Gazy wilgotne i suszenie

Transkrypt

1 Gazy wilgotne i uzenie Teoria gazów wilgotnych dotyczy gazów, które w ąiedztwie cieczy wchłaniają ary cieczy i tają ię wilgotne. Zmiana warunków owoduje, że część ary ulega kroleniu. Najbardziej tyowym rzykładem jet tutaj owietrze wilgotne miezanina gazów i ar. Traktujemy ją jako gaz kładający ię z gazu uchego (nie krolone w atmoferze czątki azotu, tlenu, argonu) oraz wody wytęującej w owietrzu w różnych tanach fazowych. Ciśnienie czątkowe ary wodnej w owietrzu jet nieznaczne i dlatego można z ewnym ograniczeniem toować w tym rzyadku rawa gazów dokonałych i rawa Daltona. Zatem Ciśnienie czątkowe ary wodnej w owietrzu wilgotnym jet równe: = b - () gdzie: ciśnienie czątkowe ary wodnej, b ciśnienie atmoferyczne, - ciśnienie czątkowe gazu uchego. W rzeczywitych warunkach atmoferycznych rzadko otyka ię owietrze całkowicie naycone arą wodna, a jezcze rzadziej idealnie uche. Najczęściej wytęuje owietrze nienaycone tj. zdolne do wchłonięcia ary wodnej w danej temeraturze. Dość częto w rzyrodzie wytęuje również owietrze w tanie rzeyconym wilgocią. Wówcza część wody nie mogąc utrzymać ię w tanie lotnym krala ię, tworząc w owietrzu mgłę. Bywa też tak, że w obliżu 73 K (dokładniej 0,0 o C) woda w owietrzu wytęuje jednocześnie w trzech fazach; lotnej jako ara, ciekłej (mgła dezczowa) i tałej (śnieg). Stan owietrza wilgotnego określa wilgotność bezwzględna i wilgotność względna Wilgotność bezwzględna - ilość gramów ary wodnej zawarta w jednym metrze ześciennym owietrza wilgotnego, co jednoznacznie odowiada gętości ary = m / V. Wilgotność względna φ tounek gętości ary do makymalnej gętości ary nayconej. Zatem,, T. Wartość - makymalnej gętości ary nayconej owietrza w danej temeraturze odawana jet w tablicach technicznych. Z ewnym rzybliżeniem wilgotność względną można wyrazić tounkiem ciśnień czątkowych ary i owietrza uchego:,, R T () R T

2 Wilgotność względną można określić rzy omocy ychrometru Amana, higrometru it. Pychrometr Amana bazuje na omiarze temeratury rzeływającego owietrza z rędkością m/ rzy omocy termometru uchego oraz zwilżonego. Termometr nawilżony wykaże tym niżzą temeraturę im mniej naycone będzie owietrze badane. Wówcza więcej cieła arowania odbiera ię od otoczenia. Jeżeli badane owietrze jet naycone, to oba termometry wkażą tę amą temeraturę. Poługujemy ię tu wzorem emirycznym: m m (T T ) 00% (3) m gdzie:, ciśnienie naycenia ary wodnej w temeraturze termometru mokrego i uchego, T T m odczyty wkazań termometru uchego i mokrego. Higrometry oarte ą na zaadzie wydłużania ię włoa odtłuzczonego lub na zaadzie aborcji względnie kondenacji (eter arujący). Przy ich omocy odczytuje ię temeraturę ojawienia ię ierwzych kroel roy (tzw. unkt roy). Podtawowym arametrem tanu owietrza wilgotnego jet zawartość w nim wilgoci X tj. tounek may wody zawartej w gazie do may uchego gazu: m w X [kg/kg] (4) m Jeżeli ten tounek zotał wyrażony w gramach, to x izemy z małej litery. Jeżeli gaz uchy i ara wodna zawarte ą w tej amej objętości, to: m V X (5) m V Wykorzytując równanie tanu dla ary i gazu uchego ( i R T ) otrzymamy R T wzór: R P P P X 0,6 0,6 (6) R P P P P bo dla owietrza R = 87 J/kg deg, a dla ary wodnej R = 46,9 J/kg deg. Ponieważ = b, zaś = φ, to X = 0,6 gdzie : b ciśnienie barometryczne, ciśnienie naycenia ary wodnej, φ wilgotność względna. b P P P b

3 X Biorąc od uwagę udziały wagowe ary wodnej g = i gazu uchego g = X gazowa owietrza wilgotnego wyrazi ię wzorem: zaś gętość gazu wilgotnego określa wzór: w R w X R (7) X b b ( X) (8) R T (XR R )T w,to tała X Bardzo częto touje ię ojęcie tonia naycenia lub inaczej tonia zawilgocenia owietrza. Jet to tounek itniejącej wilgotności do makymalnie możliwej w danej temeraturze rzed oiągnięciem tanu naycenia: ψ X (9) X max Itotniejze rozbieżności omiędzy wartościami toniem naycenia ψ i wilgotnością względną φ wytęują tylko rzy wyokich temeraturach i małych wartościach wilgotności względnej. Entalia gazu wilgotnego: J xi x i g [kj/kg gazu wilgotnego] (0) Przy c kj/kg deg entalia ary wynieie i = 500 +,965 (T 73), zaś gazu wilgotnego J +x = (T 73) + (965 T) X Jak widać obliczanie odtawowych wielkości dla owietrza wilgotnego jet niewygodne. W raktyce rzemyłowej częto korzyta ię z wykreów. Mając dwa arametry ośród ięciu można wyznaczyć ozotałe trzy ( J +x, X, T lub t,, φ ). 3

4 Tyowe rocey zachodzące z owietrzem wilgotnym a) Miezanie owietrza wilgotnego Zadanie takie najłatwiej rozwiązać można rzy omocy wykreu J-x, gdy znamy arametry dwu tanów i udziały wagowe ozczególnych kładników. J I J J 3 J < 3 = x x 3 x x Prota - na ryunku jet rotą miezania. Punkt 3 rerezentuje końcowy tan miezania may m i may m : m (-3) = m (3-). Analitycznie można określić entalię i toień uchości unktu 3 rzy omocy wzorów: J 3 = J J oraz x 3 = gdzie:, may owietrza uchego ( uwaga m oznaczono may owietrza wilgotnego), J,J,J 3 entalie w unktach,,3, x, x, x 3 zawartości wilgoci. x x () b) Nawilżanie czyli ochłanianie małej ilości wody. Proce ten może odbywać ię o rzez rozylenie zimnej wody i jet związany z oziębianiem gazu lub rzez wuzczenie ary wodnej tanowiącej jednocześnie czynnik ogrzewający gaz. Jet to miezanie znanej may gazu wilgotnego z określoną niewielką maą wody o znanej entalii. Po zmiezaniu: J m = J + m i gdzie : - ilość gazu uchego w kg, w w x m = x + J - entalia gazu wilgotnego w kj/kg deg, m w () 4

5 x - zawartość wilgoci w kg, m w - maa wody dodanej w kg, i w - entalia wody dodanej w kj/kg deg. Przy nawilżaniu intereuje na tounek rzyrotu entalii J do rzyrotu wilgoci x, który jet równy entalii czynnika nawilżającego: ΔJ Δx c) Ogrzewanie i oziębianie owierzchniowe m i w w i w [kj/kg] (3) mw Proce ten rzebiega rzy x = contan i = contan, a na wykreie jet to linia rota (A-). W czaie ogrzewania owierzchniowego wzrata entalia i temeratura, maleje zaś wilgotność względna, co umożliwia wchłonięcie dodatkowej wilgoci. Oziębianie rzy = contan, jeżeli natęuje oniżej temeratury roy (unktu roy) wywoła to wykrolenie wody, która może być od otacią mgły lub kroel wody. d) Procey zachodzące między dużą may wody a owietrzem nienayconym Powietrze na tyku z wodą nayca ię w wartwie, której tan można założyć na krzywej o φ = 00% i temeraturze wody unktu A. Wymiana may i cieła może rzebiegać w oób natęujący:. Parametry tanu owietrza x > x A ; φ < 00% ; > A ; t > t A. Proce rzebiega o rotej -A, onieważ > A, to nadmiar ary z owietrza będzie ię wykralać, a cieło kralania zotanie rzekazane wodzie. Orócz tego owietrze o temeraturze t > t A będzie oddawać cieło wodzie.. Przemiana rzy tanie ma ciśnienie = A i nie będzie tu wymiany may. Natomiat owietrze o wyżzej temeraturze będzie oddawać energię cielną wodzie. 3. Proce w tanie 3 ma < A i natąi nieznaczne odarowanie, rzy czym cieło arowania odbierane będzie wodzie. W tym amym czaie owietrze o wyżzej temeraturze ogrzewa wodę. Jet to tzw. roce uchej wymiany cieła. 4. Prota 4-A charakteryzuje roce najbardziej utabilizowany. Parowanie rzebiega wzdłuż linii J = contan. Cieło uche rzekazane wodzie zotaje całkowicie zwrócone owietrzu w otaci ary. Natęuje więkze naycenie owietrza wodą. 5

6 5. W tym rzyadku wobec nieznacznych różnic temeratur, owietrze oddaje mało cieła wodzie, a duże różnice ciśnień czątkowych rzyjają intenywnemu arowaniu i oziębianiu cieczy 6. W tym tanie wkutek jednakowych temeratur nie ma wymiany tzw. uchej natomiat wytąi intenywniejze arowanie i oziębianie wody. 7. Proce 7-A charakteryzuje najbardziej intenywne nawilżanie owietrza oraz jego ogrzewanie. Poza roceem J = contan (kt. 4) wzytkie ozotałe ą chwilowe, gdyż zmienia ię temeratura wody i arametry wartewki rzeuwają ię z arametrami o krzywej naycenia φ = 00% - w górę rzy jej ogrzewaniu lub w dół rzy oziębianiu. Równocześnie zmienia ię tan owietrza. Cały roce ma rzebieg krzywoliniowy, ale urozczony bilan energetyczny zakłada, że entalia wody wzrata o tyle o ile maleje entalia owietrza. Zatem: W (J J ) W (T T k ) tąd J J = (T Tk ) (4) gdzie: W/ tounek zrazania, maa owietrza, W - maa wody, T temeratura oczątkowa, T k temeratura końcowa roceu. Pomija ię tu nieznaczną ilość wody odarowanej lub krolonej. Równanie owyżze ozwala badać rocey w chłodniach kominowych i kruberach Inne czynniki termodynamiczne nie będą omawiane. Z unktu widzenia ożarnictwa (nie tylko) intereującym jet azot zczególnie w tanie ciekłym. Stoowany jet on do gazenia ewnych tyów ożarów ( w koalniach węgla kamiennego, w iloach zbożowych). W tanie krolonym (77 K) jego objętość jet około 700 razy mniejza niż w tanie gazowych rzy T = 73 K i ciśnieniu atmoferycznym. Dla orównania jeden metr ześcienny wody daje 700 m 3 ary wodnej. Cieło arowania azotu wynoi 99 kj/kg rzy ciśnieniu 0, MPa i jet mniejze (i to znacznie) od cieła arowania wody 65 kj/kg. Pod tym względem ciekły azot jet efektywniejzy od wody rzy gazeniu ożarów, bo zybciej 6

7 i całkowicie odarowuje i wyiera tlen. Ciekły azot odawany jet na źródło ożaru dyzami mgłowymi o dużych wymiarach, na odległość kilku metrów. Szczegółowo roblemy te nie będą omawiane. Pod względem termodynamicznym i fizycznym bardzo intereującym czynnikiem jet HE, Orócz wody jet on najleiej naukowo rzebadanym gazem. Jet on łynem kwantowym. Hel wymaga odwyżzonego ciśnienia rzy rzejściu w tan tały. Stan tały wytęuje od otacią He o ieci hekagonalnej i He o ieci rzetrzennie centrowanej. Hel ciekły jet jedynym ośród ierwiatków itniejącym w dwóch odmianach cieczy, jako hel I i hel II ry.). [MPa] He hel o ieci rzetrzennie centrowanej zetalony hel He o ieci hekagonalnej λ,45 He He I hel gazowy hel ciekły He II hel nadłynny λ k unkt krytyczny T [K] Parametry unktu λ i λ ą natęujące: T λ =,735 K P λ = 0, MPa T λ =,76 K P λ = 3,0 MPa. Parametry unktu krytycznego to: T k = 5, K i P k = 0,746 MPa. 7

8 Przejście od jednej modyfikacji do drugiej nie mieści ię w kategoriach reguły faz. Zjawiko to nazwano rzemianą fazową drugiego rodzaju. Przemianie tej towarzyzą nieciągłe zmiany wielu właności fizycznych,takich jak: cieło właściwe, lekość, ściśliwość, rzewodność cielna i naięcie owierzchniowe. ekość normalnych cieczy zwiękza ię wraz ze adkiem temeratury - dla helu I ozotaje raktycznie tała aż do temeratury,6 K. Poniżej tej temeratury lekość He I maleje. Obniżając temeraturę helu I oniżej krzywej λ-λ twierdza ię adek lekości helu II oniżej 0 - Pa (milion razy jet ona mniejza od lekości helu I). To zjawiko nazwano nadłynnością. Nadłynność rzejawia ię natęująco: - Hel II rzeływa raktycznie bez tarcia rzez małe otwory, ilnie ubite rozki. - Dwa różne oziomy helu II oddzielone rzegrodą wyrównują ię ontanicznie z uływem czau. To wyrównanie dokonuje ię wkutek ełzania o ściankach naczynia cienkiej błonki (o grubości 300 nm) z rędkością 0 cm/. Przy zniknięciu lekości ruch tej błonki odlega innym rawom hydromechaniki niż obowiązującym dla cieczy normalnej. 3. Nie tylko różnice oziomów, ale i różnice temeratur wywołują ruch błonki helu. 4. Szybka zmiana temeratury w ciekłym helu rozrzetrzenia ię w otaci fali. Nozą one nazwę drugiego dźwięku. 5. Mechanizm rzewodzenia cieła w helu II jet odmienny niż w innych tanach kuienia oraz innych łynach. Wartość wółczynnika rzewodzenia cieła w helu II wynoi 0, W/cm K. Jet to razy więkza wartość od tej ( 0,39 W/cm K) dla miedzi w temeraturze otoczenia. w związku z owyżzym hel II używany jet do chładzania tożków rakiet, mazyn cyfrowych, nadrzewodników it. Hel gazowy o temeraturze kriogenicznej (blikiej kroleniu) łuży do rzetłaczania ciekłego tlenu i wodoru do dyz ilników rakietowych itd. 8