Pomiar wilgotności powietrza

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z podstawowymi metodami pomiaru wilgotności względnej powietrza.

Powietrze z którym mamy do czynienia, jest mieszaniną powietrza suchego i pary wodnej. Mieszaninę taką nazywamy powietrzem wilgotnym. W zależności od tego w jakim stanie znajduje się para wodna w powietrzu rozróżniamy trzy przypadki:

1. Powietrze nie nasycone wilgocią, czyli powietrze zawierające parę przegrzaną

2. Powietrze nasycone wilgocią nie zamglone, czyli zawierające parę nasyconą suchą

3. Powietrze zamglone, czyli zawierające parę mokrą (mgła, chmura)

Zgodnie z prawem Daltona każdy składnik mieszaniny zachowuje się tak, jakby sam zajmował całą objętość, ale pod ciśnieniem składnikowym, a ciśnienie mieszaniny jest sumą ciśnień składnikowych.

Pg+Pp = P = const

Pg – bezwzględne ciśnienie cząsteczkowe powietrza suchego, Pp – bezwzględne ciśnienie cząstkowe pary wodnej, P – ciśnienie bezwzględne powietrza wilgotnego.

Zwilżenie powietrza bywa określane przez podanie jego wilgoci. Wilgocią nazywamy ilość kg H2O zawartych w 1m³ przestrzeni, którą zajmuje gaz wilgotny. Ponieważ para wodna występująca w powietrzu ma małe ciśnienie cząstkowe, nie popełnimy dużego błędu jeżeli zarówno powietrze suche, jak też parę przegrzaną traktować będziemy jako gazy doskonałe.

Wilgotność bezwzględna:

$$\rho_{p} = \frac{m_{p}}{V}$$

Gdzie: m_p – masa pary, V – objętość powietrza wilgotnego

Wilgotność względna:

$$\varphi = \frac{\rho_{p}}{\rho_{p}"}$$

Gdzie: ρ_p – wilgotność bezwzględna, $\rho_{p}"$ – maksymalna wilgotność bezwzględna dla tej samej temperatury.

Współczynnik wilgoci:

$$X = \frac{m_{p}}{m_{g}}$$

Gdzie: m_p – masa pary wodnej, m_g – masa powietrza suchego

Stopień nasycenia:

$$\psi = \frac{X}{X"}$$

Gdzie: X – stopień wilgoci, X” – stopień wilgoci powietrza nasyconego w tej samej temperaturze.

Wilgotność podczas ćwiczenia mierzyliśmy przy użyciu trzech przyrządów:

1. Higrometrem włosowym.

Wykorzystują zjawisko pęcznienia pod wpływem nawilżania odpowiednio spreparowanych włosów ludzkich lub nici wykonanych z tworzyw sztucznych. Dokładność pomiaru zawiera się w granicach ±5 % wilgotności względnej.

1. Psychrometrem Assmanna, 3. Psychrometr Augusta

W psychrometrze Assmanna jest wymuszony przepływ powietrza z prędkością ok. 2m/s wokół termometru suchego i mokrego. Oba z termometrów umieszczone są w osłonach zabezpieczających je przed promieniowaniem.

Psychrometr Augusta jest uboższą wersją psychrometru Assmanna ponieważ nie posiada mechanizmu wymuszającego ruch powietrza, ale zasada pomiaru jest ta sama. Mierzy się temperatury termometru suchego i mokrego, a następnie sprawdza w tablicach wartość wilgotności.

Obliczenia :

1. Pomiary za pomocą higrometru :

Różnica wskazań higrometru :

1. Przy założonej rynience: Δφ=100%-φ_1max =100%-44%=66%

2. Po zdjęciu rynienki: φ_H=φ₂-φ₀=36%-35%=1%

Średnia temperatura powietrza:

$$t = \frac{t_{0} + t_{2}}{2} = 23C$$

Średnia wilgotność względna:

$$\varphi = \frac{\varphi_{0} + \varphi_{2}}{2} = \frac{35 + 36}{2} = 35,5\ \%$$

Gęstość powietrza wilgotnego:

$$X = 6\frac{\text{\ g}}{\text{kg}} = 0,006\frac{\text{kg}}{\text{kg}}$$

Ciśnienie składnikowe pary wodnej :

$$p_{p} = {p"}_{p} \varphi\mathbf{=}9,5\ hPa\ 35,5\ \% = 9,5\ hPa\ 0,355 = 3,3725\text{\ hPa}$$

Obliczone wartości parametrów powietrza wilgotnego (higrometr włosowy )
Średnia temperatura powietrza	t	23	[˚C]
Średnia wilgotność względna	φ	35,5	[%]
Zawartość wilgoci	X	6,5	[g/kg]
Ciśnienie składnikowe pary wodnej	pp	3,3725	[hPa]
Ciśnienie składnikowe pary wodnej w temperaturze t	pp''	9,5	[hPa]
Gęstość powietrza wilgotnego	ρ	1,17	[kg/m3]

1. Pomiary za pomocą psychrometru Assmanna :

	nr	pb [hPa]	ts ºC	tm ºC	φ z tablic [%]	∆φ [%]	φ rzecz [%]	φ Sprunga [%]	φ wykr.h-X [%]	błąd δ h-x [%]
Mech. Z	1	995	3	1,8	83	-	-	78	80	-3,61
Mech. Z	2	995	2,9	1,6	82	-	-	74	75	-9,33

Przykładowe obliczenia dla psychrometru mechanicznego (1):

1. Wzór Sprunga :

$$\varphi = \frac{p_{p}}{{p"}_{p_{\text{ts}}}} = \frac{{p"}_{\text{pm}} - A (t_{s} - {t'}_{m}) p_{b}}{{p"}_{\text{ps}}} = \ \frac{6,7 - 0,00068375 (3 - 1,75) 995}{7,2} = 0,78$$

Gdzie :

$$t^{'}m = t_{m} - \frac{B}{100} \left( t_{s} - t_{m} \right) = 1,75\ C$$

B = 4 ( z wykresu do odczytywania poprawki B )

$$A = \left( 65 + \ \frac{6,75}{2} \right) 10^{- 5} = 0,00068375$$

$${p"}_{\text{ps}} = 7,2\text{\ hPa}$$

$${p"}_{\text{pm}} = 6,7\text{\ hPa}$$

1. Błąd przy określaniu wilgotności z wykresu h – x :

x_o – odczyt dokładny z tablic, x – odczyt z wykresu h – x

$$\delta = \frac{x - x_{0}}{x_{0}} = \frac{80 - 83}{83} = - 0,0361 = - 3,61\%$$

Opis nanoszenia linii na wykresie Molliera

1. Prowadzimy poziome linie temperatur termometru suchego i mokrego aż do linii wilgotności względnej ϕ =1

2. Z punktu przecięcia się linii temperatury termometru mokrego i linii wilgotności względnej, prowadzimy linie równoległą do linii entalpi aż do przecięcia się z linią temperatury termometru suchego

3. Miejsce przecięcia wskazuje wilgotność względną

4. Z punktu przecięcia się linii temperatury termometru mokrego i linii wilgotności względnej, prowadzimy pionowe linie, równoległe do linii zawartości wilgoci i odczytujemy ciśnienia składnikowe.

1. Pomiar wilgotności względnej powietrza za pomocą psychrometru Augusta

Obliczenia dla pomiaru 1 :

Wzór Sprunga :

$$\varphi = \frac{p_{p}}{{p"}_{p_{\text{ts}}}} = \frac{{p"}_{\text{pm}} - A (t_{s} - {t'}_{m}) p_{b}}{{p"}_{\text{ps}}} = \ \frac{18 - 0,000785 (23 - 15,58) 995}{26,5} = 0,46$$

Gdzie :

$$t^{'}m = t_{m} - \frac{B}{100} \left( t_{s} - t_{m} \right) = 15,58C$$

B = 6

$$A = A = \left( 65 + \ \frac{6,75}{0,5} \right) 10^{- 5} = 0,000785$$

$${p"}_{\text{ps}} = 26,5\ \text{hPa}$$

$${p"}_{\text{pm}} = 18\ \text{hPa}$$

Wnioski:

Z pomiarów wilgotności higrometrem wynika, że wilgotność bezwzględna rośnie po założeniu nakładki zwilżającej i maleje po jej zdjęciu. Czas oczekiwania na zmiany pomiaru w tej metodzie jest długi. Przy pomiarach wilgotności wewnątrz budynku psychrometrem Augusta uzyskaliśmy wynik ok. 43%, natomiast na zewnątrz (psychrometrem Assmanna) ok. 83%. Wynika to z warunków jakie panowały wewnątrz budynku i na zewnątrz. Zauważyć można, że wilgotność izobarycznie( ponieważ ciśnienie było stałe na zewnątrz i wewnątrz budynku 995 hPa) ogrzewanego powietrza bardzo maleje.