Teoretické pozadí

Vlhký vzduch tak, jak se vyskytuje v přírodě, lze pro zjednodušení fyzikálního popisu považovat za směs, která se skládá právě ze vzduchu suchého a vodní páry. Za předpokladu, že se ve vzduchu nevyskytují žádné další složky (znečištění, jiná než plynná fáze vody, prach apod.), lze na vlhký vzduch aplikovat teorii ideálního plynu. V takovém případě lze stručně vyjádřit termodynamické parametry a provádět řadu technických výpočtů. [1] Podle Mezinárodní standardní atmosféry [2] lze suchý vzduch v blízkosti zemského povrchu považovat za ideální plyn, resp. směs plynů a to dusíku N2 (78%), kyslíku O2 (21%) a ostatních plynů (1%). Z uvedeného složení navíc plyne, že se v průměrech jedná o dvouatomový plyn. Voda a vodní pára má své stavové rovnice podstatně vzdáleny od stavové rovnice ideálního plynu, nicméně v oboru teplot zemské atmosféry a při nízkých tlacích lze v oblasti termodynamických parametrů i vodní páru přibližně popsat s aplikací ideálního plynu. [1] Vlhký vzduch jako termodynamický systém je směs suchého vzduchu a vody. Pro výpočty byla předpokládána homogenní směs, tj. směs suchého vzduchu a vodní páry. Mollierův h1+x – x diagram vlhkého vzduchu představuje vzájemnou závislost jednotlivých parametrů vlhkého vzduchu při konstantním tlaku vlhkého vzduchu. Mollier [3] tento diagram sestavil pro tlak vlhkého vzduchu rovný atmosférickému tlaku, nicméně v technické praxi bývá tento diagram konstruován vzhledem k různým potřebám pro jiné tlaky v různých rozsazích jednotlivých veličin. Zvláštností diagramu je to, že abscisa, na níž je vynášena měrná vlhkost x, nesvírá s ordinátou, na níž je vynášena entalpie vlhkého vzduchu h1+x, pravý, nýbrž tupý, úhel, který je volen podle rozsahu měrné vlhkosti a entapie vlhkého vzduchu tak, aby nulová izoterma v oblasti nenasyceného vlhkého vzduchu byla vodorovná. [1] Termodynamický stav vlhkého vzduchu je určen třemi parametry a v Mollierově diagramu jej lze zobrazit jako bod. Všechny uvažované změny stavu vlhkého vzduchu, či-li termodynamické děje, které lze v Mollierově diagramu zobrazit, jsou izobarické, tj. probíhají za konstantního tlaku vlhkého vzduchu pvv. Dalším nutným zjednodušením při popisu a výpočtu změn vlhkého vzduchu je, že jsou uvažované děje pokládány za izentropické, tj. nepředpokládá se změna entropie, nebo-li jedná se o děje bez disipativních procesů, tedy o vratné změny stavu. Ohřev, resp. chlazení vlhkého vzduchu představují změny stavu při konstantním tlaku a konstantní měrné vlhkosti, které lze v Mollierově diagramu zakreslit jako úsečky rovnoběžné s ordinátou. Takto definované změny připouštějí pouze dva případy:

• ohřev, tj. změna, při níž se zvyšuje teplota za současného přívodu tepla. Parciální tlak páry pP, parciální tlak suchého vzduchu pSV, měrná tepelná kapacita vzlhkého vzduchu cpVV i měrná plynová konstanta vlhkého vzduchu rVV zůstávají při této změně konstantní.
• chlazení, tj. změna, při níž se teplota snižuje za současného odvodu tepla. Dojde-li ke snížení teploty pod teplotu rosného bodu, bude vlhký vzduch na konci děje v oblasti přesyceného vlhkého vzduchu a nastane separace vlhkosti obsažené ve vzduchu na sytou vodní páru a kondenzát, čímž dojde ke změně složení vlhkého vzduchu. V takovém případě už při změně nezůstává parciální tlak páry pP, parciální tlak suchého vzduchu pSV, měrná tepelná kapacita vzlhkého vzduchu cpVV ani měrná plynová konstanta vlhkého vzduchu rVV konstantní. [1]

Obě tyto změny lze v přírodě nalézt celkem často. Sušení, resp. vlhčení vlhkého vzduchu jsou veskrze technické změny stavu vlhkého vzduchu. Sušením se v tomto případě míní kombinace chlazení pod teplotu rosného bodu a následný ohřev na původní teplotu. Při této sérii změn stavu je třeba nejprve teplo odebrat v chladiči. Na jeho povrchu dochází ke kondenzaci vodních par a snižuje se tak měrná vlhkost x. Následně je nutné teplo v ohříváku zpětně dodat.
V případě vlhčení se jedná o mezní případ mísení vlhkého vzduchu a vlhkosti, jejíž měrná vlhkost x→∞. Kontinuální adiabatické směšování je v přírodě i v technické praxi velmi častý jev, který lze pozorovat např. při pohybu frontálních systémů v atmosféře, při sprchování, či vydechování apod. Při tomto ději dochází při stejném tlaku a bez přívodu tepla k míšení různých množství vlhkého vzduchu o různých stavech. [1] V tomto případě jsou uvažovány pouze dva mísící se proudy vlhkého vzduchu. Literatura:
[1] Šafařík, P. a Vestfálová, M.: Termodynamika vlhkého vzduchu, Praha: ČVUT, 2016.
[2] International Standard Atmosphere, ISO 2533:1975, International Organisation for Standardization, 1975.
[3] Mollier, R.: Ein neues Diagramm für Dampf-Luft-Gemische, VDI Zeitung, bd. 67, č. 9, 1923, str. 869-872.