Kraków dn. 14.04.2005 r.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wykonał:
Marcin Włodarczyk
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii,
GiG, Rok III, Grupa 3.
TEMAT:
WYZNACZANIE ZMIAN WILGOTNOŚCI POWIETRZA.
Wprowadzenie
Celem ćwiczenia jest określenie efektu nawilżania, osuszania oraz zmian entalpii powietrza przepływającego przez wkładkę z soli kamiennej.
Podczas przepływu powietrza wyrobiskami wykonanymi w górotworze zachodzi wiele procesów, zmieniających jego parametry. Istotny wpływ ma na wymianę ciepła i wilgoci między ociosami wyrobiska a płynącym powietrzem. Na wielkość tych procesów wpływają okresowe zmiany (w ciągu roku) temperatury i wilgotności powietrza wpływającego do kopalni. Zmiany wilgotności powietrza wpływają niekorzystnie na ociosy wyrobisk wykonanych w złożach soli. W lecie, kiedy zawartość wilgoci w powietrzu jest duża następuje ługowanie ociosów wyrobiska, natomiast w zimie obserwuje się wysuszanie ociosów. Ma to duże znaczenie szczególnie przy przewietrzaniu części muzealnej Kopalni Soli Wieliczka.
Podczas przepływu powietrza przez wyrobiska wykonane w złożu soli następuje zmiana jego parametrów termodynamicznych. Duże znaczenie ma w tym przypadku:
skład chemiczny danego złoża soli,
temperatura ociosów wyrobiska,
temperatura samego powietrza,
zawartość wilgoci w powietrzu,
ciśnienie.
Wymienione czynniki wpływają na zmiany temperatury i zawartość wilgoci w powietrzu kopalnianym.
Jeżeli powietrze przepływające wyrobiskiem ma wilgotność względną w danej temperaturze większą do odpowiadającej wilgotności nad danym roztworem tworzącym się na powierzchniach odsłoniętych w wyrobisku, to część wilgoci (pary wodnej) z powietrza będzie się starała przedostać do roztworu. Występować więc będzie osuszanie powietrza. Osuszanie będzie towarzyszyć pobieranie ciepła z powietrza w ilości około 41,868 kJ/mol (rząd wielkości ciepła parowania wody). Natomiast podczas przepływu powietrza o wilgotności względnej mniejszej od wilgotności nad roztworem występować będzie nawilgacanie powietrza (osuszanie ociosów wyrobiska). Część wilgoci z roztworu będzie przechodzić do powietrza. Nawilgacaniu będzie towarzyszyć wydzielanie ciepła do przepływającego powietrza w ilości około 31,868 kJ/mol.
Jeżeli sól, w której będzie wykonane wyrobisko, zbudowana będzie z czystego halitu (NaCl), to należy się spodziewać, że osuszanie powietrza wystąpi wówczas, gdy wilgotność względna powietrza będzie większa niż 75%. Towarzyszyć temu zjawisku będzie efekt cieplny, zależny od czasu przewietrzania wyrobiska (temperatury ociosów).
Wilgotność powietrza - zawartość pary wodnej w powietrzu.
Wilgotność powietrza charakteryzuje się podając jeden z poniższych parametrów:
wilgotność bezwzględna - masa pary wodnej wyrażoną w gramach, zawarta
w 1m3 powietrza,
wilgotność właściwa - masa pary wodnej wyrażoną w gramach, zawarta w 1 kg suchego powietrza,
wilgotność względna - stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności bezwzględnej przy danej temperaturze i ciśnieniu,
prężność pary wodnej - lub inaczej jej ciśnienie cząstkowe (wielkości wyrażone w jednostkach ciśnienia),
temperatura punktu rosy - temperatura przy której wilgotność względna osiąga 100 %.
Opracowanie wyników pomiarów
Użyte wzory:
gęstość powietrza:
prędkość maksymalna powietrza w odcinku pomiarowym:
prędkość maksymalna w przekroju rury pomiarowej:
[m/s]
prężność pary wodnej nasyconej E(tw), E(ts)
[Pa]
prężność pary wodnej nienasyconej:
[Pa]
stała psychrometryczna:
wilgotność względna:
wilgotność właściwa:
entalpia powietrza:
natężenie przepływu powietrza:
ilość wody odebranej lub oddanej przez wkładkę solną:
gdzie:
τi - czas pomiędzy poszczególnymi pomiarami [s]
Gwi - masowy wydatek wody w czasie pomiaru [kg/s]
Zestawienie obliczeń
Wartości na stanowisku:
Wartości na stanowisku: |
|
ts |
22 |
tw |
16 |
p |
993,62 |
ρ |
1,19 |
Δh |
110 |
Wartości zmierzone:
Efekt osuszania powietrza |
|||||
lp. |
przed: |
za: |
Δpd |
||
|
tw[C] |
ts[C] |
tw[C] |
ts[C] |
|
1. |
15,2 |
21 |
15 |
21 |
1079,1 |
2. |
15,2 |
21,8 |
15,2 |
21,6 |
1079,1 |
3. |
15,6 |
21,8 |
15,4 |
21,8 |
1079,1 |
4. |
15,8 |
22 |
15,4 |
21,8 |
1079,1 |
5. |
15,6 |
22 |
15,4 |
21,8 |
1079,1 |
6. |
15,8 |
21,8 |
15,4 |
21,8 |
1079,1 |
Efekt nawilżania powietrza |
|||||
lp. |
przed: |
za: |
Δpd |
||
|
tw[C] |
ts[C] |
tw[C] |
ts[C] |
|
1. |
16 |
22,6 |
15,4 |
22,2 |
1079,1 |
2. |
16 |
22,6 |
15,4 |
22,4 |
1079,1 |
3. |
16 |
22,6 |
15,6 |
22,4 |
1079,1 |
4. |
16 |
22,8 |
15,6 |
22,4 |
1079,1 |
5. |
16 |
22,8 |
15,6 |
22,2 |
1079,1 |
6. |
15,8 |
22 |
15,4 |
22,2 |
1079,1 |
Wartości obliczone:
lp. |
Parametry powietrza przed wkładką |
Parametry powietrza za wkładką |
||||||||||
|
prężność powietrza [N/m2] |
Wilgotność |
Entalpia |
prężność powietrza [N/m2] |
Wilgotność |
Entalpia |
||||||
|
E™ |
E(ts) |
e |
φp[%] |
xp[kg/kg] |
ip[kJ/kg] |
E™ |
E(ts) |
e |
φz [%] |
xz [kg/kg] |
iz[kJ/kg] |
Osuszanie powietrza |
||||||||||||
1. |
1711,405 |
2464,784 |
1333,830 |
77,94 |
0,008556 |
42,84104 |
1689,501 |
2464,784 |
1298,906 |
76,88 |
0,008329 |
42,2643 |
2. |
1711,405 |
2588,623 |
1281,750 |
74,89 |
0,0082175 |
42,79781 |
1711,405 |
2557,165 |
1294,770 |
75,66 |
0,0083021 |
42,8086 |
3. |
1755,959 |
2588,623 |
1352,344 |
77,01 |
0,0086764 |
43,96433 |
1733,556 |
2588,623 |
1316,922 |
75,97 |
0,0084461 |
43,3788 |
4. |
1778,614 |
2620,417 |
1374,999 |
77,31 |
0,0088238 |
44,54345 |
1733,556 |
2588,623 |
1316,922 |
75,97 |
0,0084461 |
43,3788 |
5. |
1755,959 |
2620,417 |
1339,324 |
76,27 |
0,0085917 |
43,95336 |
1733,556 |
2588,623 |
1316,922 |
75,97 |
0,0084461 |
43,3788 |
6. |
1778,614 |
2588,623 |
1388,019 |
78,04 |
0,0089086 |
44,55448 |
1733,556 |
2588,623 |
1316,922 |
75,97 |
0,0084461 |
43,3788 |
Nawilżanie powietrza |
||||||||||||
1. |
1801,525 |
2717,855 |
1371,870 |
76,15 |
0,0088035 |
45,10485 |
1733,556 |
2652,552 |
1290,882 |
74,46 |
0,0082768 |
43,3570 |
2. |
1801,525 |
2717,855 |
1371,870 |
76,15 |
0,0088035 |
45,10485 |
1733,556 |
2685,031 |
1277,862 |
73,71 |
0,0081923 |
43,3461 |
3. |
1801,525 |
2717,855 |
1371,870 |
76,15 |
0,0088035 |
45,10485 |
1755,959 |
2685,031 |
1313,284 |
74,79 |
0,0084224 |
43,9314 |
4. |
1801,525 |
2751,029 |
1358,850 |
75,43 |
0,0087187 |
45,09372 |
1755,959 |
2685,031 |
1313,284 |
74,79 |
0,0084224 |
43,9314 |
5. |
1801,525 |
2751,029 |
1358,850 |
75,43 |
0,0087187 |
45,09372 |
1755,959 |
2652,552 |
1326,304 |
75,53 |
0,0085071 |
43,9424 |
6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lp. |
Zmiany wilgotności |
Zmiany entalpii |
Gwi [kg/s] |
|
|
Δφ [%] |
Δx=xz-xp [kg/kg] |
Δi [kJ/kg] |
|
Osuszanie powietrza |
||||
|
-1,06 |
-0,000227 |
-0,5767 |
-0,000002054 |
|
0,76 |
8,459E-05 |
0,0108 |
0,000000766 |
|
-1,05 |
-0,0002303 |
-0,5855 |
-0,000002084 |
|
-1,34 |
-0,0003778 |
-1,1647 |
-0,000003417 |
|
-0,31 |
-0,0001457 |
-0,5746 |
-0,000001318 |
Nawilżanie powietrza |
||||
|
-1,69 |
-0,0005266 |
-1,7479 |
-0,000004764 |
|
-2,44 |
-0,0006112 |
-1,7588 |
-0,000005529 |
|
-1,36 |
-0,000381 |
-1,1734 |
-0,000003447 |
|
-0,64 |
-0,0002963 |
-1,1623 |
-0,000002681 |
|
0,10 |
-0,0002117 |
-1,1513 |
-0,000001915 |
Gw odebr.[kg/s] |
-0,008849903
|
Gw odd.[kg/s] |
-0,016764813
|
vmax |
18,9658 |
vmax2 |
0,9805 |
Ap |
71,8840 |
Q |
0,007605 |
Wykresy:
Wykres nr 1 a), b). Efekt osuszania powietrza: przed wkładką i za wkładką
Wykres nr 2 a), b). Efekt nawilżania powietrza: przed wkładką i za wkładką
Wnioski:
Z wykresów możemy odczytać, że entalpia powietrza przed i za wkładką solną przebiega prostolinijnie tzn. że czas nie ma w tym przypadku znaczenia, natomiast w przypadku wilgotności względnej podczas osuszania wraz ze wzrostem czasu wzrasta wilgotność (wyraźnie widać to na wykresie 1 b ), a podczas nawilżania wraz ze wzrostem czasu wilgotność maleje (wykres 2 a ). Jeżeli chodzi o wilgotność właściwą to zachowuje się podobnie jak wilgotność względna, czyli podczas osuszania rośnie, a podczas nawilżania maleje wraz ze wzrostem czasu. Znając zmiany wilgotności właściwej i natężenie przepływu powietrza wyznaczyliśmy ilość wody odebranej przez wkładkę solna i dla osuszania wynosi ona 0,01755 [kg], a dla nawilżania 0,03006 [kg]. Z przeprowadzonego doświadczenia wynika, że podczas efektu osuszania wkładka solna pobiera wilgoć z otoczenia, natomiast podczas nawilżania oddaje ją do otoczenia. Wszelkie niezgodności z zachowaniem się parametrów w stosunku do zmian spodziewanych mogą wynikać z niedokładnego wykonania.
7