entalpibalansen:
m1hw1 + (maha3 + mv3hv3) + m5hw5 − m2hw2 − (maha4 + mv4hv4) = 0
Beregner entalpi for vann som entalpi for mettet vann ved samme temperatur. Gjør
det samme for vanndamp.
m1hf1 + (maha3 + mv3hg3) + m5hf5 − m2hf2 − (maha4 + mv4hg4) = 0
70/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
Setter inn følgende:
m1 = m2
m5 = ma (ω4 − ω3)
mv3 = maω3
mv4 = maω4
71/71
P �
i ?
�
�
≫
≪
>
<
m1hf1+(maha3 + maω3hg3)+ma (ω4 − ω3) hf5−m1hf2−(maha4 + maω4hg4) = 0
Denne kan sa løses med hensyn pa ma:
ma =m1 (hf1 − hf2)
ha4 − ha3 + ω4hg4 − ω3hg3 − (ω4 − ω3) hf5
Ved a ordne litt far vi:
ma =m1 (hf1 − hf2)(
ha4 + ω4hg4
)−
(ha3 + ω3hg3
)− (ω4 − ω3) hf5
De understrekede entalpiene for inngaende og utgaende luft kan vi finne i et diagram
for fuktig luft.