Влажность воздуха

Одной из важнейших характеристик сжатого воздуха, используемого в промышленности, пищевой индустрии, медицине и других отраслях, является влажность. В данной статье даётся определение понятия «влажность воздуха», приводятся  таблицы по определению точки росы в зависимости от температуры и относительной влажности, значений давления насыщенного пара над поверхность воды и льда, значений абсолютной влажности. А также, таблица поправочных коэффициентов пересчета относительной влажности воздуха, насыщенного относительно воды, в относительную влажность воздуха, насыщенного относительно льда.

Самое общее определение таково: влажность - это мера, характеризующая содержание водяных паров в воздухе (или другом газе). Данное определение, разумеется, не претендует на "наукоемкость", зато дает физическое понятие влажности.

Для количественной оценки "влажности" газов наиболее часто используют следующие характеристики:

  • парциальное давление водяного пара (р) - давление, которое имел бы водяной пар, входящий в состав атмосферного или сжатого воздуха, если бы он один занимал объём, равный объёму воздуха при той же температуре. Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных составляющих этой смеси.
  • относительная влажность - определяется как отношение действительной влажности воздуха к его максимально возможной влажности, т. е. относительная влажность показывает, сколько еще влаги не хватает, чтобы при данных условиях окружающей среды началась конденсация. Более «научной» является такая формулировка: относительная влажность это величина определяемая как отношение парциального давления водяного пара (р) к давлению насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах.
  • температура точки росы (инея), определяется как температура, при которой парциальное давление насыщенного относительно воды (льда) пара равно парциальному давлению водяного пара в характеризуемом газе. Т. е. это температура, при которой начинается процесс конденсации влаги. Практическое значение точки росы заключается в том, что оно показывает, какое максимальное количество влаги может содержаться в воздухе при указанной температуре. Действительно, фактическое количество воды, которое может удерживаться в постоянном объеме воздуха, зависит только от температуры. Понятие точки росы является наиболее удобным техническим параметром. Зная значение точки росы,  можно смело утверждать, что количество влаги в заданном объеме воздуха не превысит определенного значения.
  • абсолютная влажность, определяемая как массовое содержание воды в единице объема газа. это величина, показывающая, какое количество паров воды содержится в заданном объеме воздуха, это самое общее понятие, оно выражается в г/м3. При очень низкой влажности газа используется такой параметр как влагосодержание, единица измерения которого ppm (parts per million - частей на миллион). Это абсолютная величина, которая характеризует число молекул воды на миллион молекул всей смеси. Она не зависит ни от температуры, ни от давления. Это и понятно количество молекул воды не может увеличиваться или уменьшаться при изменениях давления и температуры.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса - Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

ln psw =-6094,4692T-1 +21,1249952-0,027245552 T+0,000016853396T2 +2,4575506 lnT
ln psi =-5504,4088T-1 - 3,5704628-0,017337458T+ 0,0000065204209T2 + 6,1295027 lnT,

где psw - давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды (Па);
psi - давление насыщенного пара над плоской поверхностью льда (Па);
Т - температура ( К ).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100ºC (для psw) и от -0 до -100ºC (для psi). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50ºC).

Очевидно что эти формулы достаточно громоздки и неудобны для практической работы, поэтому в расчётах намного удобнее пользоваться готовыми данными, сведёнными в специальные таблицы. Ниже приведены некоторые из этих таблиц.

Таблица 1. Определения точки росы в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха

 Температура воздуха Относительная влажность воздуха
  30% 35% 40% 45% 50% 55% 60%& 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95%
 -10°С ;-23,2 -21,8 -20,4 -19,0 -17,8 -16,7 -15,8 -14,9 -14,1 -13,3 -12,6 -11,9 -10,6 -10,0
 -5°С  -18,9 -17,2  -15,8  -14,5  -13,3  -11,9  -10,9  -10,2 -9,3 -8,8  -8,1  -7,7   -6,5  -5,8
 0°С  -14,5  -12,8  -11,3  -9,9 -8,7 -7,5 -6,2 -5,3  -4,4  -3,5  -2,8  -2  -1,3   -0,7
 +2°С  -12,8  -11,0  -9,5  -8,1  -6,8  -5,8  -4,7  -3,6  -2,6 -1,7  -1  -0,2  -0,6  +1,3 
 +4°С  -11,3 -9,5  -7,9  -6,5  -4,9  -4,0  -3,0  -1,9  -1,0  +0,0  +0,8  +1,6  +2,4   +3,2
 +5°С  -10,5 -8,7  -7,3  -5,7  -4,3  -3,3  -2,2  -1,1  -0,1  +0,7  +1,6  +2,5   +3,3  +4,1
 +6°С  -9,5 -7,7  -6,0   -4,5 -3,3  -2,3  -1,1  -0,1  +0,8  +1,8  +2,7   +3,6  +4,5  +5,3
 +7°С  -9,0 -7,2  -5,5  -4,0  -2,8  -1,5  -0,5  +0,7  +1,6  +2,5  +3,4  +4,3  +5,2  +6,1 
 +8°С  -8,2 -6,3  -4,7  -3,3  -2,1  -0,9  +0,3  +1,3  +2,3  +3,4  +4,5  +5,4   +6,2  +7,1
 +9°С  -7,5 -5,5  -3,9  -2,5  -1,2  +0,0  +1,2  +2,4  +3,4   +4,5  +5,5  +6,4  +7,3  +8,2
 +10°С  -6,7  -5,2  -3,2  -1,7  -0,3 +0,8  +2,2  +3,2  +4,4  +5,5  +6,4  +7,3  +8,2  +9,1 
 +11°С  -6,0 -4,0  -2,4  -0,9  +0,5  +1,8  +3,0  +4,2  +5,3  +6,3  +7,4  +8,3   +9,2  +10,1
 +12°С  -4,9 -3,3  -1,6  -0,1  +1,6  +2,8  +4,1   +5,2 +6,3 +7,5  +8,6  +9,5  +10,4  +11,7 
 +13°С  -4,3 -2,5  -0,7  +0,7  +2,2  +3,6  +5,2  +6,4  +7,5  +8,4  +9,5  +10,5  +11,5  +12,3 
 +14°С  -3,7 -1,7  -0,0  +1,5  +3,0  +4,5  +5,8  +7,0  +8,2  +9,3  +10,3  +11,2  +12,1  +13,1 
 +15°С  -2,9 -1,0  +0,8  +2,4  +4,0  +5,5  +6,7  +8,0  +9,2   +10,2 +11,2  +12,2  +13,1  +14,1 
 +16°С  -2,1 -0,1  +1,5  +3,2  +5,0  +6,3  +7,6  +9,0  +10,2   +11,3 +12,2  +13,2  +14,2  +15,1 
 +17°С  -1,3 +0,6  +2,5  +4,3  +5,9  +7,2  +8,8  +10,0  +11,2  +12,2  +13,5  +14,3   +15,2  +16,6
 +18°С  -0,5 +1,5  +3,2  +5,3  +6,8  +8,2  +9,6  +11,0  +12,2  +13,2  +14,2  +15,3  +16,2   +17,1
 +19°С  +0,3 +2,2  +4,2  +6,0  +7,7  +9,2  +10,5  +11,7  +13,0  +14,2   +15,2 +16,3  +17,2  +18,1 
 +20°С  +1,0 +3,1   +5,2 +7,0  +8,7  +10,2  +11,5  +12,8  +14,0  +15,2  +16,2  +17,2  +18,1   +19,1
 +21°С  +1,8 +4,0  +6,0  +7,9  +9,5  +11,1  +12,4  +13,5  +15,0   +16,2 +17,2  +18,1   +19,1 +20,0 
 +22°С  +2,5 +5,0  +6,9  +8,8  +10,5  +11,9  +13,5  +14,8   +16,0 +17,0  +18,0  +19,0   +20,0 +21,0 
 +23°С  +3,5 +5,7  +7,8  +9,8  +11,5  +12,9  +14,3  +15,7  +16,9   +18,1 +19,1  +20,0  +21,0  +22,0 
 +24°С  +4,3 +6,7  +8,8  +10,8  +12,3  +13,8  +15,3  +16,5  +17,8  +19,0  +20,1  +21,1   +22,0 +23,0
 +25°С  +5,2 +7,5  +9,7  +11,5  +13,1  +14,7  +16,2  +17,5   +18,8 +20,0  +21,1  +22,1  +23,0  +24,0 
 +26°С  +6,0 +8,5  +10,6  +12,4  +14,2  +15,8  +17,2  +18,5  +19,8  +21,0  +22,2  +23,1  +24,1  +25,1 
 +27°С  +6,9 +9,5  +11,4  +13,3  +15,2  +16,5  +18,1  +19,5  +20,7  +21,9  +23,1  +24,1  +25,0  +26,1 
 +28°С  +7,7 +10,2   +12,2 +14,2  +16,0  +17,5  +19,0  +20,5   +21,7 +22,8  +24,0   +25,1 +26,1  +27,0 
 +29°С  +8,7 +11,1  +13,1  +15,1  +16,8  +18,5  +19,9  +21,3  +22,5  +24,1  +25,0  +26,0  +27,0  +28,0 
 +30°С  +9,5 +11,8  +13,9  +16,0  +17,7  +19,7  +21,3  +22,5  +23,8  +25,0  +26,1  +27,1  +28,1  +29,0 
 +32°С  +11,2 +13,8  +16,0  +17,9  +19,7  +21,4  +22,8  +24,3  +25,6  +26,7  +28,0  +29,2  +30,2  +31,1 
 +34°С  +12,5 +15,2   +17,2  +19,2 +21,4  +22,8  +24,2  +25,7   +27,0 +28,3  +29,4  +31,1  +31,9  +33,0 
 +36°С  +14,6 +17,1  +19,4   +21,5 +23,2  +25,0  +26,3  +28,0  +29,3  +30,7  +31,8  +32,8  +34,0  +35,1 
 +38°С  +16,3  +18,8 +21,3  +23,4  +25,1  +26,7  +28,3  +29,9  +31,2  +32,3  +33,5  +34,6  +35,7  +36,9 
 +40°С  +17,9 +20,6  + 22,6 +25,0  +26,9  +28,7  +30,3  +31,7  +33,0  +34,3  +35,6  +36,8  +38,0  +39,0 

 

Таблица 2. Значения давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды (psw) и льда (psi).

Т, °C psw, Па psi, Па Т, °C psw, Па psi, Па Т, °C psw, Па psi, Па
 -50  6,453 3,924   -33 38,38   27,65  -16 176,37   150,58
 -49  7,225  4,438  -32  42,26  30,76  -15  191,59  165,22
 -48  8,082  5,013  -31  46,50  34,18  -14  207,98  181,14
 -47  9,030  5,657  -30  51,11  37,94  -13  225,61  198,45
 -46  10,08  6,38  -29  56,13  42,09  -12  244,56  217,27
 -45  11,24  7,18  -28  61,59  46,65  -11  264,93  237,71
 -44  12,52  8,08  -27  67,53  51,66  -10  286,79  259,89
 -43  13,93  9,08  -26  73,97  57,16  -9  310,25  283,94
 -42  15,48  10,19  -25  80,97  63,20  -8  335,41  310,02
 -41  17,19  11,43  -24  88,56  69,81  -7  362,37  338,26
 -40  19,07  12,81  -23  96,78  77,06  -6  391,25  368,84
 -39  21,13  14,34  -22  105,69  85,00  -5  422,15  401,92
 -38  23,40  16,03  -21  115,32  93,67  -4  455,21  437,68
 -37  25,88  17,91  -20  125,74  103,16  -3  490,55  476,32
 -36  28,60  19,99  -19  136,99  113,52  -2  528,31  518,05
 -35  31,57  22,30  -18  149,14  124,82  -1  568,62  563,09
 -34  34,83  24,84  -17  162,24  137,15  0  611,65  611,66

 

Таблица 3. Значения давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды (psw).

Т, °C psw, Па Т, °C psw, Па Т, °C psw, Па Т, °C psw, Па
0 611,65 26 3364,5 52 13629,5 78 43684,4
 1  657,5  27  3568,7  53  14310,3  79  45507,1
 2  706,4  28  3783,7  54  15020,0  80  47393,4
 3  758,5  29  4009,8  55  15759,6  81  49344,8
 4  814,0  30  4247,6  56  16530,0  82  51363,3
 5  873,1  31  4497,5  57  17332,4  83  53450,5
 6  935,9  32  4760,1  58  18167,8  84  55608,3
 7  1002,6  33  5036,0  59  19037,3  85  57838,6
 8  1073,5  34  5325,6  60  19942,0  86  60143,3
 9  1148,8  35  5629,5  61  20883,1  87  62524,2
 10  1228,7  36  5948,3  62  21861,6  88 64983,4
 11  1313,5  37  6282,6  63  22878,9  89   67522,9
 12  1403,4  38  6633,1  64  23936,1  90  70144,7
 13  1498,7  39  7000,4  65  25034,6  91   72850,8
 14  1599,6  40  7385,1  66  26175,4  92 75643,4
 15  1706,4  41  7787,9  67  27360,1  93   78524,6
 16  1819,4  42  8209,5  68  28589,9  94 81496,5
 17  1939,0  43  8650,7  69  29866,2  95  84561,4
 18  2065,4  44  9112,1  70  31190,3  96  87721,5
 19  2198,9  45  9594,6  71  32563,8  97  90979,0
 20  2340,0  46 10098,9   72  33988,0  98  94336,4
 21  2488,9  47  10625,8  73  35464,5  99  97795,8
 22  2646,0  48  11176,2  74  36994,7 100  101359,8
 23  2811,7  49  11750,9  75  38580,2    
 24  2986,4  50  12350,7  76  40222,5    
 25  3170,6  51  12976,6  77  41923,4    

 

Таблица 4. Значения абсолютной влажности газа с относительной влажностью по воде 100% при различных температурах.

Т,°С А,г/м3 Т,°С А,г/м3 Т,°С А,г/м3 Т,°С А,г/м3
-50   0,063  -10  2,361 30   30,36  70 196,94 
 -49  0,070  -9  2,545  31  32,04  71  205,02
 -48  0,078  -8  2,741  32  33,80  72  213,37
 -47  0,087  -7  2,950  33  35,64  73  221,99
 -46  0,096  -6  3,173  34  37,57  74  230,90
 -45  0,107  -5  3,411  35  39,58  75  240,11
 -44  0,118  -4  3,665  36  41,69  76  249,61
 -43  0,131  -3  3,934  37  43,89  77  259,42
 -42  0,145  -2  4,222  38  46,19  78  269,55
 -41  0,160  -1  4,527  39  48,59  79  280,00
 -40  0,177  0  4,852  40  51,10  80  290,78
 -39  0,196  1  5,197  41  53,71  81  301,90
 -38  0,216  2  5,563  42  56,44  82  313,36
 -37  0,237  3  5,952  43  59,29  83  325,18
 -36  0,261  4  6,364  44  62,25  84  337,36
 -35  0,287  5  6,801  45  65,34  85  349,91
 -34  0,316  6  7,264  46  68,56  86  362,84
 -33  0,346  7  7,754  47  71,91  87  376,16
 -32  0,380  8  8,273  48  75,40  88  389,87
 -31  0,416  9  8,822  49  79,03  89  403,99
 -30  0,455  10  9,403  50  82,81  90  418,52
 -29  0,498  11  10,02  51  86,74  91  433,47
 -28  0,544  12  10,66  52  90,82  92  448,86
 -27  0,594  13  11,35  53  95,07  93  464,68
 -26  0,649  14  12,07  54  99,48  94  480,95
 -25  0,707  15  12,83  55  104,06  95  497,68
 -24  0,770  16  13,63  56  108,81  96  514,88
 -23  0,838  17  14,48  57  113,75  97  532,56
 -22  0,912  18  15,37  58  118,87  98  550,73
 -21  0,991  19  16,31  59  124,19  99  569,39
 -20  1,076  20  17,30  60  129,70  100  588,56
 -19  1,168  21  18,33  61  135,41    
 -18  1,266  22  19,42  62  141,33    
 -17  1,372  23  20,57  63  147,47    
 -16  1,486  24  21,78 64   153,83    
 -15  1,608  25  23,04  65  160,41    
 -14  1,739  26  24,37  66  167,23    
 -13  1,879  27  25,76  67  174,28    
 -12  2,029  28  27,22  68  181,58    
 -11  2,190  29  28,75  69  189,13    

Приведём пример использования вышеприведённых таблиц в практической деятельности:

На предприятии установлен компрессор производительностью 10 м3/мин, параметры атмосферного воздуха в данный момент времени следующие: температура +25 °С, относительная влажность 85%, избыточное давление на выходе из компрессора 6 бар (7 бар абсолютное). Сколько воды выделится в жидком виде из сжатого воздуха за час работы компрессора при таких условиях?

Производительность компрессора - это объём газа, нагнетаемого им в единицу времени, измеренный на выходе из компрессора но пересчитанный на условия всасывания, т.е. на давление и температуру в в стандартной точке всасывания (на входе в компрессор). Другими словами, компрессор производительностью 10 м3/мин "всасывает" в минуту 10 кубических метров атмосферного воздуха.

Найдём количество воды содержащееся в 10 кубических метрах атмосферного воздуха с параметрами температура +25 °С, относительная влажность 85%. Согласно таблице 4, в воздухе с температурой +25 °С и стопроцентной влажности содержится 23,04 г/м3 воды. Значит при 85%-ной влажности в одном кубическом метре воздуха будет содержаться 0,85*23,04=19,584 г. воды, а в десяти - 195,84 г.

В процессе компримирования воздуха объём, занимаемый им, будет уменьшаться. Уменьшенный объем сжатого воздуха при давлении 6 бар можно подсчитать, исходя из закона Бойля –Мариотта (температура воздуха существенно не изменяется):

P1 x V1 = P2 x V2

V2 = (P1 x V1) / P2

где Р1 - атмосферное давление равное 1,013 бар;
V2 = ( 1,013бар х 10 м3 )/ (6+1,013)бар = 1,44 м3.

То есть, 10 кубических метров атмосферного воздуха, в процессе сжатия, "превратились" в 1,44 м3 сжатого воздуха, с избыточным давлением 6 бар, на выходе из компрессора.