Akademia Techniczno Rolnicza w Bydgoszczy

Wydział Mechaniczny

Zakład Techniki Cieplnej

T : Pomiar parametrów wilgotnego powietrza.

Studium : Mgr Semestr V

Grupa A

Zespół ćw. 1

Data ćw. 24.10.1999

Skład grupy:

1. Olszak Ireneusz

2. Gugała Robert

1. Podstawy teoretyczne.

Wilgotne powietrze jest mieszaniną powietrza suchego i pary wodnej. Mieszanina ta zachowuje się podobnie jak gaz doskonały i spełnia prawo Daltona.

Pomiar parametrów wilgotnego powietrza jest jednym z podstawowych zagadnień w dziedzinie klimatyzacji i wentylacji, w technice chłodniczej i suszarniczej oraz prze­chowalnictwie plonów rolnych.

1. Zawartość wody w powietrzu

Zgodnie z prawem Daltona, ciśnienie barometryczne p_b wilgotnego powietrza jest równe:

p_b = p_g + p_p

gdzie:

p_g - ciśnienie cząstkowe powietrza suchego,

p_p - ciśnienie cząstkowe pary wodnej.

Ciśnienie cząstkowe p_p pary możne zmieniać się w zależności od jej zawartości w powietrzu, przy czym w momencie gdy p_p stanie się równe ciśnieniu nasycenia przy danej temperaturze powietrza, nastąpi skraplanie się pary w powietrzu, a drobne kropel­ki wody utworzą mgłę.

Para wodna znajdująca się w powietrzu nie dosyconym jest niewidoczna -jest więc parą przegrzaną dopiero, gdy wzrośnie jej zawartość tak, się jej ciśnienie cząstkowe wzrośnie i zrówna się z ciśnieniem nasycenia, stanie się ona parą nasyconą i osiągnie punkt rosy.

W stanie tym każde najmniejsze obniżenie temperatury powietrza spowoduje wy­kroplenie się pewnej ilości pary.

Stan wilgotnego powietrza określany jest poprzez podanie jego wilgotności bez­względnej ρ, wilgotności względnej φ, wilgotności właściwej x, temperatury i entalpii właściwej i_1+x, (przy p_b=const).

2. Wilgotność powietrza bezwzględna ρ, względna φ, właściwa x, stopień nasycenia ψ

Miarą zawartości pary wodnej w powietrzu wilgotnym są wartości:

- wilgotności bezwzględnej ρ

• wilgotności względnej φ,

• wilgotności właściwej x,

• stopnia nasycenia ψ

Wilgotnością bezwzględną powietrza jest masa pary wodnej (wyrażona w g lub kg) zawarta w 1 m³ powietrza przy danej temperaturze. Jest to więc gęstość ρ_p, pary wodnej zawartej w rozpatrywanym powietrzu.

Wilgotnością względną nazywany jest stosunek wilgotności bezwzględnej , rozpatrywanego stanu powietrza do wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego w tej samej temperaturze.

Powietrzem nasyconym nazywano stan graniczny, w którym przy danej temperaturze para osiąga stan suchej pary nasyconej (punkt rosy). Przekroczenie tego stanu towarzy­szy wkraplanie się pary i pojawienie mgły w powietrzu.

Wartość wilgotności względnej powietrza wyrażana jest ułamkiem dziesiętnym lub w

% i określana zależnością:

Wilgotnością właściwą powietrza nazywana jest masa pary wodnej zawartej w po­wietrzu przypadająca na 1 kg powietrza suchego:

Stopniem nasycenia powietrza nazywany jest stosunek wilgotności właściwej x rozpatrywanego stanu powietrza do wilgotności maksymalnej X_max osiąganej w stanie nasycenia (przy tej samej temperaturze):

Między parametrami określającymi zawartość pary wodnej w powietrzu zachodzą relacje:

3. Przyrządy do pomiaru wilgotności powietrza.

Przyrządy do pomiaru zawartości wilgoci w powietrzu podzielić można w zależno­ści od zasady działania na higrometry i psychrometry.

Higrometry dzielą się na:

- absorpcyjne, czyli grawimetryczne,

• kondensacyjne, czyli tzw. higrometry punktu rosy.

• wykorzystujące zjawiska higroskopowe,

- elektryczne,

- włosowe z włosami naturalnymi lub z włókien syntetycznych.

Higrometry absorpcyjne są stosowane do bezpośredniego oznaczania wilgotności bezwzględnej powietrza i działają na zasadzie pochłaniania wody przez osuszacz, po­miar ilości zaabsorbowanej pary oraz pomiar ilości powietrza zużytego do analizy. Są niewygodne w użyciu i nie mają szerszego zastosowania w technice.

Higrometry kondensacyjne mierzą temperaturę punktu rosy, czyli temperaturę rozpoczęcia procesu kondensacji pary wodnej z powietrza na gładkiej metalowej lub szklanej powierzchni. Powierzchnia, na której kondensuje para jest chłodzona poprzez wykorzystanie ciepła parowania cieczy łatwo wrzących (higrometr Daniella), adiaba­tyczne rozprężanie gazu lub poprzez wykorzystanie chłodzenia termoelektrycznego.

Obserwacja zjawisk kondensacji pary dokonywana jest przez obserwację wzroko­wą lustra higrometru, obserwację za pomocą elementów fotoelektrycznych lub poprzez pomiar przewodności elektrycznej powierzchni lustra z kondensującą parą.

Najczęściej używanymi przyrządami do pomiaru wilgotności względnej powietrza są psychrometry Augusta i Assmana. Psychrometr Augusta składa się z dwóch jednakowych termometrów, z których jeden jest "suchy", a drugi "mokry". Bańka z cieczą termometru mokrego owinięta jest koszulką z gazy lub batystu i zanurzona drugim końcem w zbiorniczku z wodą destylowaną. Pomiar oparty jest na założeniu, że w obszar bańki termometru mokrego ustalają się warunki. w których powietrze ma stan nasycenia parą wodną w danej temperaturze.

Na skutek różnicy nasycenia parą wodną w warstwie granicznej i dalszych war­stwach powietrza w otoczeniu, będzie zachodziło parowanie wody z powierzchni bańki termometru mokrego. Spowoduje to zjawisko obniżenia temperatury zmierzonej przez termometr mokry, który będzie tym samym wskazywał niższą temperaturę niż termometr suchy. Różnica wskazań obu termometrów nosi nazwę różnicy psychrometrycznej.

Różnica psychrometryczna zależna jest od wilgotności powietrza i rośnie przy jej zmniejszaniu się.

Ciepło potrzebne do odparowania wody pobierane jest z powietrza i wraca do niego w postaci ciepła parowania. Zatem proces parowania jest adiabatyczny, co ozna­cza, że entalpia powietrza nie ulega zmianie.

Wilgotność powietrza odczytuje się z tablic psychrometrycznych lub oblicza się z zależności:

gdzie: p_sm -ciśnienie cząstkowe pary wodnej w temperaturze termometru mokrego

p_ss -ciśnienie cząstkowe pary wodnej w temperaturze termometru suchego,

A - współczynnik psychrometryczny wyznaczony z wykresu

Pomiar wilgotności względnej za pomocą psychrometru Assmana jest dokładniej­szy od pomiarów dokonywanych psychrometrem Augusta.

Na rysunku 1 przedstawiono psychrometr elektroniczny THERM 2286-2.

Rys1. Psychrometr elektroniczny THERM 2286-2:

1 - sonda. 2 - ter­mometr oporowy suchy, 3 - termometr oporowy mokry.

4 - zbiorniczek wody destylowanej, 5 - wentylator. 6 - przewód, 7 - miernik

Psychrometr elektroniczny THERM 2286-2 jest przyrządem wielofunkcyjnym. Czujnik składa się z dwóch termometrów oporowych, z których jeden "termometr mo­kry" osłonięty jest tkaniną nawilżaną wodą destylowaną ze zbiorniczka. Termometry omywane są przez strumień badanego powietrza, którego ruch wymuszany jest działa­niem wentylatorka. Miernik przyrządu umożliwia przy sterowaniu przyciskami Odczyt następujących parametrów wilgotnego powietrza:

• temperatury termometru suchego w °C - przycisk TT,

• temperatury termometru mokrego w °C - przycisk HT,

• temperatury punktu rosy w °C - przycisk DT.

- wilgotności względnej w % - przycisk RH.

- wilgotności bezwzględnej w g - przycisk MH.

Przygotowując psychrometr do pomiaru należy napełnić zbiorniczek wodą desty­lowaną. Po złączeniu zbiorniczka z korpusem czujnika i zamontowaniu szklanej rurki doprowadzającej powietrze, należy wyjąć zatyczkę wentylatora z otworu wyrównującego ciśnienie. Po przyłączeniu elektrycznym przewodem wielożyłowym miernika wtacza się układ pomiarowy. Na czytniku pojawia się wartość temperatury mierzonej termometrem suchym po upływie około 30 s od włączenia kolejnych przycisków sterujących na czytniku wyświetlone zostaną wartości zmierzonych parametrów wilgotnego powietrza.

2. Opis wykonywanego ćwiczenia.

W ćwiczeniu dokonywaliśmy pomiaru wilgotności powietrza za pomocą trzech czterech przyrzadów pomiarowych : Assmana, Augusta, THERM 2286-2 oraz przyrzadu elektronicznego z natychmiastowym odczytem wilgotności względnej. Dokonaliśmy pomiarów dwukrotnie rozdzielając ja półgodzinnym dogrzewaniem pomieszczenia . W przyrządach Assmana, Augusta oraz THERM pomiar polegał na odczytaniu temperatury na termometrze suchym i mokrym a nastepnie odczytu z wykresu i-x Moillera wilgotności względnej.

3. Protokół pomiarowy i obliczenia.

Rodzaj przyrządu pomiar.	Stan 1	Stan 2
Assman	ts=16,4^oC tw=12,2^oC ϕ=53% x=5,6 [g/kg] i1=x=31[kJ/kg]	ts=15,7^oC tw=11,4^oC ϕ=51% x=6,1 [g/kg] i1=x=33[kJ/kg]
August	ts=15,6^oC tw=14,4^oC ϕ=80% x=9 [g/kg] i1+x=40[kJ/kg]	ts=17,6^oC tw=15,3^oC ϕ=79% x=11 [g/kg] i1=x=43[kJ/kg]
THERM 2286-2	ts=16,65^oC tw=11,83^oC ϕ=56,9 x=6 [g/kg] i1=x=30[kJ/kg]	ts=16,49^oC tw=11,71^oC ϕ=54% x=7 [g/kg] i1=x=33[kJ/kg]
Elektroniczny	ts=18^oC tw=12,7 ^oC ϕ=57% x=6,5 [g/kg] i1=x=33[kJ/kg]	ts=18^oC tw=12,2^oC ϕ=53% x=7 [g/kg] i1=x=35 [kJ/kg]

Obliczenia :

Obliczenie ilości dostarczonego ciepła :

Q_1-2= m_p(i_2+x - i_1+x)

Obliczenie ilości dostarczonej wody :

m_w= m_p(x₂-x₁)

gdzie:

m_p=V*ρ_p

Ćwiczenie było wykonywane przy ciśnieniu p=759 mmHg = 101067 Pa w pomieszczeniu o kubaturze U =110,5 m³.

Dla przyrządu Assmana :

m_p=110,5*1,21 = 133,7 [kg]

Q_1-2= 133,7 * (32 - 30) = 267,4 [kJ]

m_w =133,7 * (6 - 5,5 ) = 66,9 [g]

Dla przyrządu Augusta:

m_p=110,5*1,21 = 133,7 [kg]

Q_1-2= 133,7 * (32 - 30) = 267,4 [kJ]

m_w =133,7 * (10 - 9 ) = 133,7 [g]

Dla przyrządu THERM 2286-2:

m_p=110,5*1,21 = 133,7 [kg]

Q_1-2= 133,7 * (33 - 30) = 401,1 [kJ]

m_w =133,7 * (7 - 6 ) = 133,7 [g]

Dla przyrządu Elektronicznego:

m_p=110,5*1,22 = 133,9 [kg]

Q_1-2= 133,7 * (35 - 33) = 267,4,1 [kJ]

m_w =133,7 * (7 - 6 ) = 66,9 [g]

IV. Wnioski i spostrzeżenia:

Pomiaru tego dokonywaliśmy czterema przyrządami pomiarowymi : Assmana. Augusta, THERM2286-2 oraz przyrządem elektronicznym o bezpośrednim odczycie na wyświetlaczu. Pomiarów dokonywaliśmy dwukrotnie, grzejąc między pomiarami klimatyzatorem. Złe umieszczenie klimatyzatora, który dmuchając ciepłym powietrzem do pomieszczenie od strony przedniej równocześnie oziębiał powietrze z tyłu urządzenia, które trafiało na nasz stół pomiarowy spowodowało niedokładność pomiarów. Jedyny widoczny wzrost temperatury zanotowaliśmy na przyrządzie Augusta który znajdował się dalszej odległości od klimatyzatora. Przyrząd ten jest jednak mało dokładny, z powodu braku urządzenia wymuszającego ruch powietrza, i wyników tych nie należy brać jako wiarygodne.

---