Akademia Techniczno - Humanistyczna

Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji

Rok 2, sem. 3

Ćwiczenie nr 36

Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza i stałej psychrometru Assmana.

Gr. nr

1. Wstęp teoretyczny:

Proces parowania- proces przejścia substancji z fazy ciekłej w fazę gazową. Zachodzi głównie na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, lecz nasila się wraz ze wzrostem temperatury. Proces parowania nasila się również, gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne i gdy zachodzi przepływ gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami.

Proces skraplania- proces odwrotny do procesu parowania, zjawisko przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić w odpowiednim ciśnieniu
i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej. Zestaw parametrów; ciśnienia
i temperatury, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywa się punktem rosy. Skraplanie wiąże się ze zmniejszeniem odległości miedzy cząsteczkami substancji. Spadek temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się wolniej, siły oddziaływania między nimi wzrastają, aż do uzyskania nowego stanu równowagi. Zachodzi proces skraplania, podczas którego jest wydzielana energia w postaci ciepła. Proces skraplania zachodzi inaczej, gdy
w gazie znajdują się zanieczyszczenia, mogą one utrudniać powstawanie cieczy.

Proces wrzenia - zjawisko przejścia substancji z cieczy w gaz (parę), podczas którego powstają i rosną pęcherzyki pary nasyconej w całej objętości cieczy. Wrzenie wymaga dostarczenia energii do wrzącego ciała. Wrzenie jest możliwe przy odpowiednim ciśnieniu w każdej temperaturze, w której może istnieć ciecz. Przy danym ciśnieniu zewnętrznym wrzenie cieczy zachodzi w określonej temperaturze, zwanej temperaturą wrzenia. Wzrost ciśnienia zewnętrznego powoduje wzrost temperatury wrzenia, gdyż ciśnienie pary musi się zrównać
z ciśnieniem zewnętrznym, co wymaga podwyższenia temperatury.

Wilgotność względna jest równa ilorazowi gęstości pary wodnej aktualnie zawartej w powietrzu ρ do gęstości ρs nasyconej pary wodnej w danych warunkach ciśnienia i temperatury:

Gęstość pary, w warunkach, w których spełnione jest równanie Clapeyrona jest proporcjonalna do jej prężności i równanie można zapisać w postaci ilorazu prężności pary wodnej aktualnie zawartej w powietrzu do prężności nasyconej pary wodnej w danych warunkach:

W celu wyznaczenia wilgotności względnej należy zmierzyć temperaturę otoczenia oraz wyznaczyć temperaturę punktu rosy. Temperaturę punktu rosy wyznaczyć można przy pomocy higrometru Lambrechta.

Para wodna -powstaje w wyniku parowania wody lub sublimacji lodu. Podczas tego procesu cząsteczka wody odrywa się od cieczy lub ciała stałego i przechodzi do gazu. Takie przejście wymaga dostarczenia energii. Energia ta jest zwykle pobierana z cieczy w postaci ciepła, przez co następuje oziębianie cieczy. Na granicy ciecz - gaz zachodzi też przechodzenie cząsteczek od gazu do cieczy (skraplanie). Dla danej temperatury ustala się równowaga zależna od ciśnienia wywoływanego przez cząstki pary wodnej, tzw. ciśnienie parcjalne, a nie zależy ono od ciśnienia wywieranego przez inne gazy na wodę. Gdy cząstek pary jest mniej to przeważa parowanie, natomiast gdy cząstek jest zbyt dużo, przeważa skraplanie.

Przy żądanym ciśnieniu, temperaturę, do której należy schłodzić parę wodną, by możliwe było jej skroplenie, nazywa się temperaturę punktu rosy.

Temperatura punktu rosy lub punkt rosy - temperatura, w której, przy danym składzie gazu lub mieszaniny gazów i ustalonym ciśnieniu, może rozpocząć się proces skraplania gazu lub wybranego składnika mieszaniny gazu.

Rozpatrywany składnik gazu (tutaj para wodna) ma w obecnej temperaturze ciśnienie parcjalne równe ciśnieniu pary nasyconej tego składnika w temperaturze punktu rosy.

W przypadku pary wodnej w powietrzu, jest to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu staje się nasycona (przy zastanym składzie i ciśnieniu powietrza), a poniżej tej temperatury staje się przesycona i skrapla się lub resublimuje.

Zjawisko znalazło zastosowanie do budowy psychrometrów, laboratoryjnych przyrządów do pomiaru wilgotności powietrza. Wypolerowaną płytkę ochładza się, aż do zauważenia na niej kropelek rosy, temperatura płytki określa temperaturę punktu rosy. Na podstawie tabeli określającej ciśnienie pary wodnej nasyconej, określa się zawartość pary w powietrzu.

Higrometr kondensacyjny Lambrechta - pomiar wilgotności za pomocą higrometru polega na wyznaczeniu temperatury tzw. punktu rosy. Para skrapla się na wypolerowanej, niklowanej powierzchni (lustrze higrometru), która chłodzona jest w wyniku szybkiego parowania eteru wlanego do zbiorniczka higrometru, przez który przedmuchiwane jest powietrze.

Psychrometr Assmana jest przyrządem, który umożliwia wyznaczenie wilgotności bezwzględnej powietrza na podstawie zmian temperatury zachodzących w trakcie parowania cieczy.

Podstawowym parametrem charakteryzującym ten przyrząd jest stała psychrometru, którą określa wzór:

gdzie:
- gęstość nasyconej pary wodnej w temperaturze Tm.

- gęstość pary zawartej aktualnie w powietrzu

T - temperatura termometru suchego

T_m - temperatura termometru mokrego

p_o - ciśnienie atmosferyczne

Stan równowagi sygnalizowany jest ustabilizowaniem się temperatury T_m wskazywanej przez mokry termometr.

2. Przebieg cwiczenia:

Przyrządy z których korzystaliśmy w tym ćwiczeniu to:

• higrometr Lambrechtra

• psychrometr Hassmana

• termometr

• barometr rtęciowy

• elektroniczny miernik wilgotności

• eter etylowy

Wyznaczanie wilgotności względnej za pomocą higrometru Lambrechta:

1. Z termometru T_r higrometru odczytujemy temperaturę otoczenia t i ustalamy błąd bezwzględny temperatury otoczenia ∆t. Odczytane wartości notujemy w tabeli 1 arkusza pomiarowego.

2. Do zbiornika N higrometru wlewamy około 1 cm3 eteru, a następnie ochładzamy wolno higrometr przez powolne przedmuchiwanie powietrzem zbiornika higrometru.

3. Gdy na powierzchni czołowej S higrometru ukazuje się wyraźny nalot skroplonej pary wodnej (rosa) przerywamy pompowanie i odczytujemy wskazanie termometru T_r higrometru. Odczytana temperatura t'_r jest temperaturą pojawienia się rosy. Wyznaczoną wartość t'_r

4. Obserwując wskazania termometru T_r odczytujemy temperaturę t''_r, przy której na skutek ogrzania sie higrometru rosa znika całkowicie z wypolerowanej płyty czołowej higrometru. Jest to temperatura znikania rosy. Wyznaczoną wartość t''_r notujemy w tabeli 1.

5. Z dostępnego na pracowni elektronicznego miernika wilgotności odczytujemy aktualną wilgotność względną powietrza W_t. Wynik notujemy w tabeli 1 arkusza pomiarowego.

Tabela 1

t [^0C]	Δt [^0C]	t'r [^0C]	t''r [^0C]	<tr> [^0C]	Δtr [^0C]	Wt
20.00	0.50	8.00	11.00	9.50	1.50	0.413
p [kPa]	Δp [kPa]	ps [kPa]	Δps [kPa]	W	ΔW	δ [%]
1.19	0.10	2.34	0.15	0.509	0.076	23.20

Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza za pomocą psychrometru Assmana oraz wyznaczanie stałej psychrometru Assmana.

1. Odkręcamy nasadkę (tulejkę) założoną na termometr mokry B psychrometru, a następnie zwilżamy wodą gazę, którą owinięty jest termometr.

2. Uruchamiamy, przez włączenie zasilania, mechanizm zapewniający stały przepływ powietrza wokół termometrów.

3. Odczekujemy kilka minut (około 5 min.) do momentu, w którym ustali sie temperatura wskazywana przez termometr mokry B (osiągnięty zostaje wówczas stan równowagi). Odczytujemy temperaturę termometru mokrego t_m w stanie równowagi oraz temperaturę powietrza t wskazywaną przez termometr suchy. Wartości t_m i t wpisujemy do tabeli 2 arkusza pomiarowego.

4. Odczytujemy wartość ciśnienia atmosferycznego p₀ z dostępnego na pracowni barometru i wpisujemy do tabeli 2.

5. Z dostępnego na pracowni elektronicznego miernika wilgotności odczytujemy aktualną wilgotność względną powietrza W_t. Wynik notujemy w tabeli 2.

Tabela 2

tm [^0C]	t [^0C]	p0 [mmHg] [kPa]		Wt	W	δ [%]
12.9	20.1	733	97.49	0,43	0.49	13.95
pm [kPa]	ps [kPa]	A =0.00048 [ ]
1.49	2.35

3. Opracowanie wyników:

1. Obliczamy temperaturę punktu rosy tr oraz maksymalny błąd bezwzględny temperatury punktu rosy Δtr, korzystając odpowiednio ze wzorów:

Obliczone wartości wpisujemy do tabeli 1.

Następnie obliczamy ciśnienie p nasyconej pary wodnej w temperaturze punktu rosy tr oraz ciśnienie ps nasyconej pary wodnej w temperaturze otoczenia t, na podstawie wzoru empirycznego:

gdzie :

t [^oC] = temperatura

a [kPa/(^oC)³] = 0.0000501

b [kPa/(^oC)²] = 0.0009434

c [kPa/^oC] = 0.04765

d [kPa] = 0.60654

Obliczone wartości wpisujemy do tabeli 1.

2. Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń zgromadzonych w tabeli 1 szacujemy błędy maksymalne wartości ciśnienia nasyconej pary wodnej ∆p oraz ∆ps korzystając odpowiednio ze wzorów:

3. Na podstawie wartości obliczonych w punktach 1 i 2 obliczamy wilgotność względną powietrza W oraz błąd bezwzględny wilgotności ∆W, korzystając odpowiednio ze wzorów:

Wyniki obliczeń notujemy w tabeli 1.

4. Obliczamy względną różnicę pomiędzy wartością doświadczalną wilgotności względnej W, a wartością odczytaną z cyfrowego miernika wilgotności Wt.

Wyznaczanie wilgotności względnej powietrza za pomocą psychrometru Assmana oraz wyznaczanie stałej psychrometru Assmana.

1. Obliczamy względną różnicę pomiędzy wartością doświadczalną wilgotności względnej W, a wartością odczytaną z cyfrowego miernika wilgotności Wt

2. Na podstawie wzoru empirycznego obliczamy ciśnienie pm nasyconej pary wodnej w temperaturze termometru mokrego t_m oraz ciśnienie p_s nasyconej pary wodnej w temperaturze otoczenia t.

Obliczone wartości notujemy w tabeli 2.

3. Odczytaną w milimetrach słupa rtęci (mmHg) wartość ciśnienia atmosferycznego p₀ wyrażamy w kilo paskalach (kPa)

Obliczamy stałą psychometru Assmana za pomocą wzoru :

4. Wnioski:

Wykazaliśmy doświadczalnie, iż przy użyciu przedmiotów potrzebnych do wykonania ćwiczenia można wyznaczyć wilgotność względną powietrza i stałą psychrometru Assmana. Na wynik odczytywania temperatury w chwili pojawiania się i zanikania rosy na wypolerowanej powierzchni decyduje moment zaobserwowania tego zjawiska. Brak naszego doświadczenia mógł spowodować, że wyniki naszego eksperymentu mogą odbiegać od tych, które powinniśmy uzyskać.

---