POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Saochodów i Maszyn Roboczych INSTYTUT POJAZDÓW Laboratoriu Terodynaiki Ćwiczenie nr: 7 BADANIE WILGOTNOŚCI POWIETRZA opracował: dr inż. Zdzisław Nagórski 1
Cele dwiczenia jest: poznanie etod i technik poiaru wilgotności, wykonanie badao wilgotności względnej powietrza w funkcji jego teperatury, interpretacja wielkości służących do oceny wilgotności powietrza, przy użyciu wykresu Molliera. 1. WPROWADZENIE Powietrze suche jest ieszaniną gazową azotu i tlenu, o łączny udziale asowy sięgający ok. %. Resztę, tj. ok. 1%, stanowią inne pierwiastki i związki cheiczne w stanie gazowy. Tę ieszaninę nazwano powietrze suchy, gdyż w zakresie naturalnych zian teperatury, tj. od ok. 00 K ( -70 o C) do ok. 350 K ( +80 o C), jego składniki występują tylko w stanie gazowy. Powietrze atosferyczne (gaz wilgotny nienasycony, nasycony lub przesycony) jest dwuskładnikową ieszaniną powietrza suchego (gaz suchy) i wody (wilgoci), która w ty zakresie teperatury, występuje w trzech stanach skupienia (pary przegrzanej i nasyconej, gły (para przesycona) ciekłej lub lodowej). Masa pary wodnej w powietrzu nasycony zienia się wraz z jego teperaturą, stąd np. po przechłodzeniu powietrza nasyconego, para wodna (gaz) wykrapla się. Między innyi, to zjawisko decyduje o transporcie wody w atosferze zieskiej i jest jedny z czynników kliatycznych, decydujących o ekosysteie na Ziei. Przykładowo, w wyieniony zakresie teperatury asa pary wodnej w powietrzu nasycony oże wzrosnąd ok. 1000 - krotnie. Obecnośd wody w powietrzu (chury, gła, deszcz, szron) a wpływ na procesy energetyczne i technologiczne, w których substrate (spalanie) lub poednikie (suszarnictwo, kliatyzacja) jest powietrze. Poednio a także wpływ na wyposażenie urządzeo (np. wersje arktyczne lub tropikalne saochodów) oraz ich konstrukcję (np. obwody elektryczne i elektroniczne w saochodach) i eksploatację. Poważny problee techniczny jest korozja ateriałów konstrukcyjnych, za którą odpowiedzialna jest przede wszystki wilgod, tworząca agresywne związki cheiczne z SO x, NO x itp. Przykłady te wykazują, że inforacja o wilgotności powietrza jest nie tylko paraetre kliatyczny, ale często oże byd ważny paraetre techniczny i eksploatacyjny. 1.1. Pojęcia podstawowe Do oceny jakościowej i ilościowej wilgoci w powietrzu wykorzystuje się następujące definicje i wielkości: - powietrze nasycone (gaz wilgotny nasycony) - zawiera aksyalną w danej teperaturze, asę pary wodnej, - powietrze nienasycone (gaz wilgotny nienasycony) - powietrze, które w danej teperaturze oże jeszcze wchłonąd pewną asę pary wodnej, - powietrze przesycone (gaz wilgotny przesycony) - powietrze, w który wykropliła się woda w postaci gły ciekłej lub lodowej, - ciśnienie baryczne powietrza p b jest suą ciśnieo cząstkowych (udziałowych, parcjalnych): powietrza suchego p 1 i pary wodnej p w (zgodnie z prawe Daltona): pb p 1 p (1) w W powietrzu nasycony, ciśnienie pary wodnej p w osiąga wartośd aksyalną p w teperaturze T, natoiast w powietrzu nienasycony w tej teperaturze ciśnienie p w < p. W tablicy 1 podano Wartości ciśnienia nasycenia w funkcji teperatury powietrza,
- punkt rosy - stan powietrza nasyconego, w który każde obniżenie teperatury powoduje wykroplenie się części pary wodnej w postaci gły lub rosy (ciśnienie p w = p ). Punkty rosy tworzą linię rosy, - wilgotnośd względna powietrza jest równa stosunkowi ciśnieo pary wodnej w powietrzu nienasycony i w powietrzu nasycony, w tej saej teperaturze T, tzn. p w (T) p (T) - wilgotnośd bezwzględna asowa (stopieo wilgoci, zawartośd wilgoci) X, wyznaczona z równao stanu pary wodnej (g.d.) i powietrza suchego (g.d.), jest równa stosunkowi asy pary wodnej w (w dowolny stanie skupienia) do asy powietrza suchego p, tzn. w pw X[kgH O / kg.pow.suchego] 0 6 p p Po uwzględnieniu zależności (), wilgotnośd bezwzględną asową opisuje wzór X [kgh O / kg.pow.suchego] p b w (), (3) 0, 6 p p p - wilgotnośd bezwzględna objętościowa jest stosunkie asy pary wodnej w do objętości V powietrza, tzn. 3 b[kgho/ pow.] V gdzie R p jest stałą gazową powietrza, a T jego teperaturą bezwzględną, w b w R T p Tablica 1. Ciśnienie nasycenia pary wodnej p w funkcji teperatury powietrza Ćwiczenie nr 3: p (4) b (5) T t P T t P T t P [K] [st. C] [Pa] [K] [st. C] [Pa] [K] [st. C] [Pa] 8 1147 7 4 8 31 3 61 83 10 17 8 5 3166 313 40 7375 84 11 131 6 3360 314 41 7777 85 1 140 300 7 3563 315 4 818 86 13 147 301 8 377 316 43 863 87 14 157 30 4004 317 44 100 88 15 1704 303 30 44 318 45 58 8 16 1817 304 31 441 31 46 10086 0 17 136 305 3 4754 30 47 1061 1 18 063 306 33 50 31 48 1116 1 16 307 34 5318 3 4 11736 3 0 337 308 35 56 33 50 1335 4 1 486 30 36 540 34 51 160 5 64 310 37 674 35 5 1360 6 3 808 311 38 664 36 53 14367 - stopieo nasycenia (parą wodną) powietrza jest określony stosunkie wilgotności bezwzględnych asowych powietrza: nienasyconego X do nasyconego X, w tej saej teperaturze T, tzn. X ( pb p) X p p Zwykle różnica iędzy wartościai i jest zaniedbywalna, ze względu na bliski jedności, iloraz ciśnieo we wzorze (6), tzn., b (6) 3
stała gazowa powietrza (ieszaniny powietrza suchego i pary wodnej) R p *J/(kg K)+ jest równa R p R g X R 1 X w 46 0,6 X 87 1 X p 1 0,378 p gdzie: R g = 87 J/(kg K) i R w = 46 J/(kg K) są stałyi gazowyi powietrza suchego (gaz) i pary wodnej (87/46 = 0,6), entalpia powietrza i *kj/kg+ (odpowiadająca asie ieszaniny: 1 kg powietrza suchego oraz X kg pary wodnej) jest równa b (T) (7) i = (c pg + X*c pw )*(T-73) + X*r (8) gdzie: c pg - jest izobaryczny ciepłe właściwy powietrza suchego (tabl. ), c pw - izobaryczny ciepłe właściwy pary wodnej, r - ciepłe parowania wody, a T [K] - teperaturą absolutną powietrza. Przyjęto, że powietrze o teperaturze 73 K a entalpię równą 0. Tablica. Izobaryczne ciepło właściwe powietrza suchego c pg w funkcji teperatury 1.. Wykres Molliera i - X T cpg [K] [kj/(kg K)] 83 1,005 3 1,005 303 1,005 313 1,006 33 1,006 Do analizy zian wilgotności powietrza wykorzystuje się wykres Molliera (rys. 1), zbudowany w układzie: entalpia i - wilgotnośd bezwzględna asowa X i ciśnienie cząstkowe pary wodnej p w. Na ty wykresie naniesione są linie stałej wilgotności względnej (z linią rosy =1), linie stałej entalpii (izentalpy) i, stałej teperatury T *K+ i wilgotności bezwzględnej asowej X oraz linie poocnicze i oś ciśnieo cząstkowych pary wodnej p w [Pa lub Tr]. Linia rosy ( =1) oddziela obszar powietrza nienasyconego od powietrza przesyconego. Nachylenie izoter wynika z równao: - dla wartości 1: - dla > 1: i r cpw ( T 73 ), X T i cpw ( T 73 ), X T gdzie c pw jest ciepłe właściwy wody lub lodu. Linie izoter załaują się na linii rosy i w obszarze gły przebiegają podobnie, jak izentalpy. Oś ciśnieo cząstkowych oże pokrywad się z osią X lub oże znajdowad się po prawej stronie wykresu, przy czy wówczas jej skalę wyznacza kąt nachylenia poocniczej linii ukośnej. Linie izentalp są odchylone od pionu o kąt 135 O. Przykładowo, na wykresie pokazany na rys. a, punkt A reprezentuje powietrze nienasycone o teperaturze T A i wilgotności względnej A. Izentalpa i oraz linia stałej wilgotności bezwzględnej asowej X, przechodzące przez ten punkt, uożliwiają odczytanie wartości i A i X A lub p wa tego powietrza. Punkt A, który powstał z przecięcia izotery T A z linią rosy, po zrzutowaniu na oś X, wyznacza aksyalną zawartośd wilgoci X A w powietrzu o tej teperaturze oraz aksyalne ciśnienie cząstkowe pary wodnej p A. W podobny sposób odczytuje się ciśnienie cząstkowe pary wodnej p wa w powietrzu nienasycony (punkt A). 4
Rys. 1. Wykres Molliera i - X dla powietrza o ciśnieniu p b = 10 5 Pa (prawdziwy dla zian p b = 1000 hpa w granicach +-3%). 5
a) i[kj/kg] T[K] izentalpa Para nienasycona i A izotera b) i T[K] i=ide Para nienasycona A Linia rosy A A T A 1 T T Izotera badanego powietrza Linia rosy 1 Obszar gły Obszar gły 73 X A X A X p wa p A p w X w (T) X (T) X p w (T) p (T) p w Rys.. Fragenty wykresu Molliera: a) interpretacja graficzna podstawowych wielkości występujących w badaniach wilgotności, b) interpretacja graficzna psychroetrycznej etody poiaru wilgotności 1.3. Metody poiaru wilgotności powietrza Do poiarów wilgotności powietrza wykorzystuje się etody higroetryczne i psychroetryczne. Poniżej, krótko zostaną scharakteryzowane ważniejsze z nich. Metody higroetryczne wykorzystują zjawiska, w których ziana ilości pary wodnej powoduje zianę cech lub własności fizykocheicznych eleentów poiarowych czujników. Często pozwalają na bezpoedni odczyt wilgotności względnej powietrza. Rozróżnia się następujące etody higroetryczne: - absorpcyjną. Bezwzględna ilośd wilgoci, pochłoniętej przez tzw. osuszacz, jest wyznaczana z bilansu asy powietrza badanego i powietrza suchego. Metodę tę zaleca się do wzorcowych badao wilgotności powietrza, - kondensacyjną. Z przechłodzonego powietrza, które kontaktuje się np. z odpowiednio ziną powierzchnią, wykrapla się para wodna. W powietrzu o stałej zawartości wilgoci, początek wykraplania (zaglenie w punkcie rosy) pary wodnej na eleencie o regulowanej teperaturze, oże służyd do wyznaczania wilgotności względnej powietrza. Wykorzystuje się do tego zianę cech tego eleentu, spowodowaną wykroplenie się na ni pary wodnej (zatowione lusterko, ziana rezystancji elektrycznej). Teperatura punktu rosy pozwala poednio określid wilgotnośd względną powietrza, - higroskopową. W tej grupie etod wykorzystuje się zianę cech fizycznych substancji pod wpływe wilgoci. Najbardziej popularną (i tanią) jest etoda włosowa, w której wykorzystuje się efekt ziany długości włosa lub specjalnego włókna pod wpływe zian wilgotności względnej powietrza, - elektryczną. W tej grupie etod wykorzystuje się ziany rezystancji elektrycznego czujnika higroskopowego, powodujące zianę paraetrów obwodu elektrycznego. Rezystore poiarowy oże tu byd czujnik elektrolityczny (wpływ wilgoci na rezystancję roztworów soli lub kwasów), czujnik sorpcyjny (wpływ wilgoci na rezystor higroskopijny) itp. Higroetry wykorzystujące ww. etody poiarowe charakteryzują się różnyi dokładnościai poiarowyi. Higroetry o dużej dokładności są dośd skoplikowane i dlatego wykorzystuje się je zwykle do poiarów wzorcowych, natoiast higroetry, o prostej budowie i najczęściej ałej dokładności, wykorzystuje się do orientacyjnych poiarów wilgotności względnej. Metody psychroetryczne należą obecnie do powszechnie stosowanych sposobów poiaru wilgotności powietrza. Poiar wilgotności względnej opiera się na poedni poiarze teperatury powietrza badanego - tzw. teroetre suchy i teperatury powietrza sztucznie nasyconego wilgocią - tzw. teroetre okry. Metodę psychroetryczną poiaru wilgotności wykorzystuje się w psychroetrach Augusta i Assanna. Przyrządy te są proste w obsłudze i tanie, przy czy 6
psychroetr Assanna charakteryzuje się lepszą dokładnością poiaru. Podstawą do wyznaczenia wilgotności względnej powietrza są dwie wielkości: teperatura badanego powietrza (równa teperaturze teroetru suchego) T *K+ i różnica psychroetryczna T psych = T - T, gdzie T *K+ jest teperaturą teroetru okrego. Obydwie teperatury są zwykle ierzone teroetrai wyskalowanyi w stopniach Celsjusza. Mechaniz tego zjawiska (z pewny uproszczenie) jest następujący: powietrze przy teroetrach: suchy i okry (jego naczynie z rtęcią jest owinięte okrą szatką) zawiera parę wodną o różnych ciśnieniach cząstkowych, odpowiadających powietrzu nienasyconeu i nasyconeu. Potencjał ciśnieniowy (por. rys.b) wywołuje efekt parowania wody z koszulki teroetru okrego. Woda podczas parowania pobiera ciepło od powietrza, które otacza naczynie z rtęcią teroetru okrego, i powoduje lokalne obniżenie teperatury. Można zauważyd, że i niejsza wilgotnośd względna, ty większy potencjał ciśnieo cząstkowych pary wodnej i większa różnica psychroetryczna. Przy założeniu, że proces parowania wody jest adiabatyczny i izentalpowy, wilgotnośd względną powietrza ożna obliczyd ze wzoru p w ( T) p ( T ) A (T T ) p p (T) p ( T) b 100% gdzie: p w (T) [ Hg] - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w badany powietrzu o teperaturze T [K] (odczytanej z teroetru suchego t [ o C]), p (T) [ Hg] - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu nasycony o tej saej teperaturze t (lub T), T [K] - teperatura powietrza nasyconego (odczytana z teroetru okrego t ( o C)), A - stała psychroetru, p b [ Hg] - ciśnienie baryczne. Wartości ciśnieo nasycenia (punkty na linii rosy) w funkcji teperatury powietrza T lub T odczytuje się z tablicy 1. Zasadę psychroetrycznego poiaru wilgotności względnej powietrza pokazano na rys. b. W iejscu przecięcia się izotery T z linią rosy ( =1), uzyskuje się punkt, przez który przeprowadza się izentalpę (zakłada się, że proces parowania wody z koszulki jest izentalpowy). Miejsce przecięcia tej izentalpy z izoterą T wskazuje punkt, przez który przechodzi linia stałej wilgotności względnej. Wyznaczenie tego punktu na wykresie Molliera pozwala odczytad pozostałe wielkości, charakteryzujące badane powietrze. Budowę psychroetrów Augusta i Assanna pokazano na rys. 3. Różnią się one tylko sposobe wyuszania ruchu powietrza, w iejscach poiaru jego teperatury. W psychroetrze Augusta powietrze przepływa w warunkach konwekcji swobodnej (ała, niestabilna prędkośd przepływu od 0,35 do 0,55 /s, która zienia wartośd stałej A = 0,00008 K -1 w granicach 15%). Natoiast w psychroetrze Assanna powietrze przepływa w warunkach konwekcji wyuszonej (z prędkością większą od,5 /s, gwarantującą praktyczną stałośd wielkości A = 0,00068 K -1 ). W psychroetrze Assanna ruch powietrza wyusza wentylator napędzany elektrycznie lub przez echaniz sprężynowy.. Opis stanowiska badawczego i procedura poiarowa Scheat stanowiska do badania wpływu teperatury powietrza na wilgotnośd względną powietrza pokazano na rysunku 4. Stanowisko to składa się z zakniętego tunelu poiarowego, w który przeieszcza się badane powietrze o nieznanej wilgotności. Jest ono ogrzewane grzałką elektryczną, o ocy elektrycznej regulowanej autotransforatore. Ruch powietrza wyusza wentylator. Po nagrzaniu powietrza (po ok. 0 in.) w tunelu, ożna rozpocząd obserwację teperatury na obydwu teroetrach. Poiary wilgotności przeprowadzane będą przy użyciu dwóch psychroetrów Assanna, ze sprężynowy i elektryczny napęde wentylatora, oraz higroetre włosowy. () 7
Rys. 3. Psychroetry: a) Augusta, b) Assanna Procedura poiarowa dla obu psychroetrów jest taka saa. Po zwilżeniu szatki i nałożeniu jej na pojenik z rtęcią teroetru okrego, rozpoczyna się obserwację wskazao obu teroetrów (w psychroetrze Assanna należy przedte włączyd wentylator). Po pewny czasie (ok. 1 - in.), ożna rozpocząd notowanie wskazao (w ty dwiczeniu poiarów) obydwu teroetrów, w celu znalezienia inialnych wartości ierzonej teperatury (szczególnie t ). Z chwilą wzrostu jednej z ierzonych teperatur ożna zakooczyd poiary (jednocześnie należy odczytad wskazania higroetru włosowego). Po zakooczeniu poiarów psychroetrai, ożna nastawid kolejną wartośd ocy grzałki. Okno do obserwacji teperatury Miejsca osadzenia psychroetrów Assanna z napęde: sprężynowy i elektryczny Higroetr włosowy G W A S 0 V Tunel poiarowy z krążący powietrze Rys. 4. Scheat blokowy stanowiska do badania wilgotności względnej powietrza, gdzie: G -grzałka, W - wentylator, S - silnik elektryczny, A - autotransforator 3. Obróbka danych poiarowych Wilgotnośd względna powietrza, w funkcji jego teperatury, będzie wyznaczana dwoa sposobai (odczyt higroetru daje wynik bezpoedni): - klasyczny, przy użyciu tablic psychroetrycznych, stanowiących wyposażenie standardowe psychroetru Assanna. Dla edniej wartości teperatury teroetru suchego T 8
i różnicy psychroetrycznej T psych (= T - T ), odczytuje się z tych tablic wartośd wilgotności względnej [%] badanego powietrza, - obliczeniowy, przy wykorzystaniu tablicy 1 i wzoru (), w postaci p (T ) 0,00068 (T T ) p p (T ) b 100% Wielkości występujące w tablicy 3 oblicza się przy wykorzystaniu wzorów według następującej procedury: - ednie wartości teperatury T i T : T - wariancje teperatury T i T : (T) i1 Ti i 1 Ti T oraz oraz T ( T ) T i 1 i1 i T i T - ednie odchylenia standardowe, które ożna w przybliżeniu uznad za błędy etody poiaru teperatury T oraz T (błąd odczytu tenperatury wynosi ok. 0,1 K): T (T) (T) oraz T (T ) (T ) - różnicę psychroetryczną T psych z odchyłkai: T psych T T T psych T T T psych T T gdzie: Tpsych T T oraz T T T - stałą gazową powietrza wg. wzoru (7). psych, W sprawozdaniu należy podad cel dwiczenia, wyienid podstawowe wielkości wykorzystywane w poiarach oraz opisad stanowisko badawcze i wykorzystywane w badaniach etody poiaru wilgotności. Wykonad obliczenia dla zadanych wartości teperatury powietrza i zestawid je w załączonej tablicy 3; jeden tok obliczeo załączyd do sprawozdania. Na podstawie danych (tabl. 3) wykonad wykres wilgotności względnej powietrza =(T), wyznaczonej ww. trzea sposobai. Na wykresie nanieśd pola błędów Ti T psych. Ocenid dokładnośd poiarów i podad prawdopodobne przyczyny błędów. Uzyskane wyniki odnieśd do wykresu Molliera (i odpowiednio skoentowad). Literatura poocnicza: [1]. F. Kotlewski: Poiary w technice cieplnej. WNT, Warszawa 17. []. S. Wiśniewski, T. Wiśniewski: Terodynaika techniczna. PWN 17. [3]. S. Wiśniewski i inni: Terodynaika - poiary cieplne. Wyd. WAT 17.
Badania wilgotności powietrza Tablica 3. Dane poiarowe i wyniki obliczeo wilgotności powietrza Lp. U grz T i T (T) T T i T (T) T T psych T psych tab p (T) p (T) p b obl p w R p X hig [V] [K] [K] [K] [K] [K] [K] [K] [K] [K] [K] % [Pa] [Pa] [Pa] % [Pa] [J/kgK] - g/kg % 1 3 4 5 6 7 8 1 3 4 5 6 7 8 1 3 4 5 6 7 8 Legenda: U grz - napięcie zasilania grzałki (<180 V), T i - wskazania teroetru suchego, T i - wskazania teroetru okrego, T i T - ednie wartości teperatur: t i T, (T) i (T) - wariancje teperatury zierzonej teroetrai T i T, T i T - błędy poiaru teperatury zierzonej obu teroetrai, T psych - psychroetryczna różnica teperatury, T psych - błąd poiaru teperatury T psych, tab - wilgotnośd względna powietrza odczytana z tablic psychroetrycznych, p (T) - ciśnienie nasycenia pary wodnej w teperaturze teroetru suchego, p (T) - ciśnienie nasycenia pary wodnej w teperaturze teroetru okrego, p b - ciśnienie powietrza, obl - wilgotnośd względna powietrza obliczona ze wzoru (7), - stopieo wilgoci, X - wilgotnośd bezwzględna asowa, hig - wilgotnośd względna powietrza odczytana z higroetru włosowego.