Metrologia cieplna i przep ywowa

Transkrypt

1 Metrologia cieplna i przep ywowa Systemy Maszyny i Urz dzenia Energetyczne IV rok Pomiar wilgotno ci powietrza za pomoc psychrometru Assmanna Instrukcja do wiczenia Katedra Systemów Energetycznych i Urz dze Ochrony rodowiska AGH Kraków 2012

2 1. INSTRUKCJA DO WICZENIA LABORATORYJNEGO 1.1 Cel i zakres wiczenia Celem wiczenia jest zapoznanie si z jednym z przyrz dów do pomiaru wilgotno ci powietrza: psychrometrem Assmanna, z metodyk pomiarów oraz przeprowadzanie pomiarów. 1.2 Stanowisko laboratoryjne Na stanowisku laboratoryjnym znajduj si dwa psychrometry Assmanna. Jeden z nich ma nap d elektryczny, drugi za, nap d spr ynowy. Oba psychrometry maj t sam konstrukcj. Rys.1. Uproszczony schemat psychrometru Assmanna. Na rysunku 1 przedstawiono w sposób uproszczony budow psychrometru Assmanna. Sk ada si on z dwóch termometrów, tzw. termometru suchego (po prawej stronie) i termometru mokrego (po lewej stronie). Oba termometry s zabezpieczone ekranami (1) przed wp ywem promieniowania. Termometr suchy wskazuje temperatur powietrza. Czujnik termometru mokrego jest owini ty higroskopijn koszulk (wykonan np. z batystu, mu linu) zwil an wod destylowan. Wskazuje on tzw. temperatur termometru mokrego. W górnej cz ci korpusu jest zamocowany zespó wentylacyjny (3) wymuszaj cy przep yw powietrza wokó termometrów ze sta pr dko ci. Mo e on posiada nap d spr ynowy lub elektryczny. 2

3 1.3 Zasada pomiaru wilgotno ci psychrometrem Assmanna Podstaw pomiaru wilgotno ci za pomoc psychrometru Assmanna jest fakt, e przy parowaniu wody pobierane jest ciep o parowania. Zak ada si, e w warstwie powietrza granicz cego bezpo rednio z naczyniem termometru mokrego ustali si stan nasycenia powietrza par wodn. Na skutek ró nicy ci nie cz stkowych pary wodnej w tej warstwie granicznej i w dalszych warstwach powietrza b dzie mia o miejsce parowania wody z gazy termometru mokrego. Parowanie to obni y temperatur powietrza naoko o naczynia termometru mokrego, który z tego powodu wskazuje temperatur ni sz ni suchy. Ró nic wskaza termometru suchego i mokrego nazywa si ró nic psychrometryczn. Jest ona tym wi ksza, im powietrze otaczaj ce jest bardziej suche. W powietrzu nasyconym (linia =1; 100%) oba termometry wskazuj jednakow temperatur. Znaj c temperatur termometru suchego t s (która jest równa temperaturze badanego powietrza) i temperatur termometru mokrego t m, mo na wyznaczy z dostateczn dok adno ci wilgotno powietrza dla temperatury do 50 C ze wzoru Sprunga: '' p p p pm A( t s tm ) pb ϕ = = 100% (1) '' '' p p ps ps Gdzie: p p - ci nienie sk adnikowe pary wodnej w badanym powietrzu, [Pa] p'' pm - ci nienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego, [Pa] p'' ps - ci nienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru suchego, [Pa] p b - ci nienie barometryczne w chwili pomiaru, [Pa] t s - temperatura termometru suchego, [ C] lub [ K] t m - temperatura termometru mokrego, [ C] lub [ K] A - sta a psychrometryczna lub wspó czynnik psychrometryczny, [1/ C] lub [1/ K]. Sta a psychrometryczna jest zale na od rodzaju gazu, pr dko ci przep ywu gazu wokó czujnika termometru mokrego, temperatury termometru mokrego oraz od konstrukcji psychrometru. Na podstawie bada ustalono empiryczny wzór dla powietrza: 6,75 5 A = / K (2) w gdzie: w jest pr dko ci przep ywu powietrza wokó czujnika termometru mokrego, m/s. Badania przeprowadzone w ostatnich latach wykaza y, e warto sta ej psychrometru A zale y nie tylko od pr dko ci przep ywu powietrza, ale i od konstrukcji psychrometru (wymiarów i kszta tu czujnika - zbiorniczka cieczy termometrycznej) oraz w mniejszym stopniu od temperatury, ci nienia i wilgotno ci badanego powietrza. 3

4 W typowych psychrometrach Assmanna przep yw powietrza jest wymuszony z pr dko ci 2,5 m/s, czemu odpowiada warto sta ej psychrometrycznej A = 67, [1/K]. Spotyka si psychrometry o pr dko ciach przep ywu powietrza 1,5-4 m/s. Zakres pomiarowy wilgotno ci wzgl dnej wynosi 5-95% dla temperatur 0-50 C. Przy temperaturach wy szych od 50 C ro nie b d spowodowany nieadiabatycznym procesem nawil ania. W niskich temperaturach badanego powietrza woda w koszulce termometru mokrego mo e zamarzn, co spowoduje pewn zmian sta ej psychrometrycznej. W zwi zku z powy szym nie nale y dokonywa pomiaru psychrometrem, gdy na koszulce termometru znajduje si jednocze nie woda i lód. Je eli s znane odczyty termometrów suchego i mokrego, to wilgotno wzgl dn powietrza mo na wyznaczy trzema sposobami: 1) Ze wzoru (2) okre la si sta psychrometryczn A. Nast pnie, w chwili pomiaru mierzy si ci nienie barometryczne. Z tablic opracowanych dla pary nasyconej lub z wykresu h-x okre la si warto ci ci nienia nasycenia p'' ps oraz p'' pm pary wodnej (hpa). Znaj c te warto ci, korzysta si ze wzoru (1). 2) Odczytuj c z gotowych tablic lub wykresów psychrometrycznych. Przy pos ugiwaniu si psychrometrem Assmanna mo na korzysta z tablic psychrometrycznych, które opracowano dla ci nienia = 1007 hpa, sta ej psychrometrycznej: dla wody, dla lodu oraz dla zakresu temperatury od -30 C do + 50 C. Tablice umo liwiaj wprowadzenie pewnych poprawek w zale no ci od aktualnego ci nienia barometrycznego. Dla odczytanej temperatury termometru suchego i ró nicy psychrometrycznej odczytuje si wilgotno wzgl dn. 3) Wyznaczanie wilgotno ci wzgl dnej powietrza za pomoc wykresu h-x przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Wyznaczanie wilgotno ci wzgl dnej wg wskaza psychrometru na wykresie h-x. Prowadz c z punktu M izentalp h = const. do przeci cia z izoterm t s = const. otrzyma si, jako stan powietrza otaczaj cego, punkt A o wilgotno ci wzgl dnej 0. Z przeci cia = 1 i t m ' 4

5 znajduje si punkt M (rys. 2), nast pnie prowadz c izentalp h M' = const. do przeci cia z izoterm t s, znajduje si punkt A o wilgotno ci rzeczywistej j. Je eli na wykresie h-x wyst puj izotermy obszaru mg y, wówczas z punktu M prowadzi si lini b d c przed u eniem izotermy t m obszaru mg y w obszar powietrza niedosyconego i w miejscu przeci cia z izoterm t s znajduje si punkt A, znaleziony poprzednio przy u yciu wykresu b dów (rys. 3). 1.3 Tok post powania podczas badania 1. Wyj oba psychrometry z pojemnika trzymaj c je za uchwyt, zwil y wod zbiornik prawego termometru oznaczony kolorem niebieskim. 2. Pod czy zasilacz do psychrometru i uruchomi wentylator wy cznikiem umieszczonym w górnej cz ci psychrometru. 3. Nakr ci mechanizm spr ynowy dmuchawy drugiego psychrometru, obracaj c w prawo (zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara) wieczkiem os ony mechanizmu. Nakr canie nale y przeprowadza ostro nie, do momentu, gdy dalsze nakr canie spowoduje przyspieszenie obrotów wentylatora. 4. Po ustaleniu si równowagi cieplnej (mo e to trwa kilka minut) odczyta temperatury t m oraz t s. Wykona kilka takich pomiarów. 5. Odczyta na barometrze ci nienie atmosferyczne panuj ce w pomieszczeniu podczas pomiarów. 6. Wyniki zanotowa i na podstawie trzech wymienionych w instrukcji metod wyznaczy warto wilgotno ci wzgl dnej. Tabela 1 jest przyk adow tabel pomiarow, s u c do gromadzenia danych pomiarowych. Tab. 1 Tabela do gromadzenia wyników badania Psychrometr z nap dem spr ynowym Psychrometr z nap dem elektrycznym Lp Temperatura termometru suchego t s [ C] Temperatura termometru mokrego t m [ C] Temperatura termometru suchego t s [ C] Temperatura termometru mokrego t m [ C] W niskich temperaturach badanego powietrza woda w koszulce termometru mokrego mo e zamarzn, co spowoduje pewn zmian sta ej psychrometrycznej. W zwi zku z powy szym nie nale y dokonywa pomiaru psychrometrem, gdy na koszulce termometru znajduje si jednocze nie woda i lód. 5

6 2. ANALIZA WYNIKÓW BADA 2.1 Tok post powania podczas oblicze 1. Okre li sta psychrometryczn A z zale no ci (2) przyjmuj c pr dko w = 2 m/s. 2. Okre li warto wilgotno ci wzgl dnej dla obu psychrometrów wszystkimi trzema metodami. Rezultaty oblicze zamie ci w tabeli. Tab.2 Przyk adowa tabela z rezultatami oblicze. Lp. Psychrometr z nap dem spr ynowym Wilgotno wzgl dna Psychrometr z nap dem elektrycznym Metoda oblicze Metoda oblicze rednia Kompensacja b dów pomiarowych Niedok adno prowadzonych pomiarów wynika z przyj cia procesu nawil ania warstwy granicznej za adiabatyczny. Drugim czynnikiem jest fakt, e ze wzgl du na niedok adno wymiany cieplnej termometr mokry wskazuje zawsze temperatur wy sz od temperatury zupe nego nasycenia powietrza, powoduj, e tak znaleziona wilgotno wzgl dna 0 obarczona jest pewnym b dem. Przy okre leniu wg metody 1) oraz 2) b d ten kompensowany jest empirycznie okre lon sta psychrometryczn A. Niedok adno ci w odczytach wilgotno ci wzgl dnej na wykresie, wed ug metody 3), wynikaj z za o enia, e proces nawil ania jest adiabatyczny oraz z faktu, e termometr mokry wskazuje temperatur wy sz (nie osi ga temperatury granicy ch odzenia). Dok adny odczyt mo na uzyska, znajduj c b d wskaza termometru mokrego w funkcji pr dko ci przep ywu powietrza (rys. 3). Po znalezieniu na wykresie warto ci b du B wyra onego w procentach, w a ciw temperatur nasycenia powietrza w warstwie granicznej t m znajduje si ze wzoru (3): t ' m B = tm ( ts tm ) (3) 100 6

7 Rys. 3. Wykres b dów dla wskaza termometru mokrego. ród o: Pomiary w technice cieplnej, praca zbiorowa pod redakcj Feliksa Kotlewskiego, WNT Warszawa,

8 3. DODATKI 3.1 Tablica psychrometryczna dla psychrometru Assmanna dla temperatur od +18,0 C do +24,0 C Termometr Ró nica wskaza termometru suchego i mokrego w stopniach Celsjusza suchy 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0 10,2 10,4 10,6 10,8 18, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

9 3.2 Instrukcja obsługi psychrometru TB-19

10 10