Gazy wilgotne i suszenie

Teoria gazów wilgotnych dotyczy gazów, które w sąsiedztwie cieczy wchłaniają pary

cieczy i stają się wilgotne. Zmiana warunków powoduje, że część pary ulega skropleniu.

Najbardziej typowym przykładem jest tutaj powietrze wilgotne – mieszanina gazów i par.

Traktujemy ją jako gaz składający się z gazu suchego (nie skroplone w atmosferze cząstki

azotu, tlenu, argonu) oraz wody występującej w powietrzu w różnych stanach fazowych.
Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu jest nieznaczne i dlatego można z pewnym

ograniczeniem stosować w tym przypadku prawa gazów doskonałych i prawa Daltona. Zatem

Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym jest równe:

p

p

= p

b

- p

s

(1)

gdzie: p

p

– ciśnienie cząstkowe pary wodnej ,

p

b

– ciśnienie atmosferyczne,

p

s

- ciśnienie cząstkowe gazu suchego.

W rzeczywistych warunkach atmosferycznych rzadko spotyka się powietrze całkowicie

nasycone parą wodna, a jeszcze rzadziej idealnie suche. Najczęściej występuje powietrze

nienasycone tj. zdolne do wchłonięcia pary wodnej w danej temperaturze. Dość często
w przyrodzie występuje również powietrze w stanie przesyconym wilgocią. Wówczas część

wody nie mogąc utrzymać się w stanie lotnym skrapla się, tworząc w powietrzu mgłę. Bywa

też tak, że w pobliżu 273 K (dokładniej 0,01

o

C) woda w powietrzu występuje jednocześnie

w trzech fazach; lotnej jako para, ciekłej (mgła deszczowa) i stałej (śnieg).
Stan powietrza wilgotnego określa wilgotność bezwzględna i wilgotność względna
Wilgotność bezwzględna - ilość gramów pary wodnej zawarta w jednym metrze sześciennym

powietrza wilgotnego , co jednoznacznie odpowiada gęstości pary ρ

p

= m

p

/ V.

Wilgotność względna φ – stosunek gęstości pary ρ

p

do maksymalnej gęstości pary nasyconej

ρ

p

’’

. Zatem

T

















,,

p

p

ρ

ρ



. Wartość



p

”

- maksymalnej gęstości pary nasyconej powietrza w danej

temperaturze podawana jest w tablicach technicznych. Z pewnym przybliżeniem wilgotność

względną można wyrazić stosunkiem ciśnień cząstkowych pary i powietrza suchego:

,

,

p

p

ρ

ρ





≈

s

p

p

s

p

p

p

p

T

R

p

T

R

p



(2)

1

Wilgotność względną można określić przy pomocy psychrometru Assmana, higrometru itp.

Psychrometr Assmana bazuje na pomiarze temperatury przepływającego powietrza z pręd-

kością 2 m/s przy pomocy termometru suchego oraz zwilżonego. Termometr nawilżony wy-

każe tym niższą temperaturę im mniej nasycone będzie powietrze badane. Wówczas więcej

ciepła parowania odbiera się od otoczenia. Jeżeli badane powietrze jest nasycone, to oba ter-

mometry wskażą tę samą temperaturę. Posługujemy się tu wzorem empirycznym:

100%

p

)

T

(T

p

s
s

s

m

m

s









(3)

gdzie: p

s

m

,p

s

s

– ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego

i suchego,
T

s

T

m

– odczyty wskazań termometru suchego i mokrego.

Higrometry oparte są na zasadzie wydłużania się włosa odtłuszczonego lub na zasadzie
absorpcji względnie kondensacji (eter parujący). Przy ich pomocy odczytuje się temperaturę

pojawienia się pierwszych kropel rosy (tzw. punkt rosy).
Podstawowym parametrem stanu powietrza wilgotnego jest zawartość w nim wilgoci X

tj. stosunek masy wody zawartej w gazie do masy suchego gazu:

gs

w

m

m

X



[kg/kg]

(4)

Jeżeli ten stosunek został wyrażony w gramach, to x piszemy z małej litery.

Jeżeli gaz suchy i para wodna zawarte są w tej samej objętości, to:

gs

p

gs

p

gs

p

ρ

ρ

V

ρ

V

ρ

m

m

X







(5)

Wykorzystując równanie stanu dla pary i gazu suchego (

T

R

p

ρ

p

p

p



i

T

R

p

ρ

gs

gs

gs



) otrzymamy

wzór:

p

b

p

gs

p

gs

p

p

gs

P

P

P

0,622

P

P

0,622

P

R

P

R

X









(6)

bo dla powietrza R

gs

= 287 J/kg deg, a dla pary wodnej R

p

= 461,9 J/kg deg.

Ponieważ p

gs

= p

b

– p

p

, zaś p

p

= φ p

s

, to X = 0,622

s

b

s

P

P

P







gdzie : p

b

– ciśnienie barometryczne,

p

s

– ciśnienie nasycenia pary wodnej,

φ –wilgotność względna.

2

Biorąc pod uwagę udziały wagowe pary wodnej g

p

=

X

1

X



i gazu suchego g

gs

=

X

1

1



,to stała

gazowa powietrza wilgotnego wyrazi się wzorem:

X

1

R

Xp

R

gs

p

w







(7)

zaś gęstość gazu wilgotnego określa wzór:

)T

R

(XR

X)

(1

p

T

R

p

ρ

gs

p

b

w

b

w









(8)

Bardzo często stosuje się pojęcie stopnia nasycenia lub inaczej
stopnia zawilgocenia powietrza. Jest to stosunek istniejącej wilgotności do maksymalnie

możliwej w danej temperaturze – przed osiągnięciem stanu nasycenia:

ψ

max

X

X



(9)

Istotniejsze rozbieżności pomiędzy wartościami stopniem nasycenia ψ i wilgotnością

względną φ występują tylko przy wysokich temperaturach i małych wartościach wilgotności

względnej .

Entalpia gazu wilgotnego:

p

g

x

1

xi

i

J







[kJ/kg gazu wilgotnego]

(10)

Przy c

p

≈ 1kJ/kg deg entalpia pary wyniesie i

p

= 2500 + 1,965 (T – 273), zaś gazu wilgotne-

go J

1+x

= (T – 273) + (1965 T) X

Jak widać obliczanie podstawowych wielkości dla powietrza wilgotnego jest niewygodne.

W praktyce przemysłowej często korzysta się z wykresów. Mając dwa parametry spośród

pięciu można wyznaczyć pozostałe trzy ( J

1+x

, X, T lub t , p

p

, φ ).

3

Typowe procesy zachodzące z powietrzem wilgotnym
a) Mieszanie powietrza wilgotnego
Zadanie takie najłatwiej rozwiązać można przy pomocy wykresu J-x, gdy znamy parametry

dwu stanów i udziały wagowe poszczególnych składników.

J I

J

1

J

3

J

2

<1

1 3 2

=1

x

1

x

3

x

2

x

Prosta 1-2 na rysunku jest prostą mieszania. Punkt 3 reprezentuje końcowy stan mieszania
masy m

1

i masy m

2

: m

1

(1-3) = m

2

(3-2). Analitycznie można określić entalpię i stopień

suchości punktu 3 przy pomocy wzorów:

3

J

=

2

1

2

2

1

1

L

L

J

L

J

L





oraz x

3

=

2

1

2

2

1

1

L

L

x

L

x

L





(11)

gdzie: L

1 ,

L

2

masy powietrza suchego ( uwaga m oznaczono masy powietrza wilgotnego),

J

1

,J

2

,J

3

– entalpie w punktach 1,2,3,

x

1

, x

2

, x

3

– zawartości wilgoci.

b) Nawilżanie – czyli pochłanianie małej ilości wody.
Proces ten może odbywać się po przez rozpylenie zimnej wody i jest związany z oziębianiem

gazu – lub przez wpuszczenie pary wodnej stanowiącej jednocześnie czynnik ogrzewający

gaz. Jest to mieszanie znanej masy gazu wilgotnego z określoną niewielką masą wody o

znanej entalpii.

Po zmieszaniu:

J

m

= J

1

+

L

i

m

w

w

x

m

= x

1

+

L

m

w

(12)

gdzie : L - ilość gazu suchego w kg,

J

1

- entalpia gazu wilgotnego w kJ/kg deg,

4

x

1

- zawartość wilgoci w kg,

m

w

- masa wody dodanej w kg,

i

w

- entalpia wody dodanej w kJ/kg deg.

Przy nawilżaniu interesuje nas stosunek przyrostu entalpii ∆J do przyrostu wilgoci ∆x, który

jest równy entalpii czynnika nawilżającego:

w

w

w

w

i

L

m

L

i

m

Δx

ΔJ





[kJ/kg]

(13)

c) Ogrzewanie i oziębianie powierzchniowe
Proces ten przebiega przy x = constans i p

p

= constans, a na wykresie jest to linia prosta

(A-2). W czasie ogrzewania powierzchniowego wzrasta entalpia i temperatura, maleje zaś

wilgotność względna, co umożliwia wchłonięcie dodatkowej wilgoci. Oziębianie przy

p = constans, jeżeli następuje poniżej temperatury rosy (punktu rosy) wywoła to wykroplenie

wody, która może być pod postacią mgły lub kropel wody.

d) Procesy zachodzące między dużą masy wody a powietrzem nienasyconym

Powietrze na styku z wodą nasyca się w warstwie, której stan można założyć na krzywej

o φ = 100% i temperaturze wody punktu A. Wymiana masy i ciepła może przebiegać

w sposób następujący:
1. Parametry stanu powietrza x

1

> x

A

; φ < 100% ; p

p1

> p

pA

; t

1

> t

A

. Proces przebiega po

prostej 1-A, ponieważ p

p1

> p

pA

, to nadmiar pary z powietrza będzie się wykraplać, a ciepło

skraplania zostanie przekazane wodzie. Oprócz tego powietrze o temperaturze t

1

> t

A

będzie

oddawać ciepło wodzie.
2. Przemiana przy stanie 2 ma ciśnienie p

p2

= p

pA

i nie będzie tu wymiany masy.

Natomiast powietrze o wyższej temperaturze będzie oddawać energię cieplną wodzie.
3. Proces w stanie 3 ma p

p2

< p

pA

i nastąpi nieznaczne odparowanie, przy czym ciepło

parowania odbierane będzie wodzie. W tym samym czasie powietrze o wyższej temperaturze

ogrzewa wodę. Jest to tzw. proces suchej wymiany ciepła.

4. Prosta 4-A charakteryzuje proces najbardziej ustabilizowany. Parowanie przebiega wzdłuż

linii J = constans. Ciepło „suche” przekazane wodzie zostaje całkowicie zwrócone powietrzu

w postaci pary. Następuje większe nasycenie powietrza wodą.

5

5. W tym przypadku wobec nieznacznych różnic temperatur, powietrze oddaje mało ciepła

wodzie, a duże różnice ciśnień cząstkowych sprzyjają intensywnemu parowaniu i oziębianiu

cieczy

6. W tym stanie wskutek jednakowych temperatur nie ma wymiany tzw. suchej – natomiast

wystąpi intensywniejsze parowanie i oziębianie wody.

7. Proces 7-A charakteryzuje najbardziej intensywne nawilżanie powietrza oraz jego

ogrzewanie.
Poza procesem J = constans (pkt. 4) wszystkie pozostałe są chwilowe, gdyż zmienia się

temperatura wody i parametry warstewki przesuwają się z parametrami po krzywej nasycenia

φ = 100% - w górę przy jej ogrzewaniu lub w dół przy oziębianiu. Równocześnie zmienia się

stan powietrza. Cały proces ma przebieg krzywoliniowy, ale uproszczony bilans energetyczny

zakłada, że entalpia wody wzrasta o tyle o ile maleje entalpia powietrza.

Zatem:

(J

1

– J

2

) L ≈ W (T

p

– T

k

) → stąd J

1

– J

2

=

)

T

(T

L

W

k

p



(14)

gdzie: W/L – stosunek zraszania,

L – masa powietrza,

W - masa wody,
T

p

– temperatura początkowa,

T

k

– temperatura końcowa procesu.

Pomija się tu nieznaczną ilość wody odparowanej lub skroplonej. Równanie powyższe

pozwala badać procesy w chłodniach kominowych i skruberach

Inne czynniki termodynamiczne nie będą omawiane. Z punktu widzenia pożarnictwa
(nie tylko) interesującym jest azot – szczególnie w stanie ciekłym. Stosowany jest on do

gaszenia pewnych typów pożarów ( w kopalniach węgla kamiennego, w silosach

zbożowych). W stanie skroplonym (77 K) jego objętość jest około 700 razy mniejsza niż w

stanie

gazowych przy T = 273 K i ciśnieniu atmosferycznym. Dla porównania jeden metr

sześcienny wody daje 1700 m

3

pary wodnej. Ciepło parowania azotu wynosi 199 kJ/kg przy

ciśnieniu 0,1 MPa i jest mniejsze (i to znacznie) od ciepła parowania wody 2265 kJ/kg. Pod

tym względem ciekły azot jest efektywniejszy od wody przy gaszeniu pożarów, bo szybciej

6

i całkowicie odparowuje i wypiera tlen. Ciekły azot podawany jest na źródło pożaru dyszami

„mgłowymi” o dużych wymiarach, na odległość kilku metrów. Szczegółowo problemy te nie

będą omawiane.

Pod względem termodynamicznym i fizycznym bardzo interesującym czynnikiem jest HEL ,

Oprócz wody jest on najlepiej naukowo przebadanym gazem. Jest on płynem kwantowym.

Hel wymaga podwyższonego ciśnienia przy przejściu w stan stały. Stan stały występuje pod

postacią He



o sieci heksagonalnej i He



o sieci przestrzennie centrowanej. Hel ciekły jest

jedynym spośród pierwiastków istniejącym w dwóch odmianach cieczy, jako hel I i hel II

rys.).

p [MPa]

He



hel o sieci przestrzennie centrowanej

zestalony hel

He



o sieci

heksagonalnej

λ’

2,45 He

2 LHe I hel gazowy

hel ciekły

LHe II

1 hel nadpłynny

λ

k

punkt krytyczny

0’ 1‘ 2‘ 3‘ 4‘ 5‘ T [K]
Parametry punktu λ i λ

’

są następujące:

T

λ

= 2,1735 K P

λ

= 0,005066 MPa

T

λ’

= 1,76 K P

λ’

= 3,01 MPa.

Parametry punktu krytycznego to: T

k

= 5,2 K i P

k

= 0,22746 MPa.

7

Przejście od jednej modyfikacji do drugiej nie mieści się w kategoriach reguły faz. Zjawisko

to nazwano „przemianą fazową drugiego rodzaju”. Przemianie tej towarzyszą nieciągłe

zmiany wielu własności fizycznych ,takich jak: ciepło właściwe, lepkość, ściśliwość,
przewodność cieplna i napięcie powierzchniowe. Lepkość normalnych cieczy zwiększa się

wraz ze spadkiem temperatury - dla helu I pozostaje praktycznie stała aż do temperatury
2,6 K. Poniżej tej temperatury lepkość He I maleje. Obniżając temperaturę helu I poniżej

krzywej λ-λ

’

stwierdza się spadek lepkości helu II poniżej 10

-12

Pa s (milion razy jest ona

mniejsza od lepkości helu I). To zjawisko nazwano „nadpłynnością”.

Nadpłynność przejawia się następująco:

1 - Hel II przepływa praktycznie bez tarcia przez małe otwory, silnie ubite proszki.

2 - Dwa różne poziomy helu II oddzielone przegrodą wyrównują się spontanicznie z
upływem czasu. To wyrównanie dokonuje się wskutek pełzania po ściankach naczynia
cienkiej błonki (o grubości 300 nm) z prędkością 10 cm/s. Przy „zniknięciu” lepkości

ruch

tej błonki podlega innym prawom hydromechaniki niż obowiązującym dla cieczy

normalnej.

3. – Nie tylko różnice poziomów, ale i różnice temperatur wywołują ruch błonki helu.

4. – Szybka zmiana temperatury w ciekłym helu rozprzestrzenia się w postaci fali.

Noszą one nazwę drugiego dźwięku.

5. – Mechanizm przewodzenia ciepła w helu II jest odmienny niż w innych stanach skupienia

oraz innych płynach. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła w helu II wynosi

0,85

.

10

5

W/cm K. Jest to 350 000 razy większa wartość od tej ( 0,239 W/cm K)

dla miedzi w temperaturze otoczenia . w związku z powyższym hel II używany jest do

schładzania stożków rakiet, maszyn cyfrowych , nadprzewodników itp. Hel gazowy

o temperaturze kriogenicznej (bliskiej skropleniu) służy do przetłaczania ciekłego tlenu

i wodoru do dysz silników rakietowych itd.

8