POLITECHNIKA WARSZAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ	LABORATORIUM TERMODYNAMIKI Sprawozdanie z ćwiczenia	2 Zespół
Nazwiska i imiona studentów	Borowiec Andrzej, Danieluk Filip, Juchniewicz Artur, Sowa Jakub, Zagrajek Emilia, Banasik Krzysztof
2014/2015	MEiL	3
Rok ak.	Wydział	Semestr

Sprawozdanie - Laboratorium nr 9

Badanie parametrów i przemian powietrza atmosferycznego

1. Cel oraz opis ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów mieszaniny pary wodnej i powietrza poprzez badanie przemian tej mieszaniny, zapoznanie się z technikami pomiarowymi w przypadku gdy mamy do czynienia z taką mieszaniną a także z wykresem dla powietrza wilgotnego.

1. Wstęp teoretyczny :

W technice często spotyka się mieszaninę gazu oraz pary innego czynnika w warunkach w których zachodzi możliwość skraplania się tej pary. Gazy takie nazywamy gazami wilgotnymi. Największe znaczenie praktyczne ma powietrze wilgotne, czyli mieszanina suchego powietrza i pary wodnej.

Otaczające nas powietrze nigdy nie jest idealnie suche - zawsze zawiera w sobie parę wodną, której zawartość jest zmienna zależnie od różnych warunków. Powietrze to podlega takim przemianom jak ogrzewanie, mieszanie i zmiana zawartości wilgoci. Dodatkowo, wraz ze zmianą temperatury, para wodna zawarta w powietrzu może ulegać przemianom fazowym.

Jedną z takich przemian jest wykraplanie się. Prowadzi ono do zjawisk takich jak mgła lub rosa. Bardzo często kondensacja wody jest zjawiskiem niepożądanym, dlatego tak kluczowe jest określenie parametrów powietrza wilgotnego.

1. Parametry powietrza wilgotnego :

Wilgotność bezwzględna jest to zawartość pary wyrażona w gramach, przypadająca na 1 m³ powietrza; jest ona równa gęstości ρ_o [g/m³] pary wodnej w temperaturze powietrza i przy ciśnieniu cząstkowym pary.

Stosunek wilgotności bezwzględnej do maksymalnej możliwej zawartości pary w danych warunkach nazywa się wilgotnością względną i oznacza się ją literą φ. Jest to więc stosunek gęstości pary znajdującej się w powietrzu do gęstości pary suchej nasyconej w tej samej temperaturze, gdyż maksymalna zawartość pary w powietrzu jest wówczas, gdy staje się ona parą suchą nasyconą. Więc :

$$\varphi = \frac{\rho_{o}}{\rho^{''}}$$

Jeżeli ρ_o = ρ'' to wilgotność względna osiąga swoją maksymalną wartość φ_max = 1. Jeżeli nadal będziemy zwiększać zawartość pary wodnej w powietrzu, nastąpi wykroplenie wody i osiągniemy obszar mgły.

Ważnym parametrem określającym wilgotność powietrza jest zawartość wilgoci x, przypadająca na 1 kg powietrza suchego, przy czym x stanowi całkowitą masę wody we wszystkich ewentualnych stanach skupienia. Stosunek aktualnej wartości x do maksymalnej zawartości pary w powietrzu x_max nosi nazwę stopnia nasycenia i jest oznaczany jako ψ.

$$\psi = \ \frac{x}{x_{\max}}$$

Zawartość wilgoci x można wyrazić w postaci stosunku, który wynika z jej definicji :

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

Podobnie, oznaczając gęstość suchego powietrza w przypadku, gdy przy stałym ciśnieniu powietrza wilgotnego zostanie ono nasycone całkowicie parą przez ρ_g0 otrzymujemy zależność :

$$x_{\max} = \frac{\rho^{''}}{\rho_{g0}}$$

Dokonując pewnych przekształceń można wywnioskować, że dla niezbyt wysokich temperatur spełniona jest w przybliżeniu zależność :

ψ ≈  φ

Do pomiaru wilgotności powietrza służą psychrometry oraz higrometry. Najczęściej stosowanym psychrometrem jest psychrometr Assmanna, który działa w taki sposób, że dwa identyczne termometry rtęciowe znajdują się w jednakowych obudowach, przez które przepływa powietrze przetłaczane wentylatorkiem z taką samą prędkością. Zbiorniczek jednego z termometrów owinięty jest tkaniną zmoczoną wodą (tzw. termometr mokry), drugi zaś jest umieszczony normalnie (tzw. termometr suchy). Przy przepływie powietrza woda z tkaniny odparowuje i powoduje ochłodzenie termometru, przy czym jest ono tym większe im bardziej suche jest powietrze. Tak więc różnica wskazań obu termometrów jest funkcją wilgotności względnej powietrza, która może być odczytana z tzw. tablic psychrometrycznych, jeśli znane są wartości temperatur wskazywanych przez termometr mokry i suchy.

Psychrometr Assmanna cechuje się tym, że opływ powietrza jest w nim wymuszony za pomocą wentylatorka. Istnieją także psychrometry, w których opływ jest swobodny - na przykład psychrometr Augusta. Jest to zestaw dwóch termometrów cieczowych, z których jeden jest zaopatrzony w koszulkę i zbiorniczek wody destylowanej do jej nawilżania. Niestety, nie daje on pomiarów dokładnych a jedynie orientacyjne - jego błąd pomiarowy może osiągać nawet 15% (przy dokładności psychrometru Assmanna wynoszącej około 1% jest to bardzo dużo).

Higrometry stosuje się jedynie do pomiaru wilgotności bezwzględnej powietrza. Sposób ich działania jest następujący: niektóre substancje posiadają pewne właściwości, które zmieniają się podczas pochłaniania przez nie wody. Jeżeli znamy funkcję zależności między wilgotnością a mierzalną właściwością substancji można na podstawie pomiaru owej właściwości określać wilgotność. Najczęściej używane są higrometry elektryczne - oparte na zmianie oporności elektrycznej oraz higrometry włosowe - oparte na zmianie długości włosa ze zmianą wilgotności powietrza (notabene zjawisko to jest zmorą skrzypków - z powodu zmiany wilgotności powietrza w smyczku pękają struny z końskiego włosia; czasem naprężenia wywołane zbytnim skróceniem włosia powodują łamanie się pręta smyczka. Stąd wynika potrzeba stosowania śrubki do regulowania naciągu włosia oraz przechowywanie smyczków w odpowiednich warunkach).

1. Opis i przebieg pomiaru :

Stanowisko składało się z rozdzielającej się rury w kształcie Y. Do dwóch gałęzi podawano powietrze z otoczenia. W jednej z odnóg powietrze natrafiało na grzałkę, a następnie na nawilżacz. Następnie powietrze z tej odnogi mieszało się z powietrzem z drugiej odnogi i wylatywało do otoczenia. Powietrze było podawane do rur za pomocą wentylatorów, do nawilżacza podawano chłodną wodę sieciową.

Po włączeniu aparatury odczekano 20 minut celem ustalenia się stanu. Pomiarów termometrem mokrym i suchym dokonywano w otoczeniu, po nagrzewnicy, po nawilżaczu i tuż przed wylotem, po zmieszaniu powietrza. Odstępy między pomiarami to 3 minuty. Wartość fi odczytano z tablic.

	Otoczenie	Za podgrzewaczem	Za nawilżaczem	Po zmieszaniu
	Ts0	Tm0	φ0	x0
	°C	°C	%	g/kg
1.	24	24	23.6	12
2.	24	24	24	11.7
3.	24	24	23.9	11.8
	Średnia	23.8	11.8	41.9

Komentarz oraz wnioski:

• Wszelkie pomiary obarczone są błędem spowodowanym niedoskonałością podziałki na przyrządach pomiarowych, ludzkim refleksem, niepewnością odczytu pomiaru z przyrządów.

• Wilgotność względna jest bardzo ważna dla komfortu cieplnego człowieka. Przykładowo przy φ równym około 1 ludzki organizm słabo radzi sobie z wymianą ciepła z otoczeniem. Dlatego istnieją normy dla wartości φ w szpitalach, biurowcach itp.

• Do dobrego wymieszania powietrza wilgotnego z suchym potrzebna jest duża aparatura - w naszym przypadku strumienie nie mogły wymieszać się całkowicie. Celem lepszego zmieszania można by zastosować mieszadło tudzież mieszadełko lub wydłużyć rurę wylotową.