공기의 성질(종류및...)

[chemtek21]

 공기의 성질

지구상의 공기는 질소,산소의 주성분과 아르곤,탄산가스,네온등의 기타 미량의 기체로 구성되며 여기에 수증기가 포함되어 있다. 대기 중에는 이들 공기의 구성물질 이외에 자연이나 인간이 발생하는 먼지나 가스, 증기 등도 포함되어 있다. 그러나 공기조화의 이론적인 계산에서는 건조공기와 수증기의 혼합물을 공기로 삼고 있다.

수증기를 포함하지 않는 공기를 건조공기(dry air)라고 하고 수증기를 포함하고 있는 공기를 습공기라고 한다

2-1 공기의 종류

(1) 건조공기(dry air)

수증기를 전현 함유하지 않은 건조한 공기

1) 조성(Vol%) N₂ : 78% O₂ : 20.93% Ar : 0.933% CO₂ : 0.03% Ne : 1.8 x 10^-3%

He : 5.2 x 10^-4 %

2) 평균분자량(m_a) = 28.964 ㎏·m / ㎏·^oK

3) 기체상수(R_a)=29.27 ㎏·m / ㎏·^oK

4) 비중량(γ_a)=1.293 ㎏/N㎥ (20℃일 때 = 1.2 ㎏/㎥)

5) 비체적(V_a)=0.7733 N㎥/㎏(20℃일 때 = 0.83 ㎥/㎏)

(2) 습공기 (moist air)

건조공기중에 수분을 함유한 것으로 수분은 기계적인 상태로 혼합되어 있다.

구 분	설 명
상 태	건조공기 + 수증기 = 습공기
무 게	1kg + χkg = (1+χ)kg
분 압	Pa(건조공기분압) + Pw(수증기분압) = P(습공기 전압)
체 적	Va + Vw = V

(3) 포화공기(saturated air)

공기중에 포함된 수증기량은 공기온도에 따라 한계가 있고 (온도,압력에 따라 변한다), 최대 한도의 수증기를 포함한 공기를 포화공기라 한다. 공기의 온도가 상승하면 포화압력도 상승 하여 공기는 보다 많은 수증기를 함유할 수 있게 되며, 온도가 내려가면 공기가 함유할 수 있는 수증기의 한도는 작아져 포화압력은 내려간다.

(4) 무입공기(霧入空氣)

t℃포화공기의 온도를 서서히 내려 t`℃로 하면 χ-χ`만큼 수증기는 응축하여 미세한 물방 울이나 안개상태로 공중에 떠돌아 다닌다. 이와 같은 공기를 무입공기라 한다

(5) 불포화공기(unsaturated air)

포화점을 도달하지 못한 습공기로서 실제의 공기는 대부분의 경우 불포화공기이다.

(주) 포화공기를 가열하면 불포화공기로 되고, 냉각하면 과포화 공기가 된다.

2-2 공기의 상태치

(1) 건구온도 (dry bulb temperature : DB, t,℃)

보통의 온도계가 지시하는 온도

(2) 습구온도 (wet bulb temperature : WB, t`,℃)

습구온도계로 측정한 온도로서 습구온도계에 있어서는 가제위의 수막에서 물이 증발해서 증 발열을 빼앗아 수막의 온도는 강하 하므로 공기의 건구온도보다 낮아진다. 이때 공기의 건구 온도와 수막온도의 온도차에 의해 공기에서 수막으로 열이 이동하여 수막온도를 높이려고 한다.

이때 증발에 의한 열손실량과 전열에 의한 취득열량이 똑같이 평형된 곳에서 수막온도가 일 정하게 된다. 이것이 공기의 습구온도이다.

(3) 노점온도(dew point temperature : DP, t",℃)

습공기중의 수증기가 공기로부터 분리되어 응축하기 시작할 때의 온도. 즉, 습공기의 수증기 분압과 동일한 분압을 갖는 포화습공기의 온도를 말한다.

(4) 절대습도(specific humidity : SH, χ, kg/kgDA)

습공기에 함유되어 있는 수증기의 중량을 건조공기의 중량으로 나눈값. 즉, 건조공기 1kg에 대한 수증기의 중량.

 

주) 감습,가습함이 없이 냉각가열만 할 경우 절대습도는 변하지 않는다.

 

P_w : 수증기분압 (㎏/㎥) R_w : 수증기의 가스 정수 (47.06 ㎏·m / ㎏·^oK)

P_a : 건공기분압 (㎏/㎥) R_a : 건공기의 가스 정수 (29.27 ㎏·m / ㎏·^oK)

P : 대기압 ( P_w + P_a ) T : 습공기 절대습도 (^oK)

(5) 상대습도(relative humidity : RH, Ф,%)

수증기의 분압과 동일온도의 포화공기의 수증기 분압의 비로서 1㎥의 습공기중에 함유된 수 분의 중량과 이와 동일온도의 1㎥의 포화습공기에 함유되고 있는 수분의 중량과의 비이다.

(주) 공기를 가열하면 상대습도는 낮아지고, 냉각하면 높아진다.

Ф = 0% ------- 건조공기

Ф = 100% ----- 포화공기

(6) 포화도 (saturation degree : SD ,Ψ,%) 비교습도

습공기의 절대습도와 동일온도의 포화습공기의 절대습도의 비

(7) 비용적(specific volume : SV, υ, m³/kg')

1kg의 무게를 가진 건조공기를 함유하는 습공기가 차지하는 체적

⊙ 건조공기 1kg에 함유된 수증기량을 χkg이라 하면

1) 건조공기 1kg의 상태식

Pa V = R T

2) 수증기 1kg의 상태식

Pm V = x Pw T

3)

(8) 습공기의 엔탈피 (enthalpy : TH, I, kcal/kg' )

습공기의 엔탈피는 건조공기가 그 상태에서 가지고 있는 열량(현열)과 동일온도에서 수증기 가 갖고 있는 열량(잠열 + 현열)과의 합이다, 즉, 단위중량의 습공기가 갖는 현열량과 잠열 량의 합

⊙ 건조공기 1kg에 함유된 수증기량을 χkg일 때

1) 건조공기의 현열량(i_a) : 0℃의 건조공기를 0으로 한다

ia = Cp t = 0.24(kcal/kg)

Cp : 공기의 정압비열 ( 0.24kcal/h/kg)

2) 수증기의 엔탈피 (i_w) : 0℃의 건조공기를 0으로 한다

iw= gamma +Cpw t=597.3+0.441t(kcal/kg')

γ : 수증기의 0℃에서의 증발잠열(579.3kcal/kg')

Cpw : 수증기의 정압비열(0.441kcal/kg')

3) 습공기의 엔탈피(i)

i=ia + iw

(9) 현열비 (sensible heat factor : SHF), 감열비

전열량에 대한 현열량의 비로서 실내로 취출되는 공기의 상태 변화를 나타낸다.

 

(10) 열수분비 (moisture rato : U)

수분량(절대습도)의 변화량에 EK른 전열량의 변화량

1) 열평형과 물질평형

단열된 덕트내에 공기를 통하고 이것에 열량 qs((kcal/h)와 수부 L(kg/h)을 가한다

가. 열평형 ( engergy balance)

장치에 들어간 열 = Gi1+qs+Li2

장치에서 나온 열 = Gi2

∴ 열평형식 = Gi1+qs+LiL = Gi2

나. 수분에 대한 물질평형(mass balance)

장치에 들어간 수분 = Gχ1+L

장치에서 나온 수분 = Gχ₂

∴ 물질평평식=G(χ2-χ1)=L

2) 열수분비

 

i1 : 변화전의 습공기 엔탈피 (kcal/kg)

i2 : 변화후의 습공기 엔탈피 (kcal/kg)

iL : 수분의 엔탈피 (kcal/kg')

χ1 : 변화전의 습공기 절대습도 (kgl/kg')

χ2 : 변화후의 습공기 절대습도 (kgl/kg')

L : 증감된 전수분량 (kg/kg')

qs : 증감된 전열량 (kcal/h)

주) 수분의 변화가 없을 때

(11) 습공기의 단열포화온도 (adiabatic saturation temperature : t" , ℃)

외부와 단열된 용기내에서 물이 포화습공기와 같은 온도로 되어 공존할 때의 온도, 즉 완전 히 단열된 'Air Washer'를 사용하여 같은 물을 순환 분무해서 공기를 포화시킬 때 출구공기 의 온도를 단열포화온도라고 한다. 풍속이 5m/s 이상인 기류중에서 놓인 습구온도계의 눈금 은 단열포화온도와 같다.

is : 온도 t'의 포화공기 엔탈피

i : 온도 t'의 습공기 엔탈피

χs : 온도 t'의 포화공기 절대습도

χ : 온도 t'의 습공기 절대습도

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