Ćwiczenie 9
Pomiar wilgotności powietrza.
POLITECHNIKA
SZCZECIŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Techniki Cieplnej
70-310 Szczecin, Al. Piastów 19
Tel, fax: (0 prefiks 91) 449 45 91, Tel: (0 prefiks 91) 449 42 72, e-mail: [email protected]
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Informacje i wskazówki
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Ranking uczelni
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Nasze e-booki ratujące uczniów i studentów!
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Pomiar wilgotności powietrza., Ćwiczenia z Technika cieplna
Obszerne teroretyczne wprowadzenie do ćwiczeń
Typologia: Ćwiczenia
2019/2020
1 / 17
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Dokumenty powiązane
Podgląd częściowego tekstu
Pobierz Pomiar wilgotności powietrza. i więcej Ćwiczenia w PDF z Technika cieplna tylko na Docsity!
Ćwiczenie 9
Pomiar wilgotności powietrza.
POLITECHNIKA
SZCZECIŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Techniki Cieplnej
70-310 Szczecin, Al. Piastów 19 Tel, fax: (0 prefiks 91) 449 45 91, Tel: (0 prefiks 91) 449 42 72, e-mail: [email protected]
Spis treści
Uwzględniając równania stanu dla pary (dla niskich ciśnień pary) i powietrza suchego otrzymamy:
b HO
HO 2
2 p p
p x = 0 , (^662) − (4)
¾ Wilgotność względna jest to stosunek rzeczywistej wilgotności bezwzględnej ρ od
maksymalnej wilgotności bezwzględnej ρs mogącej wystąpić w tej samej temperaturze.
s
HO s p
p (^2) ϕ =ρρ = (5)
¾ Stopień nasycenia powietrza jest to stosunek zawartej wilgoci w powietrzu x do
zawartości wilgoci w powietrzu nasyconym parą w tej samej temperaturze xs.
xs ψ = x (6)
Ostatnim parametrem opisującym powietrze wilgotne jest:
¾ Entalpia powietrza wilgotnego o zawartości wilgoci x [kg/kg] nazywamy entalpię
mieszaniny 1 kg powietrza suchego i x kg pary wodnej. Przyjmując, że dla takiej mieszaniny powietrza suchego oraz całej zawartości wody w postaci cieczy przy 0°C entalpia równa się zeru otrzymamy: i = (c (^) p′ +xcp′′)t +xr (7)
2.2. Wykres Molliera i-x
Wentylacja, klimatyzacja i suszarnictwo to dziedziny techniki, w których zachodzi potrzeba obrazowego przedstawiania procesów fizycznych zachodzących w powietrzu wilgotnym. Powszechne zastosowanie znalazły wykresy, obrazujące w sposób graficzny zależności parametrów t, ϕ , i oraz x przy stałym ciśnieniu pb =const np. p (^) b =760 mmHg.
Wykresem tym można się jednak posługiwać przy zmianach ciśnienia do ±20 mmHg. Do budowy wykresu i-x, zamieszczonego w załączniku nr 1 , zastosowano ukośny układ współrzędnych. Pozioma oś to skala zawartości wilgoci x [kg/kg] lub [g/kg], więc linie stałej zawartości wilgoci są pionowe. Lewa oś pionowa to skala entalpii i [kJ/kg]. Jednak linie stałej entalpii biegną ukośnie, pod kątem 135° od osi pionowej. Gdyby zastosowano prostokątny układ współrzędnych obszar powietrz niedosyconego wypadłby zbyt wąski. Linie stałej wilgotności względnej φ stanowią układ krzywych biegnących skośnie od lewego dolnego rogu wykresu ku górze. Krzywa φ=1 (φ=100%) rozdziela obszar mgły (poniżej krzywej) od obszaru powietrza niedosyconego (powyżej krzywej).
Izotermy t=const w obszarze powietrz niedosyconego tworzą układ prostych nierównoległych, przy czym izoterma t=0°C w tym obszarze jest pozioma. Wszystkie izotermy ulegają załamaniu na linii nasycenia φ=1 i w obszarze mgły biegną prawie równolegle do izentalp. Linia t=0°C oraz i=0 kJ/kg przecinają sie na lewej osi pionowej.
- Przyrządy do pomiaru wilgotności powietrza W zależności od budowy i zasady działania przyrządy do pomiaru wilgotności powietrza można podzielić na dwie grupy: higrometry i psychrometry.
3.1. Higrometry
3.1.1. Higrometry absorpcyjne W higrometrach tego typu wilgotność powietrza oznacza się metodą bezwzględną drogą pochłaniania pary wodnej z powietrza przez dowolny osuszacz. Następnie dokonujemy pomiaru ilości pochłoniętej pary oraz ilości powietrza suchego użytego do analizy. Jako środka pochłaniającego wodę używa się następujących substancji higroskopijnych:
- ciała porowate o silnie rozwiniętej powierzchni np.: węgiel aktywowany, żel krzemionkowy-osuszające gaz wskutek adsorpcji,
- substancje wiążące chemicznie wodę np. pięciotlenek fosforu, tlenek wapnia, Higrometry absorpcyjne są zbyt skomplikowane i kłopotliwe w użyciu do praktycznego stosowania w technice cieplnej – są natomiast wykorzystywane do pomiarów laboratoryjnych oraz jako przyrządy wzorcowe.
3.1.2. Higrometry kondensacyjne Za pomocą tych higrometrów oznaczamy wilgotność powietrza na podstawie pomiaru temperatury punktu rosy, czyli temperatury przy, której rozpoczyna się proces kondensacji pary wodnej z badanego powietrza na gładkiej metalowej lub szklanej powierzchni (lustrze). Powierzchnia ta jest chłodzona, przez co powietrze otaczające ją obniża swoja temperaturę.
A
A (^) r
i
x
tA tr
φA φ=
Rys.1. Wyznaczanie wilgotności względnej φ na wykresie i-x według wskazań higrometru kondensacyjnego
wilgotność powietrza, a tym samym przewodnictwo cieplne tego powietrza, to ustali się inna temperatura spirali, czyli zmieni się jej opór. Wtedy opory R 1 i R 2 nie są sobie równe i wskazówka galwanometru wychyli. Galwanometr można wyskalować tak, aby od razu wskazywał wilgotność względną.
3.1.4. Higrometry elektryczne
3.1.4.a. Higrometry rezystancyjne z czujnikami elektrolitycznymi Czujniki tych higrometrów składają się z elektrod rozdzielonych warstwą higroskopijną zmieniającą przewodność elektryczną przy zmianie wilgotności powietrza. Przyrządy te można podzielić na dwie grupy:
- higrometr z czujnikiem elektrolitycznym Przyrząd ten składa się z elektrod zanurzonych w elektrolicie (nienasycone roztwory soli lub kwasów). Zmiana stężenia elektrolitu, spowodowana zmianą wilgotności powietrza otaczającego czujnik, powoduję zmianę jego przewodności elektrycznej, przez co natężenia prądu płynącego pomiędzy elektrodami zmienia się. Odpowiednio wyskalowany amperomierz pozwala na bezpośredni odczyt wilgotności powietrza.
- higrometr z czujnikiem sorpcyjnym Higrometr ten działa na tej samej zasadzie co czujnik elektrolityczny, z tym, że zamiast elektrolitu stosuje się specjalne materiały aktywne, o właściwościach higroskopijnych, pochłaniające wilgoć z otoczenia.
3.1.4.b. Higrometry z ogrzewanymi czujnikami Działanie ich oparte jest na pomiarze temperatury przemiany wodnego roztworu chlorku litu na stałą sól chlorku litu. Temperatura tej przemiany zależy tylko od ciśnienia cząstkowego pary wodnej w otaczającym powietrzu. Czujnikiem pomiarowym jest termometr oporowy (lub inny) owinięty koszulką z tkaniny szklanej nasyconej stężonym roztworem chlorku litu LiCl. Na koszulce są nawinięte spiralnie, ściśle do niej przylegające, leżące obok siebie elektrody zasilane nisko napięciowym źródłem prądu zmiennego. Zasada działania: przepływający pomiędzy elektrodami, przez roztwór chlorku litu, prąd powoduje wydzielenie się ciepła, które powoduje
R 3
R 4
G
A
R 1 R 2
Rys. 3. Schemat higrometru opartego na zasadzie zmiany przewodnictwa cieplnego powietrza wilgotnego
parowanie wody z roztworu i wykrystalizowanie się soli chlorku litu. Krystaliczny chlorek litu posiada większy opór elektryczny niż jego wodny roztwór. Zwiększenie oporu powoduje zmniejszanie natężenia płynącego prądu oraz zmniejszenie ilości wydzielanego ciepła. Kryształki chlorku litu posiadają silne właściwości higroskopijne i pobierają wilgoć z otaczającego powietrza. To powoduje zmniejszenie oporu, wzrost natężenia prądu i temperatury (ponowne odparowywanie wody itd.). Po kilku takich cyklach ustali się stan równowagi (nie będzie istniała wymiana wilgoci miedzy chlorkiem litu a otoczeniem). Roztwór chlorku litu jest nasycony, a ciśnienie pary wodnej roztworu jest równe ciśnieniu cząstkowemu pp pary wodnej w otaczającym powietrzu. Do określenia wilgotności bezwzględnej x, na podstawie wzoru (4), należy jeszcze odczytać wartość ciśnienia barometrycznego pb.
3.2. Psychrometry
Psychrometry, pomimo tego, że nie pozwalają na bezpośrednie odczyty wilgotności względnej powietrza, są przyrządami prostymi, tanimi i wygodnymi w użyciu. Właściwe użytkowanie tych przyrządów pozwala na osiągnięcie najwyższej dokładności. Psychrometr składa się z dwóch jednakowych termometrów: tzw. suchego i mokrego. Naczynie termometru mokrego owinięte jest koszulką np. z gazy, zwilżoną wodą destylowaną. Pomiar opiera się na założeniu, że w warstwie powietrza graniczącego bezpośrednio z termometrem mokrym ustali się stan nasycenia powietrza parą wodną. Na skutek różnicy ciśnień składnikowych pary wodnej w tej warstwie i otaczającym powietrzu nastąpi parowanie z higroskopijnej warstwy termometru mokrego. Parowanie to obniży temperaturę powietrza naokoło naczynia termometru mokrego, który z tego powodu wskazuje temperaturę niższa niż suchy. Różnica wskazań termometru suchego i mokrego nazywa się różnicą psychrometryczną. Różnica ta maleje wraz ze wzrostem wilgotności powietrza. Jeżeli powietrze jest nasycone to oba termometry wskazują jednakową temperaturę. Przy ustalonej wymianie ciepła i swobodnym dopływie masy ciepło zużyte na odparowanie wody z koszuli termometru mokrego, pobierane z powietrza, powraca do niego w postaci ciepła parowania wody. Można założyć, że proces ten jest zbliżony do adiabatycznego (nie występuje wymiana ciepła z otoczeniem). Do wyznaczenia wilgotności powietrza dla temperatury do 50 °C, można zastosować wzór Sprunga
ϕ =psm−A⋅p(tsss−tm)⋅pb ⋅ 100 % (9)
gdzie: p (^) sm - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego, p (^) ss - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru suchego; p (^) b - ciśnienie barometryczne w chwili pomiaru, t (^) m - temperaturza termometru mokrego, t (^) s - temperaturza termometru suchego; A - stała psychrometryczna.
Rys. 5. Psychrometru Augusta: 1 - termometr suchy, 2 - termometr mokry, 3 - naczynie z wodą destylowaną, 4 - tkanina zwilżająca. 3.2.2. Psychrometr Assmanna Psychrometr ten w odróżnieniu od psychrometru Augusta posiada wymuszony przepływ powietrza. W psychrometrze Assmanna czujniki termometrów suchego i mokrego zostały umieszczone w dwóch gałęziach wlotowych rury, przez którą przepływa badane powietrze, zasysane wentylatorem. Prędkość przepływu powietrza jest zawsze jednakowa i wynosi około 2,5 [m/s]. Każda z gałęzi wlotowych, w których umieszczono czujniki termometrów ma postać dwóch koncentrycznych tulei metalowych dokładnie wypolerowanych z zewnątrz dla zabezpieczenia przed szkodliwym wpływem promieniowania na wyniki pomiarów. Psychrometry te są przyrządami bardzo dokładnymi.
Rys. 6. Psychrometr Assmanna: 1- tulejki do zasysania powietrza; 2- osłona; 3- wentylatorek; 5- termometr wilgotny (mokry); 6- termometr suchy.
3.3.3. Pomiar wilgotności powietrz w kanale W technice często zachodzi potrzeba zmierzenia wilgotności względnej powietrza, płynącego z pewną stałą prędkością wewnątrz kanału. Sposób pomiaru przedstawiony jest schematycznie na rys. 7.
Należy pamiętać o tym, aby gaza termometru mokrego była cały czas wilgotna (w czasie pomiaru należy ją zwilżać lub zaopatrzyć termometr w zbiorniczek wody destylowanej). Dodatkowo należy jeszcze zmierzyć prędkość powietrza w kanale (jednym ze znznych sposobów).
- Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza na podstawie wskazań psychrometrów
Znając odczyty termometrów suchego i mokrego można wyznaczyć wilgotność na trzy sposoby:
4.1. Za pomocą wzoru Sprunga
W tym przypadku trzeba znać ciśnienie barometryczne w chwili pomiaru lub przyjąć wartość średnią dla Polski, która wynosi p (^) b=745mmHg. Ciśnienia nasycenia pary wodnej pss i p (^) sm odczytujemy z tablic par nasyconych lub wykresu i-x. Wartość stałej psychrometrycznej A obliczamy ze wzoru nr 9 przyjmując odpowiednio prędkości powietrza dla:
- psychrometru Augusta v=0,5 [m/s],
- psychrometru Assmanna v=2,5 [m/s].
4.2. Za pomocą gotowych tablic lub wykresów psychrometrycznych
W przypadku psychrometru Augusta korzystamy z wykresu psychrometrycznego dla prędkości powietrza v=0,46 [m/s] zamieszczonego w załączniku nr 2. W zwykłych warunkach przy braku przewiewu, błędy pomiaru nie przekraczają kilku procent. Przy posługiwaniu się psychrometrem Assmanna korzystamy z wykresu obliczonego dla szybkości powietrza v=2,5 [m/s] zamieszczonego w załączniku nr 3.
t (^) s t^ m
anemometr Rys. 7. pomiar wilgotności powietrz w kanale
- Przebieg ćwiczenia i metodyka pomiaru Pomiar wilgotności powietrza zostanie przeprowadzony za pomocą trzech przyrządów: higrometru włosowego, psychrometru Augusta i Assmanna. Przed przystąpieniem do pomiaru za pomocą higrometru włosowego należy sprawdzić poprawność jego wskazań. Dokonujemy tego poprzez umieszczenie czujnika tego higrometru w powietrzu nasyconym (wilgotności φ=100 %) i ewentualne skorygowanie jego wskazań. Przystępując do pomiarów za pomocą psychrometrów należy wcześniej zwilżyć koszulki termometrów mokrych wodą destylowaną. Po wykonaniu tych czynności należy poczekać do ustalenia się wskazań. Gdy to nastąpi dokonać 5 odczytów w odstępach 1 min. i uzyskane wyniki wpisać do tabeli pomiarowych. Odczytujemy także wartość ciśnienia barometrycznego.
- Sprawozdanie Sprawozdanie ma zawierać:
- Cel ćwiczenia,
- Krótki wstęp teoretyczny,
- Pomiar wilgotności za pomocą: higrometru włosowego,
- opis i rysunek przyrządu,
- metodyka wykonania pomiaru,
- tabele z pomiarami i wynikami,
- Pomiar wilgotności powietrza za pomocą psychrometru Augusta,
- opis i rysunek przyrządu,
- metodyka wykonania pomiaru,
- tabele z pomiarami,
- wyznaczenie wilgotności trzema opisanymi w punkcie 4 sposobami (przedstawić przykładowy tok obliczeniowy), przedstawić na wykresie i-x sposób wyznaczania wilgotności,
- Pomiar wilgotności powietrza za pomocą psychrometru Assmanna,
- opis i rysunek przyrządu,
- metodyka wykonania pomiaru,
- tabele z pomiarami,
- wyznaczenie wilgotności trzema opisanymi w punkcie 4 sposobami (przedstawić przykładowy tok obliczeniowy), przedstawić na wykresie i-x sposób wyznaczania wilgotności,
- Dokonać zestawienia wyników (tabela zbiorcza),
- Wnioski.
ZAŁĄCZNIK nr1.
Rys.8. Wykres Moliera (i-x)
ZAŁĄCZNIK nr3. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 temp. termometru suchego t (^) s wilgotno ść^ wzgl
- 1.Cel ćwiczenia ...............................................................................................................................
- 2.Wstęp teoretyczny ........................................................................................................................
- 2.1. Pojęcia podstawowe .............................................................................................................
- 2.2. Wykres Molliera i-x .............................................................................................................
- Przyrządy do pomiaru wilgotności powietrza.............................................................................
- 3.1. Higrometry ...........................................................................................................................
- 3.1.1. Higrometry absorpcyjne................................................................................................
- 3.1.2. Higrometry kondensacyjne ...........................................................................................
- 3.1.3. Higrometry oparte na działaniu higroskopowym..........................................................
- 3.1.3.a. Higrometry włosowe ..............................................................................................
- 3.1.3.b. Higrometry oparte na zasadzie przewodnictwa cieplnego.....................................
- 3.1.4. Higrometry elektryczne..................................................................................................... - 3.1.4.a. Higrometry rezystancyjne z czujnikami elektrolitycznymi.................................... - • higrometr z czujnikiem elektrolitycznym ................................................................... - • higrometr z czujnikiem sorpcyjnym............................................................................ - 3.1.4.b. Higrometry z ogrzewanymi czujnikami.................................................................
- 3.2. Psychrometry........................................................................................................................
- A=f(v)...................................................................................................................................... Rys.4. Wykres zależności stałej psychrometrycznej od szybkości przepływu powietrza:
- 3.2.1. Psychrometr Augusta ....................................................................................................
- 3.2.2. Psychrometr Assmanna ...............................................................................................
- 3.3.3. Pomiar wilgotności powietrz w kanale .......................................................................
- Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza na podstawie wskazań psychrometrów.........
- 4.1. Za pomocą wzoru Sprunga.................................................................................................
- 4.2. Za pomocą gotowych tablic lub wykresów psychrometrycznych .....................................
- 4.3. Za pomocą wykresu Molliera i-x .......................................................................................
- Przebieg ćwiczenia i metodyka pomiaru...................................................................................
- Sprawozdanie ............................................................................................................................
- ZAŁĄCZNIK nr1..........................................................................................................................
- ZAŁĄCZNIK nr2..........................................................................................................................
- ZAŁĄCZNIK nr3..........................................................................................................................
- ZAŁĄCZNIK nr4..........................................................................................................................
- 0, Rys. 9. Wykres psychrometryczny dla v=0,46 [m/s]
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 1,
- 8, ędna
- 1, Dt=ts-tm =0,5 °C
- 2,
- 1,
- 3,
- 3, - 2,
- 5,
- 5,
- 4,
- 4,
- 8, - 9, - 10,
- 7,
- 7,
- 9, - 10,
- 6,
- 6, - 13, - 12, - 11, - 12, - 13, - 14, - 11, - 14,5 15,
- 8, ędna
- 0, Rys. 10. Wykres psychrometryczny dla v=2,5 [m/s]
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 0,
- 1,
- 8, ędna
- 1, Dt=ts -tm =0,5 °C
- 2,
- 1,
- 3,
- 3,
- 2,
- 5,
- 2,
- 5, - 4, - 4,
- 8,
- 9,
- 10,
- 7,
- 7,
- 9,
- 10,
- 6,
- 6,
- 12,
- 11,
- 12,
- 13,
- 14,
- 11, - 14, - 15,
- 13,
ZAŁĄCZNIK nr4.
Rys. 11. Wykres błędów dla wskazań psychrometrów