technika cieplna3 - ściąga.doc

V. Pomiar wilgotności powietrza.

Stosowanie praw gazu doskonałego dla wilgotnego powietrza w znacznej mierze upraszcza obliczenia, gdyż również w odniesieniu do mieszaniny powietrza z parą wodną i innymi gazami może być stosowane prawo Daltona, a nie prawo Leduca.

Właściwości wilgotnego powietrza odnosi się do powietrza suchego, którego masa pozostaje niezmienna podczas przemian termodynamicznych. Natomiast  masa wody (w dowolnej fazie lub kilku fazach jednocześnie) może się zmieniać; ulega ona zmianie w procesach np. wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

   Jednym ze sposobów definiowania wilgotności powietrza jest wprowadzenie pojęcia zawartości wilgoci x.

  Inną wielkością określającą wilgotność powietrza jest wilgotność względna wyrażająca się ilorazem masy pary wodnej za3wartej w powietrzu do masy pary wodnej nasyconej zawartej w tej samej objętości wilgotnego powietrza i w warunkach tej samej temp..

Wilgotność powietrza można także określić bezwymiarową wielkością zwaną stopniem nasycenia.

Tak wprowadzone zależności definicyjne rzadko nadają się do bezpośredniego wykorzystania w pomiarach tzw. grawimetrycznych.

Zadaniem pomiarów wilgotności powietrza jest więc wyznaczenie ciśnienia. Pośredni sposób określenia wilgotności polegający na wyznaczeniu ciśnienia z pomiarów innych wielkości fizycznych, najczęściej charakterystycznej temp., prowadzi do dużej różnorodności stosowanych przyrządów, a również metod pomiarowych.

METODY POMIAROWE.

1. Metoda wagowa.

Zadaniem metody wagowej zwanej też grawimetryczną, jest bezpośredni pomiar wielkości wchodzących do definicyjnych wzorów: na zawartość wilgoci, wilgotność względną oraz stopień nasycenia. Ze względu na złożony układ pomiarowy oraz trudności wykonania samego pomiaru metoda ta jest stosowana do adiustacji przyrządów wzorcowych.

Grawimetryczny układ pomiarowy - masa powietrza jest wyznaczona metoda pośrednią. Wilgotne powietrze przepływa przez baterię suszek pomiarowych, z których część jest pełniona nadchloranem magnezu, a pozostałe pięciotlenkiem fosforu. W rurkach tych wilgoć zostaje pochłonięta, a suche powietrze płynie następnie przez przepływomierz i regulator przepływu do otoczenia. Zadaniem regulatora jest utrzymanie  natężenia przepływu na stałym poziomie kontrolowanym za pomocą przepływomierza. Przepływ powietrza przez układ pomiarowy jest wywołany działaniem różnicy ciśnień przed i za układem pomiarowym, np. działaniem pompy próżniowej. Masę powietrza suchego oblicza się z objętości powietrza V, opuszczającego układ pomiarowy w czasie trwania pomiaru, zmierzonej za pomocą przepływomierza np. rotametru; przepływomierz musi być wzorcowany  z wymaganą dokładnością. Masę wody pochłoniętej w czasie pomiaru wyznacza się za pomocą dokładnej dwuramiennej wagi, jako różnicę końcowej i początkowej masy suszek.

  Z opisu metody wynika ze wartości obliczone z danych pomiarowych są wielkościami średnimi w okresie pomiarowym. Jeśli więc układ ma być przeznaczony do wzorcowania innych przyrządów, to powietrze dopływające do komory wzorcowania i stąd kierowane do  grawimetrycznego układu pomiarowego musi mieć w okresie pomiarowym niezmienne parametry; oznacza to , że temp., ciśnienie i wilgotność muszą mieć wartości  mieszczące się  w granicach tolerancji wynikających z ostatecznej wymaganej dokładności pomiaru. Niezbędnym urządzeniem uzupełniającym układ jest więc wytwornica wilgotnego powietrza spełniająca omawiane warunki.

2. Metoda punktu rosy.

Metoda ta wynika z analizy przebiegu procesu ochładzania powietrza w suchych chłodnicach, to znaczy bez jego zetknięcia się z powierzchnią ciekłej lub zestalonej wody.

  a)Wykres właściwości wilgotnego powietrza w układzie Molliera.

  Jeżeli powietrze o temp. t i wilgotności względnej w będzie stykało się suchą powierzchniową o niższej temp. t2 to po pewnym czasie również osiągnie te temp.. Nie zmienia się przy tym zawartość wilgoci x, lecz tylko wilgotność względna powietrza w. Wreszcie osiągnięty zostanie stan określony na wykresie punktem R to znaczy gdy powietrze stanie się nasycone - w tym stanie para wodna zawarta w powietrzu jest parą suchą nasyconą. Dalsze obniżenie temp. powierzchni chłodzącej. Masa pary wodnej musi skropić się do fazy ciekłej przy temp. wyższych od 0 C i do fazy stałej przy temp. niższych. Zjawisko to związane jest z wydzielaniem kropelek wody (wody lub mgły wodnej) lub kryształów lodu (lodu, mgły lodowej). Ponieważ pow. chłodząca jest jednocześnie skutecznie działającym ośrodkiem skraplania, to na niej wydzieli się wilgoć. Pojawienie się np. zmętnienia na błyszczącej pow. chłodzącej świadczy o ściągnięciu temp. Tak zwanej temp. punktu rosy. Temp. ta jest względnie stabilna gdyż skraplaniu pary wodnej towarzyszy wydzielanie się ciepła parowania lub ciepła sublimacji, co przeciwdziała obniżeniu się temp. pow. chłodzącej.

b)Higrometr punktu rosy.

W naczyniu wykonanym z materiału dobrze przewodzącego ciepło o wypolerowanej (srebrzystej, złoconej lub chromowanej) pow. znajduje się łatwo parująca ciecz( np. eter). W cieczy zanurzony jest termometr oraz rurka połączona elastycznym przewodem z gruszką. Rurka ma   w zanurzonym końcu otworki. Ponadto w korku mocującym termometr i rurkę napowietrzającą jest jeszcze umieszczona rurka odpowietrzająca. W stanie równowagi cieplnej z otoczeniem powierzchnia naczynia jest błyszcząca. Powietrze tłoczone pod zwierciadło cieczy za pomocą gruszki nasyca się para cieczy; odparowanie odbywa się kosztem energii cieplnej pobieranej z kąpieli; w rezultacie następuje obniżenie jej temp.. Gdy temp. ta osiągnie punkt rosy wówczas polerowana pow. ulega łatwo zauważalnemu zmętnieniu. Termometr zanurzony w kąpieli wskazuje poszukiwaną temp. punktu rosy, gdyż przedmuchiwanie powietrza przez kąpiel powoduje nie tylko odparowanie cieczy ale również jej wymieszanie , a tym samym wyrównanie temp. w całej masie. Wybór odpowiedniego materiału naczynia (np. miedzi) pozwala na uzyskanie niedostrzegalnego spadku temp. w ściance naczynia także temp. jej pow. można przyjąć jako równą temp. kąpieli.

c)Higrometr punktu rosy wg. Halbana i Siedentopfa.

Masywny pręt o średnicy 25 mm, wykonany z mosiądzu ma pow. chromowaną i polerowana na wysoki połysk. Pręt ten jest dolnym końcem zanurzony w kąpieli o temp. niższej od temp. punktu rosy, a górnym kąpieli o temp. wyższej. Głębokość zanurzenia wynosi 100 mm. Pozostała część pręta mieści się w szklanej rurze przez którą przepływa badane powietrze. Powietrze dopływa do przestrzeni pomiarowej przez spiralna rurkę zanurzona w kąpieli górnego naczynia. Aby jego temp. była równa temp. pręta w górnym końcu. Wymiana ciepła na drodze przewodzenia przez pręt miedzy dolnym a górnym naczyniem powoduje powstanie w pręcie gradientu temp. Temp. elementu pow. pręta jest więc funkcją jego odległości od jednego z końców. Jednoznaczność wskazań przyrządu wymaga niezmienności temp. górnej i dolnej kąpieli. Przy przepuszczaniu gazu przez komorę pomiarową obserwuje się zmętnienie dolnej części pręta rozpoczynające się na wysokości, na której temp. pow. pręta jest równa temp. punktu rosy. Rodzaj kąpieli termostatycznych dobierany jest w zależności od przewidywanego zakresu pomiarowego.

d)Przyrząd Ranke'a do ciągłego pomiaru temp. punktu rosy.

Badane powietrze dopływa przewodem do komory pomiarowej trafiając na polerowaną pow. zwierciadła. Przewodem pow. jest usuwane na zew. przyrządu. Zwierciadło jest z drugiej strony omywane chłodziwem dopływającym przewodem jednym a odpływającym przewodem drugim. Temp. chłodziwa musi być niższa od temp. rosy. Układ optyczny przyrządu składa się ze źródła światła zasilanego z sieci prądu zmiennego przez transformator. Na drodze strumienia światła odbitego w zwierciadle znajduje się fotokomórka współpracująca ze wskaźnikiem dwupołożeniowym sterującym działaniem grzejnika elektrycznego umieszczonego w przewodzie chłodziwa zasilającym komorę pomiarową. Pod zwierciadłem zwierciadłem znajduje się czujnik termometru elektrycznego współpracującym ze wskaźnikiem. Działanie układu jest następujące. Zamglenie zwierciadła o temp. niższej od temp. punktu rosy, wywołana skraplaniem się na jego pow. wilgoci z powietrza, powoduje powstanie impulsu w fotokomórce, który po wzmocnieniu w przekaźniku powoduje wyłączenie wskaźnika. Gdy temp. chłodziwa wzrośnie ponad temp. punktu rosy, znika zamglenie zwierciadła, a ponowny impuls wywołany działaniem fotokomórki powoduje wyłączenie grzejnika. Dwupołożeniowe sterowanie pracą grzejnika powoduje oscylowanie temp. chłodziwa omywającego zwierciadło a więc również temp. jego pow. około temp. punktu rosy. Miernik pozwala na odczytanie lub rejestrację przebiegu zmian temp. chłodziwa.

3. Metody psychrometryczne.

Metody te polegają na wykorzystaniu zjawiska obniżaniu temp. wilgotnej pow. przy przepływie powietrza nienasyconego. w miarę wzrostu stopnia nasycenia spadek temp maleje a przy omywaniu pow. nasyconym powietrzem jest temp. równa temp. powietrza. Zakładając adiabatyczność procesu oraz pomijając wszelkie uboczne wpływy można temp. zwilżonej pow. traktować jako temp. adiabatycznego nasycenia przy użyciu wody o tej właśnie temp.. Jest to więc punkt przecięcia prostej o pochyleniu określonym współczynnikiem kierunkowym

gdzie  i jest entalpią wody nasycającej powietrze z izotermą określającą temp. powietrza T = const.

Tak opisane zjawisko wskazuje równocześnie metodę pomiaru wilgotności powietrza przyjęta prze Augusta. Zespół pomiarowy zwany psychrometrem Augusta składa się z dwóch jednakowych termometrów których czujniki sa kulami zwykle o średnicy 10 mm. Czujnik jednego z termometrów jest owinięty tkaniną której koniec zanurzony w naczyniu z wodą zapewnia stałe zwilżenie czujnika. Termometr bez zwilżonego czujnika zwany termometrem suchym wskazuje temp. omywającego go powietrza. Drugi zwany termometrem wilgotnym, temp. obniżona w skutek odparowania wody z tkaniny. Różnica wskazań obu termometrów nosi nazwę różnicy psychrometrycznej i jest miara wilgotności powietrza. Powietrze może omywać czujniki termometrów w sposób nie wymuszony lub wymuszony Psychrometry Augusta stosowane są zwykle bez wymuszonego przepływu powietrza.               

4. Psychrometr aspiracyjny Assmanna

Czujniki termometrów maja kształt walcowy o średnicy 4 - 4.5 mm i dł. 8 - 12 mm. Termometry są osadzone w obudowie tak, ze czujniki znajdują się w kanałach. Przez te kanały płynie powietrze zasysane za pośrednictwem wspólnego kanału przez wentylator. wentylator może być napędzany silnikiem elektrycznym lub mechanizmem sprężynowym. Kanały są w otoczeniu silników wyposażone w rurki ekranujące w celu wyeliminowania wypływu promieniowania. Powietrze omywa czujniki termometrów ze stałą prędkością do 2.5 m/s. Tkanina czujnika termometru wilgotnego nawilżana jest woda destylowaną każdorazowo przed pomiarem.

Ze względu na dokładność psychrometru Assmanna może być używany jako przyrząd wzorcowy.

5. Metody higroskopowe.

Metody te polegają na wykorzystaniu pewnych właściwości ciał zmieniających się w zależności od wilgotności względnej otaczającego go powietrza.

a) Higroskopy włosowe - w tych przyrządach wykorzystano właściwość pęcznienia odtłuszczonych włosów ludzkich pod wpływem nawilżania. Włos taki znajdujący się w atmosferze wilgotnego powietrza adsorbuje wilgoć aż do uzyskania stanu równowagi z otaczającym pow.. Wydłużenie włosa pod wpływem jego pęcznienia jest miara wilgotności względnej. ze względu na stosunkowo małą wytrzymałość włosów a jednocześnie pokonania sił tarcia w mechanizmach oraz naciągu wstępnego stosuje się pasma złożone z kilkudziesięciu włosów. Higroskop wymaga okresowego wzorcowania, odbywa się to przez nałożenie na przyrząd osłony wyłożonej od wew. wilgotną flanelą.

6. Metody higrometryczne.

Metody te, z zasady pośredniej pozwalają na wyznaczenie wilgotności bezwzględnej. Obecnie najbardziej rozpowszechnione przyrządy pomiarowe wykorzystują zjawiska sorpcji, przy czym do wykrywania zmian określonych właściwości fizycznych czujników i przenoszenia impulsów do mierników wykorzystuje się metody elektryczne. Dlatego też często metody te nazywane są metodami elektrycznymi.

Przyrządy te można podzielić na 4 rodzaje w zależności od wielkości fizycznej zmieniającej się pod wpływem zmiany wilgotności  bezwzględnej powietrza , a mianowicie: pojemności i odporności elektrycznej, temp. czujnika oraz ciepła sorpcji.

a) Higrometry pojemnościowe - przykładem takiego higrometru sorpcyjnego jest przyrząd opracowany przez Johnsona. Jego czujnik jest szczególnego rodzaju kondensatorem w kształcie prostokątnej płytki o wymiarach 40/3/1 mm przez elektrolityczne trawienie chemicznie czystego aluminium otrzymuje się mikroporowatą warstewkę tlenku na podłożu aluminium. Warstewkę te charakteryzują mikrokanaliki przebiegające od pow. w głąb materiału, a głębokość ich zależy od czasu trwania. Pow. warstwy tlenku Al pokryta jest warstewką złota naniesionego tak, aby mikropory pozostały otwarte. W rezultacie otrzymuje się kondensator o dosyć złożonej strukturze, którego okładzinami sa podłoża aluminiowe oraz warstewka naparowanego złota. dielektrykiem jest mikroporowata oraz lita warstewka tlenku aluminium. Zmiana wartości wilgoci zawartej w mikroporach określona krzywymi sorpcji powoduje zmianę właściwości dieelektrycznych warstewki mikroporowatej. Pomiar pojemności kondensatora umożliwia, na podstawie znanej krzywej cechowania określenie wilgotności bezwzględnej powietrza będącego w stanie równowagi z czujnikiem. dodatkowy pomiar temp. powietrza pozwala na określenie wilgotności względnej.

b) Higrometry oporowe - zasada działania polega na pomiarze zmiany przewodności elektrycznej higroskopijnej warstwy czujnika pod wpływem zmiany wilgotności powietrza. czujnik uzyskuje stan równowagi z otaczającym powietrzem pod wpływem sorpcji. dlatego też odróżnia się dwa rodzaje czujników:

-z warstwą higroskopijną adsorbującą wilgoć

-z warstwą, w której zachodzi absorpcja wilgoci

Przykładem pierwszej grupy jest czujnik węglowy w którym elementem czynnym jest warstwa napylonego węgla będącego dobrym przewodnikiem prądu. Adsorbowana woda jako zły przewodnik zwiększa opór elektryczny. Warunkiem prawidłowej pracy czujnika jest wyeliminowanie przewodności jonowej, dlatego tez czujnik nie może pracować w powietrzu zanieczyszczonym solami jonotwórczymi. Jednocześnie brak przewodności jonowej pozwala na zasilanie czujnika prądem stały, gdyż nie występuje tu zjawisko polaryzacji. Czujniki te mają małą bezwzględność. Występuje w nich jednak zjawisko starzenia powodujące zmianę charakterystyki statycznej przyrządu.

   Zasada działania drugiej grupy przyrządów polega na pomiarze zmian przewodności elektrolitycznej roztworów soli utrzymujących równowagę z otoczeniem przez absorpcję wilgoci. Przewodność elektryczna roztworów o dużym stężeniu maleje ze wzrostem stężenia, a zatem również ze zmniejszeniem się wilgotności powietrza.

7. Metodyka pomiaru wilgotności.

Przy wykonywaniu pomiarów wilgotności istotne znaczenie ma miejsce ustawienia czujników pomiarowych względnie miejsce poboru próbki jeśli pomiar odbywa się za pomocą przyrządów przepływów. Podstawowym składnikiem pomiarów wilgotności jest pomiar temp.. W każdym przyrządzie do pomiaru wilgotności w którym istnieje możliwość zniekształcenia wyników pomiarów temp. przez wpływ promieniowania stosuje się pojedyncze lub nawet podwójne ekrany osłaniające czujniki termometrów.

  Przy stosowaniu przyrządów stosowanych w sieci elektrycznej należy zwracając uwagę na możliwości wahania napięcia. Gdy zmiany napięcia są częste i znaczne, a sam przyrząd jest wyposażony w urządzenia stabilizujące wówczas przyrządy należy zasilać przez samoczynnie działające stabilizatory napięcia.

Przy pomiarach psychrometrycznych należy pamiętać aby czujnik wilgotnego termometru był zawsze mokry. Należy używać wody destylowanej, gdyż stosowanie wody surowej prowadzi z biegiem czasu do coraz większych błędów pomiarowych.

  Przy stosowaniu oporowych czujników węglowych należy zwrócić uwagę na obecność w powietrzu hydrolizujących soli. Sole takie osiadając w warstwie napylanego węgla tworzą adsorbowaną wodą roztwory i zamiast izolującej właściwości czystej wody powodującej zmniejszenie przewodności elektrycznej czynnej warstwy otrzymuje się jonową przewodność roztworów zmagającą przewodność warstwy czynnej, a tym samym czujnik staje się nie zdatny do użytku z powodu odstępstw do krzywej wzorcowania.

elektrolityczne czujniki oporowe nie powinny być stosowane do pomiarów powietrza o wilgotności przekraczającej 90 - 95 %, gdyż grozi to zmyciem czynnej warstwy elektrolitu.

  W przypadku gdy do pomiaru wilgotności są stosowane przyrządy wymagające poboru próbki powietrza, istotne znaczenie ma doprowadzenie  próbki do przyrządu w sposób nie powodujący zmianę wilgotności bezwzględnej. Ma to szczególne, gdy temp. mierzonego gazu jest wyższa od temp., w której znajduje się przyrząd. W takim przypadku może zajść potrzeba podgrzewania przewodów łączących punkt poboru próbki z przyrządem pomiarowym.