Katedra Silników Salinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI Pomiar wilgotności względnej owietrza - 1 -
Wstę teoretyczny Skład gazu wilgotnego. Gazem wilgotnym nazywamy mieszaninę gazów, z których jeden może odlegać rocesom zmiany stanu skuienia w danym rzedziale zmian temeratury i ciśnienia. Najczęściej sotykanym w raktyce rzykładem gazu wilgotnego jest owietrze wilgotne nawilżone arą wodną, w zakresie arametrów bliskich arametrom otoczenia. W odróżnieniu od składników zwykłej mieszaniny, wilgoć w stanie gazowym nie może być zawarta w gazie wilgotnym w dowolnej ilości. Jej udział jest ograniczony taką ilością, rzy której ciśnienie cząstkowe ary jest równe ciśnieniu nasycenia s odowiadającemu temeraturze gazu wilgotnego. Ciśnienie cząstkowe ary wodnej sełnia zatem warunek s (1) N. dla owietrza o temeraturze 20 C, nawilżonego arą wodną ciśnienie cząstkowe ary wodnej wynosi 2300 Pa, a zatem rzy ciśnieniu 0.1 MPa udział objętościowy ary wodnej w owietrzu nie może rzekroczyć 2,3%. Gaz, gaz którego s jest gazem nasyconym wilgocią. Dodatkowa wilgoć onad tą, która owoduje nasycenie gazu, wystęuje w ostaci ciekłej. Jeżeli są to drobne kroelki cieczy zawieszone w gazie wilgotnym, to mówimy wówczas, że gaz jest zamglony. Ograniczenie nałożone na zawartość ary w gazie wilgotnym, wynikające z warunku (1) srawiają, że dla określenia tej zawartości stosujemy tzw. wilgotność względną ρ. Wyraża ona stosunek masy ary m zawartej w ewnej objętości gazu wilgotnego do maksymalnej zawartości ary m w tej objętości rzy takiej samej temeraturze m ϕ = = m'' t, V ρ '' ρ ( t) (2) Para wodna rzy tej maksymalnej zawartości jest arą nasyconą suchą, stąd oznaczenie m. Stosując rawa gazu doskonałego otrzymujemy zależność ϕ = s ( t ) (3) rzydatną do raktycznych obliczeń. Dla sorządzenia bilansów masowych rzemian gazów wilgotnych rzydatny jest stoień zawilżenia gazu. - 2 -
m X= m g (4) Stoień zawilżenia jest bezwymiarowy. Jednakże niekiedy używa się sztucznego wymiaru kg wilgoci/ kg gazu suchego. Parametrem związanym ze stanem termicznym gazu wilgotnego jest tzw. temeratura unktu rosy t R. Jest to temeratura, do której należy ochłodzić izobarycznie gaz wilgotny rzy X=idem, by uzyskać gaz nasycony wilgocią (ϕ=1, X=X ). Przy takim ochłodzeniu nie zmienia się ciśnienie cząstkowe ary ( =idem), natomiast wraz ze sadkiem temeratury maleje ciśnienie nasycenia i dla t=t R, = s (t R ). Pomiar temeratury t gazu wilgotnego i temeratury unktu rosy t R umożliwia obliczenie wilgotności względnej: ϕ = s ( t R ). ( t) s (5) Rys. 1. Punkt rosy na wykresie -t dla wody. Wykres h-x Stan gazu wilgotnego można, odobnie jak dla innych czynników termodynamicznych, rzedstawić na wykresie stanu. Stan gazu wilgotnego jest określony za omocą trzech niezależnych arametrów stanu, gdyż ilość stoni swobody zmiany stanu jest o jeden większa w stosunku do substancji czystej (możliwość zmiany składu - zawartości wilgoci). Aby umożliwić rzedstawianie stanu gazu wilgotnego na łaskim wykresie trzeba więc ustalić jeden z arametrów stanu. Najdogodniej jako arametr ten obrać ciśnienie, gdyż większość rocesów, jakim odlega gaz wilgotny, rzebiega rzy stałym lub rzy rawie stałym ciśnieniu, równym ciśnieniu atmosferycznemu. Jako wsółrzędne tego izobarycznego wykresu rzyjmuje się entalię właściwą h i stoień zawilżenia X. Ciśnienie, dla którego jest sorządzony wykres na ogół równe 1bar lub 1atm. - 3 -
Linia ϕ=1 (100%) rozdziela wykres h-x na dwa obszary: gazu nienasyconego wilgocią i gazu zamglonego. Z uwagi na zastosowania raktyczne najbardziej interesujący jest obszar gazu nienasyconego wilgocią. By obszar ten odowiednio wyeksonować sorządza się wykres we wsółrzędnych ukośnokątnych, a nastęnie odrzucamy zbędną część obszaru gazu zamglonego rzenosząc skalę z właściwości osi X na oś omocniczą. Rys. 2. Ukośnokątny wykres h-x Rys. 2a. Wykres h-x. - 4 -
Przy tym obcięciu wykres h-x tylko z ozoru wygląda jak rostokątny. Należy o tym amiętać rzy odczytywaniu entalii - z danego unktu trzeba orowadzić odnoszącą w kierunku osi h, równoległą do właściwej (ukośnej) osi X. Na rysunku 2 okazano rzebieg linii ϕ=idem i t=idem na wykresie h-x. Przyrządy do omiaru wilgotności owietrza Higrometry absorcyjne (grawimetryczne) W higrometrach tego tyu wilgotność owietrza oznacza się metodą bezwzględną drogą ochłaniania ary wodnej z owietrza rzez dowolny osuszacz i omiar ilości tej ary oraz ilości owietrza suchego użytego do analizy. Higrometry absorcyjne są zbyt skomlikowane i kłootliwe w użyciu do raktycznego zastosowania w technice cielnej - służą natomiast do omiarów laboratoryjnych oraz jako rzyrządy wzorcowe. Higrometry kondensacyjne Higrometry tego tyu są rzyrządami oartymi na omiarze tzw. temeratury unktu rosy, czyli temeratury, w której rozoczyna się roces kondensacji ary wodnej z owietrza na gładkiej metalowej lub szklanej owierzchni (tzw. lustrze) - owierzchnia ta musi być chłodzona. Chłodzenie owierzchni można uzyskać n. orzez efekt Peltiera chłodzenie termoelektryczne. Proces kondensacji ary wodnej z owietrza odbywa się rzy stałej zawartości wilgoci (X=idem). Określenie stanu owietrza na wykresie h-x rzedstawiono na rys. 2b. Rys. 2b. Wyznaczanie wilgotności względnej φ na wykresie h-x wg wskazań higrometru kondensacyjnego. gdzie: t A t R φ A temeratura badanego owietrza temeratura unktu rosy wilgotność względna badanego owietrza. - 5 -
Higrometry oarte na działaniu higroskoowym Działanie tych higrometrów oarte jest na zasadzie zmian ewnych własności ciał, zależnych od zmian wilgotności owietrza. Higrometry włosowe Przyrządy te oarte na własnościach włosów ludzkich lub zwierzęcych oraz niektórych włókien syntetycznych, odlegających na zmianie ich długości od wływem zmian wilgotności owietrza. Schemat higrometru włosowego rzedstawia rysunek 3. Rys.3. Schemat higrometru włosowego Przyrządy te odznaczają się rostotą w budowie oraz działaniu i dlatego znajdują się w owszechnym użyciu - wymagają jednak okresowego srawdzania i regulacji. Psychrometry Przyrządy te (aczkolwiek nie ozwalają na bezośrednie odczyty wilgotności względnej owietrza) są roste, tanie i wygodne w użyciu; dlatego też są najczęściej stosowane w raktyce. Zasada działania sychrometrów. Każdy sychrometr składa się z 2 jednakowych termometrów: tzw. suchego i mokrego. Naczynie termometru mokrego owinięte jest koszulką z gazy lub batystu, zwilżoną wodą destylowaną. Podstawą omiaru jest założenie, że w warstwie owietrza graniczącego bezośrednio z naczyniem termometru mokrego ustali się stan nasycenia owietrza arą wodną. Na skutek różnicy ciśnień cząstkowych ary wodnej w tej warstwie granicznej i w dalszych warstwach - 6 -
owietrza będzie miało miejsce arowania wody z gazy termometru mokrego. Parowanie to obniży temeraturę owietrza naokoło naczynia termometru mokrego, który z tego owodu wskazuje temeraturę niższą niż suchy. Różnica wskazań termometru suchego i mokrego nazywa się różnicą sychrometryczną. Różnica ta jest tym większa im owietrze jest bardziej suche; w owietrzu nasyconym oba termometry wskazują jednakową temeraturę. Znając temeraturę termometru suchego t s [ C] i temeraturę termometru mokrego t m [ C] można oznaczyć wilgotność względną owietrza ze wzoru ϕ = ss = sm A ( t s ss t m ) b 100% (6) gdzie: ciśnienie cząstkowe ary w badanym owietrzu; sm t m ; ciśnienie nasycenia ary wodnej w temeraturze termometru mokrego ss ciśnienie nasycenia ary wodnej w temeraturze termometru suchego t s ; b ciśnienie barometryczne w chwili omiaru. Wsółczynnik A nazywa się wsółczynnikiem sychrometrycznym albo stałą sychrometryczną. Zależy on od wsółczynników, które są funkcjami rędkości rzyływu owietrza. Na odstawie licznych badań ustalono emiryczny wzór gdzie: A=(65+ 6,75 5 w w A )10 rędkość owietrza w obliżu naczynia termometru mokrego, [m/s] Stała sychrometryczna, [1/K] (7) Jak widać, dla określenia wilgotności względnej owietrza nie wystarczy znajomość temeratur wskazanych rzez sychrometr t s i t m, lecz trzeba jeszcze znać rędkość rzeływu owietrza dookoła naczynia termometru mokrego. - 7 -
Rys. 4. Wykres zależności stałej sychrometrycznej A od rędkości rzeływu owietrza w. Z wykresu A=ƒ(w) (Rys. 4) widać, że im mniejsza szybkość rzeływu owietrza, tym większe są zmiany wielkości A. Odnosi się to zwłaszcza do szybkości oniżej 1 m/s. Wynika stąd raktyczny wniosek, że wokół naczynia termometru mokrego sztuczny rzeływ owietrza owinien mieć rędkość tego rzędu, rzy którym krzywa A=ƒ(w) ma rzebieg możliwie łaski. Psychrometr Augusta. Tak zwany sychrometr Augusta (Rys. 5) jest zestawem dwóch termometrów, z których jeden zaoatrzony jest w koszulkę i zbiorniczek wody destylowanej do jej nawilżania. Rys. 5. Psychrometr Augusta. Psychrometr ten nie osiada unormowanego rzeływu owietrza naokoło swych termometrów - nie nadaje się więc do dokładnych omiarów i wskazania jego należy - 8 -
traktować wyłącznie jako orientacyjne (rzy niesrzyjających warunkach błędy omiaru mogą dochodzić do 15%). Pomimo tych wad rzyrządy te są często stosowane ze względu na ich rostotę i taniość. Przy osługiwaniu się sychrometrem Augusta zakładamy, że szybkość rzeływu owietrza wokół naczynia termometru mokrego wynosi około 0,5m/s, (ruch wywołany konwekcją naturalną cząstek owietrza) - co odowiada stałej sychrometrycznej A 80 10-5 [1/K]. 7. Psychrometr Assmanna Psychrometr Assmanna (Rys.5a) w odróżnieniu od sychrometru Augusta osiada wymuszony rzeływ owietrza dookoła obu termometrów. Przeływ ten wywołuje wentylatorek 3, naędzany rzez srężynę nakręcaną kluczem 4, lub naędzany silnikiem elektrycznym. Rys. 5a. Psychrometr Assmanna. Powietrze zasysane od dołu rzez tulejki 1 osiada zawsze w rzestrzeni obok naczyń termometrów jednakową szybkość około 2,5m/s, czemu odowiada wartości stałej sychrometrycznej A=0,000677 [1/K]. Psychrometry Assmanna są rzyrządami rostymi w budowie i wygodnymi w użyciu, dając jednocześnie wystarczająco dokładne omiary. Z tego owodu sychrometry Assmanna używane są owszechnie do omiarów wilgotności względnej owietrza oraz do wzorcowania innych sychrometrów i higrometrów. - 9 -
Wyznaczanie wilgotności względnej owietrza na odstawie wskazań sychrometrów. Jeśli znane są odczyty termometrów suchego i mokrego to wilgotność względna owietrza można wyznaczyć w sosób trojaki: obliczyć wg wzorów (6) i (7) odczytać z gotowych tablic lub wykresów sychrometrycznych odczytać z wykresu h-x. Wyznaczanie wilgotności względnej owietrza ϕ rzy omocy wykresu h-x rzedstawia rysunek (6). Jeśli na wykresie nie ma izoterm obszaru mgły, wartość znajdujemy drogą nastęującego rozumowania: Rys. 6. Wyznaczanie wilgotności względnej φ wg wskazań sychrometru na wykresie h-x. Powietrze w warstwie otaczającej naczynie termometru mokrego jest nasycone arą, co stanowi odstawowe założenie omiaru, i osiada temeraturę t m. Stan tego owietrza można więc wyznaczyć jako rzecięcie się izotermy t m =idem i krzywej ϕ=1 (unkt M). Cieło zużyte na odarowanie wody z koszulki termometru mokrego wraca z owrotem do owietrza w formie cieła arowania wody. Zmiana stanu owietrza otaczającego do stanu owietrza w warstwie granicznej owinna więc zachodzić adiabatycznie rzy h=idem. Prowadząc z unktu M izentalę h M =idem do rzecięcia z izotermą t s =idem (temeratura wskazywana rzez termometr suchy) otrzyma się jako stan owietrza otaczającego unkt A i odowiadającą mu wilgotność względną ϕ 0. Niedokładność w odczytach na wykresie, rzyjęcie rocesu nawilżania warstwy granicznej za adiabatyczny - co nie jest ścisłe - oraz fakt, że ze względu na niedokładność wymiany cielnej termometr mokry wskazuje zawsze temeraturę wyższą od temeratury zuełnego nasycenia owietrza, owodują, że tak znaleziona wilgotność względna ϕ 0 obarczona jest ewnym - 10 -
błędem. Przy określeniu ϕ wg metody (1) i (2) błąd ten komensowany jest emirycznie określoną stałą sychrometryczną A. Rys. 7. Wykres błędów dla wskazań sychrometrów. Dokładny odczyt można uzyskać, znajdując błąd wskazań termometru mokrego. Do tego celu służy wykres błędów termometru mokrego w % różnicy sychometrycznej (t s -t m ) w funkcji rękości rzeływu owietrza (Rys.7). Po znalezieniu z wykresu błędu B% właściwą temeraturę nasycenia owietrza w warstwie granicznej t m znajduje się ze wzoru: B ( t s t m ) t m = t m 100 (8) Rzeczywisty stan owietrza w warstwie granicznej dookoła naczynia termometru mokrego znajduje się jako rzecięcie się izotermy t m =idem i krzywej ϕ=1 (unkt M na rys.4). Prowadząc teraz izentalę h M =idem do rzecięcia się z izotermą t s =idem znajdujemy rzeczywisty stan owietrza otaczającego (unkt A na rys.6) oraz rzeczywistą wilgotność względną ϕ. - 11 -
Pomiar wilgotności owietrza w kanale W technice wentylacyjnej, klimatyzacyjnej oraz w suszarnictwie często dochodzi otrzeba zmierzenia wilgotności względnej owietrza, łynącego z ewną stałą szybkością wewnątrz rzewodu (kanału) o rzekroju okrągłym lub rostokątnym. Korzystając z tego, że rzeływ owietrza w kanale jest ustalony, możemy łatwo zmierzyć jego wilgotność w sosób okazany schematycznie na rys. 8. Rys. 8. Schemat omiaru wilgotności owietrza w kanale (tunelu). Termometry suchy i mokry mocujemy w ściankach kanału w korkach gumowych lub igielitowych. Naczynie termometru mokrego owinięte jest gazą, która musi być w czasie omiarów systematycznie nawilżana wodą destylowaną- należy więc co ewien czas wyjmować korek z termometrem mokrym i zwilżać jego koszulkę rzy omocy ietki, względnie zaoatrzyć termometr mokry w zbiorniczek z wodą destylowaną. Szybkość owietrza w kanale mierzymy- zależnie od zakresu tej rędkości- jednym ze sosobów omiaru szybkości owietrza. Mając zmierzone temeratury t s i t m oraz szybkość owietrza w znajdujemy wilgotność względną ϕ: ze wzorów (6) i (7) z wykresu h-x. Pomiar wilgotności owietrza rzy omocy ogniwa Peltiera W ćwiczeniu dokonujemy omiaru temeratury unktu rosy rzy omocy ółrzewodnikowego ogniwa Peltiera. Wytwarzając naięcie na ogniwie nastęuje różnicowanie się temeratur o obu stronach ogniwa. Zimną stronę ogniwa stanowi wyolerowana metalowa łytka a ciągły omiar temeratury łytki umożliwia umieszczona od nią termoara. Obserwujemy rzy jakiej temeraturze t R łytka okrywa się mgiełką. Odczytujemy temeraturę t owietrza, o czym wyznaczamy wilgotność względną ze wzoru (5) z wykresu h-x. - 12 -