LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Transkrypt

1 INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE WILGOTNOŚCI WZGLĘDNEJ I STOPNIA ZAWILŻENIA POWIETRZA HIGROMETREM IZOCHORYCZNYM

2 Wyznaczanie wilgotności względnej i stonia zawilżenia owietrza higrometrem izochorycznym 2. WPROWADZENIE Pomiar ilości ary wodnej zawartej w gazach (owietrze atmosferyczne, saliny, czynnik suszący) ma znaczenie nie tylko rzy oisie rocesów klimatyzacji i suszenia, ale także rzy bilansowaniu różnych rocesów technologicznych. Zawartość wilgoci w gazie określa się najczęściej rzez odanie wilgotności względnej, czyli ilorazu aktualnej ilości ary wodnej w gazie i maksymalnej ilości ary wodnej w gazie w warunkach nasycenia dla danej temeratury (wilgotność względną można również zdefiniować jako stosunek aktualnego ciśnienia cząstkowego ary wodnej do ciśnienia nasycenia rzy danej temeraturze). Innym sosobem określenia ilości wilgoci w gazach jest odanie stonia zawilżenia gazu definiowanego jako stosunek ilości (masy) ary wodnej zawartej w gazie do ilości (masy) gazu suchego. Istnieje wiele metod omiaru ilości (lub udziału) ary wodnej w gazach. Ze względu na zasadę omiaru metody te można odzielić na grawimetryczne, termometryczne, chemiczne, elektryczne, radiacyjne i higroskoowe. Metody grawimetryczne olegają na omiarze masy gazu suchego i ary wodnej. Ilość ary wyznacza się orzez ważenie wilgoci zaabsorbowanej rzez odowiednie substancje (najczęściej są to Mg(ClO) 4 lub P 2 O 3 ). Masę gazu suchego wyznacza się zazwyczaj z równania stanu. Jest to metoda o stosunkowo dużej dokładności. Metody termometryczne - wykorzystują różne zjawiska fizyczne zachodzące w gazie dwuskładnikowym jakim jest gaz wilgotny. Do gruy tej należą tzw. higrometry unktu rosy działające na zasadzie omiaru temeratury nasycenia dla danego stonia zawilżenia gazu. Pomiar ten odbywa się rzez obserwację owierzchni lustrzanej ochładzanej łytki. Obserwację można rowadzić sosobem bezośrednim lub z wykorzystaniem elementów fotoelektrycznych. Do tej gruy należy również sychometryczna metoda omiaru. Polega ona na zastosowaniu dwóch termometrów z których jeden suchy" mierzy temeraturę badanego gazu, natomiast drugi tzw. "mokry" temeraturę gazu w którym nastąiło odarowanie wody w ilości umożliwiającej osiągnięcie stanu nasycenia. Różnica wskazań obu termometrów jest wskaźnikiem wilgotności gazu. Metody chemiczne - swoją zasadą działania są odobne do chromatografów. W analizatorach chemicznych badany gaz wilgotny wdmuchuje się do cieczy absorbującej, którą jest zazwyczaj kwas siarkowy. Określenia zawartości ary wodnej w gazie dokonuje się na odstawie omiaru zmian rzewodności elektrycznej absorbentu rzed i o absorcji. Metody elektryczne - wyróżnia się tutaj higrometry oorowe i z ogrzewanym czujnikiem. W higrometrach oorowych stosuje się czujniki elektrolityczne i sorcyjne. Zasada działania tych czujników jest odobna - wskutek ochłaniania wilgoci zmieniają się w ewnym stoniu własności elektryczne tego czujnika. Zmiany tych własności są odowiednio rzetwarzane na sygnał elektryczny. Metody radiometryczne - omiar wilgotności gazu tą metodą oiera się na zjawisku absorcji romieniowania odczerwonego o określonej długości fali rzez arę wodną zawartą w gazie. Metody higroskoowe - najbardziej znanym higrometrem jest higrometr włosowy. W higrometrze tym jest wykorzystane zjawisko zmiany długości włosa w zależności od stonia nasycenia go wilgocią. Przyrost długości włosa w zakresie wilgotność względnej 0-00 % jest rzędu ok. 2.5 %. Zakres stosowania higrometrów włosowych ograniczony jest do czynników o temeraturze nie rzekraczającej 50ºC. Nie ma takiego ograniczenia co do najniższych wartości temeratury w jakich może on być stosowany.

3 Wyznaczanie wilgotności względnej i stonia zawilżenia owietrza higrometrem izochorycznym 3 2. ZASADA POMIARU WILGOTNOŚCI GAZÓW HIGROMETREM IZOCHORYCZNYM Prezentowana metoda omiaru wilgotności gazów (owietrze, saliny i inne gazy) za omocą higrometru izochorycznego należy do metod termometrycznych. Gaz wilgotny o temeraturze wyższej od temeratury unktu rosy dorowadza się do naczynia omiarowego o stałej objętości (rys. ). Naczynie to znajduje się w łaszczu wodnym 2. Temeratura cieczy w tym łaszczu odczas obierania róbki gazu jest wyższa od temeratury unktu rosy ary wodnej zawartej w badanym gazie. Po zamknięcia róbki gazu w naczyniu i ustaleniu się równowagi termodynamicznej między gazem a cieczą w łaszczu, dokonuje się omiaru ciśnienia manometrycznego m i temeratury t gazu wilgotnego w stanie oczątkowym. Nastęnie schładza się izochorycznie badany gaz do temeratury znacznie niższej od temeratury unktu rosy co osiąga się rzez ochładzanie cieczy w łaszczu wodnym za omocą kriostatu. Po onownym ustaleniu się równowagi termodynamicznej mierzy się ciśnienie manometryczne m2 i temeraturę t 2. Zgodnie z rawem Daltona ciśnienie cząstkowe gazu suchego tworzącego roztwór z arą wodną sełnia zależność: g s =, () g 2 2 ϕ ϕ gdzie: g, g2 ciśnienie bezwzględne gazu suchego w stanie i 2,, 2 ciśnienie bezwzględne gazu wilgotnego w stanie i 2, s, s2 ciśnienie nasycenia ary wodnej dla temeratury t i t 2, ϕ wilgotność względna w stanie (wielkość wyznaczana), ϕ 2 wilgotność względna w stanie 2 (ϕ 2 = ). Po dodatkowym dwukrotnym wykorzystaniu równania stanu dla gazu suchego z zależności () otrzymuje się: T 2 s2 2 s2 ϕ =. (2) s T2 s Aby wykorzystać wzór (2) należy zmierzyć ciśnienie otoczenia oraz odczytać z tablic arowych wartości ciśnienia nasycenia s i s2 dla temeratury T i T 2. Ciśnienie bezwzględne gazu jest sumą ciśnienia otoczenia i ciśnienia manometrycznego. Zmierzone wielkości ozwalają wyznaczyć molowy stoień zawilżenia owietrza: oraz masowy stoień zawilżenia owietrza: T2 X Z =, (3) T 2 s2 M 8.02 T2 X = X = Z. (4) M g T 2 s2 3. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Zasadniczy element higrometru izochorycznego to naczynie omiarowe w którym gaz wilgotny odlega rzemianom. Naczynie to jest otoczone łaszczem wodnym 2 utworzonym w zbiorniku 3. Ciecz termostatyczna doływa do łaszcza króćcem 4, na którym zamontowany

4 Wyznaczanie wilgotności względnej i stonia zawilżenia owietrza higrometrem izochorycznym 4 jest zawór odcinający 5. Ciecz odrowadzana jest rzez króciec 2. Płaszcz wodny znajdujący się w zbiorniku 3 otoczony jest warstwą izolacji cielnej 8. Całość zamknięta jest w blaszanej obudowie 4. Badany gaz zasysa się do naczynia omiarowego rzez króciec 7 lub 9. Na obydwu króćcach znajdują się zawory odcinające (6 i 0). Do omiaru temeratury róbki badanego gazu służy termoelement NiCr-CrAl umieszczony w rurce. Ciśnienie manometryczne badanego gazu mierzy się manometrem cieczowym odłączonym do króćca imulsowego Rys. Schemat zbiornika omiarowego Do schładzania cieczy w łaszczu wodnym wykorzystuje się kriostat KT30 E. Urządzenie to ozwala na łynną regulację temeratury czynnika roboczego w zakresie od 30 00ºC. Schemat stanowiska omiarowego rzedstawiono na rys. 2. Zbiornik omiarowy higrometru ołączony jest rzez króciec 9 i zawór 0 z centralną instalacją wyciągową gazów, tak więc naełnianie naczynia omiarowego badanym gazem nastęuje rzez zassanie róbki gazu z zewnątrz orzez zawór 6 i króciec 7.

5 Wyznaczanie wilgotności względnej i stonia zawilżenia owietrza higrometrem izochorycznym 5 do instalacji wyciągowej o C o C SET h ( m ) Rys. 2 Schemat stanowiska omiarowego zbiornik higrometru izochorycznego, 2 zawór odcinający doływ gazu, 3 zawór odcinający doływ cieczy termostatycznej, 4 zawór odcinający odływ gazu, 5 rzewód odływowy cieczy termostatycznej, 6 rzewód doływowy cieczy termostatycznej, 7 wskaźnik temeratury badanego gazu, 8 anel sterowania kriostatu z wyświetlaczem temeratury cieczy termostatycznej, 9 agregat chłodniczy kriostatu 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA UWAGA: wszystkie odwołania do ozycji rysunkowych dotyczą rysunku nr 2 Ćwiczenie należy zrealizować według nastęującego schematu:. srawdzić, czy zawory odcinające doływ gazu (2 i 4) są otwarte, 2. uruchomić instalację wyciągową gazów i rzełukiwać zbiornik omiarowy badanym gazem rzez około min, 3. naełnić zbiornik omiarowy badanym gazem zamknąć zawory 2 i 4 (aby gaz nie został wyssany ze zbiornika należy najierw zamknąć zawór 4), 4. odczekać do chwili ustalenia się równowagi temeraturowej między gazem a cieczą termostatyczną w łaszczu (objawem jest ustalenie się ciśnienia) w odstęach czasu zadanych rzez rowadzącego należy notować na karcie omiarowej aktualne wskazania rzyrządów, tj. różnicę wysokości cieczy manometrycznej i temeraturę badanego gazu, 5. o ustaleniu się ciśnienia gazu w zbiorniku odczytać temeraturę t i ciśnienie m, 6. schłodzić gaz w tym celu należy uruchomić agregat chłodniczy kriostatu 9 oraz anel sterujący 8 (termostat) uewniając się urzednio, czy zawór odcinający doływ cieczy termostatycznej 3 jest otwarty; o uruchomieniu urządzenia należy ustawić żądaną wartość temeratury cieczy termostatycznej na anelu sterującym kriostatu wartość ten określa rowadzący ćwiczenie, 7. odczekać do chwili osiągnięcia zadanej temeratury cieczy termostatycznej, 8. ostęując analogicznie jak w unkcie 4 odczytać temeraturę t 2 oraz ciśnienie m2, 9. odczytać ciśnienie otoczenia z barometru.

6 Wyznaczanie wilgotności względnej i stonia zawilżenia owietrza higrometrem izochorycznym 6 W trakcie ćwiczenia wyznaczana jest wilgotność względna i stoień zawilżenia owietrza atmosferycznego. Dla srawdzenia wyników uzyskanych za omocą higrometru izochorycznego należy orównać je z wynikami uzyskanymi z innych rzyrządów omiarowych: sychrometru naściennego oraz sychrometru Assmanna. W tym drugim rzyadku z rzyrządu należy odczytać wartości temeratury wskazywane rzez termometry suchy i wilgotny, natomiast wilgotność wyznacza się na odstawie wykresu i X dla owietrza wilgotnego. 5. WYKONANIE SPRAWOZDANIA W srawozdaniu należy umieścić: - krótką charakterystykę wyznaczanych wielkości oraz ois metody omiarowej, - zwięzły ois stanowiska omiarowego i rzebiegu omiarów, - kartę omiarową zatwierdzoną rzez rowadzącego, - wyniki obliczeń oraz analizę błędów omiarów, - uwagi końcowe i wnioski. LITERATURA [] Szargut J.: Termodynamika, PWN, Warszawa 980. [2] Górniak H., Szymczyk J.: Podstawy termodynamiki, cz.ii, Skryt Politechniki Śląskiej nr 676, Gliwice 99. Aktualizacja: dr inż. T. Bury