Тепло- и массообмен между воздухом и жидкостью является комплексным процессом, при котором одновременно происходит перенос теплоты и массы вещества. Интенсивность потоков тепла и массы вещества как в толще жидкости, так и над ее поверхностью зависит от градиентов потенциалов переноса. При этом поток теплоты зависит от градиента температуры, а поток массы — от градиента, например, концентрации вещества. Вместе с тем градиент концентрации оказывает влияние на интенсивность потока теплоты, а градиент температуры в свою очередь—-на интенсивность потока массы (см.§ 20).

При рассмотрении тепло- и массообмена применительно к процессам кондиционирования воздуха особый интерес представляет тепловлажностное состояние сред на границе раздела «воздух — жидкость». От разности потенциалов переноса между массой воздуха и поверхностью, а также между поверхностью и массой жидкости зависит интенсивность тепло- и массообмена, и соответственно интенсивность процесса изменения состояния воздуха.

В § 9 отмечалось, что парциальное давление паров над водой зависит от температуры ее поверхности. Это связано с тем, что силы поверхностного натяжения удерживают отдельные молекулы в массе жидкости. В то же время некоторые молекулы приобретают энергию, Превышающую их средний энергетический уровень, и покидают поверхность. Некоторые молекулы, находящиеся над поверхностью и обладающие энергией ниже среднего для данной температуры уровня, поглощаются поверхностью. Таким образом устанавливается равновесное состояние. Если в системе «чистая жидкость— воздух» все молекулы жидкости обладают одинаковой возможностью покинуть поверхность (рис. 11.22), то в системе «раствор соли — воздух» ситуация несколько иная (рис. 11.23). Молекулы растворителя обладают возможностью покидать поверхность и поглощаться ею, а молекулы растворенного вещества (не летучие соли) не обладают такой способностью. Поскольку в растворе молекулы растворителя испытывают притяжение не только

между собой, но и с молекулами растворенного вещества, которые не обладают способностью покидать поверхность, то они в большей степени удерживаются в жидком растворе, чем в чистой жидкости при одинаковых температурных условиях. Следовательно, над поверхностью раствора находится меньше молекул растворителя и парциальное давление паров соответственно ниже. Очевидно, чем выше содержание молекул растворенного вещества в жидкости, тем меньше парциальное давление паров растворителя над ее поверхностью.

Парциальное давление паров жидкости (воды) над поверхностью раствора зависит от температуры t и концентрации Кр.

В практических расчетах процессов тепло- и массообмена используют таблицы, связывающие параметры рп, t и /<р для растворов различных солей. Наибольшее распространение в технике кондиционирования воздуха находят растворы хлористого кальция СаС12, хлористого лития LiCl и некоторые другие. Выбирая различные сочетания параметров t и /Ср, можно осуществить практически любые процессы изменения состояния воздуха (см. § 12).

Положительным свойством растворов солеи является их способность находиться в жидкой фазе при отрицательных температурах. Это свойство позволяет использовать их для обработки при­точного воздуха с очень низкими начальными температурами при необходимости получения воздуха с низкими температурой и влаго-содержанием, а также дает возможность эффективно утилизировать теплоту вытяжного воздуха зданий и сооружений, находящихся в районах с суровым климатом, и т. д. При расчетах процессов, происходящих при отрицательных температурах, используют диаграммы фазового состояния растворов.

Температура замерзания раствора зависит от концентрации растворенного вещества. При этой температуре в растворе начинают образовываться кристаллы льда. Такое состояние раствора называется криоскопическим, а понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя (воды) носит название криоскопической температуры. Если раствор в начальном состоянии А охлаждать, то вначале до состояния Б охлаждение происходит по линии /См = const, в точке Б раствор переходит в криоскопическое состояние, сохраняя при этом жидкую фазу. Дальнейшее охлаждение будет происходить по кривой БВ и сопровождаться образованием кристаллов льда, в результате чего концентрация раствора будет повышаться. При охлаждении раствора до температуры ниже ts образуется лед и твердый раствор. Если начальное состояние раствора характеризуется точкой Г, то при охлаждении до точки D начинает выпадать соль, а при дальнейшем понижении температуры процесс протекает по кривой D — В до достижения эвтектической концентрации /Сэ в точке В. При дальнейшем охлаждении весь раствор переходит в твердое состояние. Описанные явления необходимо учитывать при расчетах процессов обработки воздуха растворами солей.

Парциальное давление водяного пара над раствором соли зависит только от температуры его замерзания и практически одинаково над растворами различных солей. Однако следует иметь в виду, что при этом концентрация раствора должна быть меньше эвтектической, а теплота растворения соли должна быть незначительной по сравнению с теплотой испарения воды. Таким образом, если у различных солей температура замерзания, одинакова, то воздух над поверхностями растворов при равных его температурах будет иметь одинаковые значения относительной влажности.

При расчетах процессов тепло- и массообмена в аппаратах непосредственного контакта систем кондиционирования воздуха и утилизации тепла, где применяют в качестве рабочей силы растворы солей (например, хлористый литий), возникает необходимость определения потоков тепла и массы.

Если расчет потоков тепла от толщи раствора к воздуху (или наоборот) не вызывает особых осложнений, так как потоки тепла в толще раствора и в воздухе зависят от соответствующих градиентов температур, то расчет потоков массы встречает значительные трудности. Обычно в растворе потенциалом переноса влаги принимается концентрация вещества, а в воздухе — парциальное давление. Для описания процесса переноса влаги из толщи раствора к его поверхности и от поверхности в воздушный поток можно использовать единый потенциал состояния влаги во влажном воздухе и в жидкости— потенциал влажности [3].

По своему термодинамическому смыслу потенциал влажности является «полным потенциалом» влаги во всех ее фазах и условиях, при различных температурах и других параметрах сред, а также при разных концентрациях раствора. Применение потенциала влажности позволяет описать перенос массы вещества как в толще жидкости, так н в контактирующем с ней воздухе.

Для расчетов процессов обработки воздуха растворами хлористого лития на / — rf-диаграмму (рис. 11.25) нанесены кривые постоянных значений концентраций растворов /Ср.