Wpr_do_ćwiczeń_lab_9a.doc

Politechnika Wrocławska                                                                                                                           Wrocław 18.06.2007r

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa

i Geologii

TEMAT 144: Wilgotność powietrza, rodzaje mierzonych wilgotności, zasady działania i budowa przyrządów do pomiaru wilgotności, stosowane w praktyce kopalnianej przyrządy do pomiaru wilgotności.

Wykonał:                                                                                                                                                                                                                  Prowadzący:

Wałkowski Marcin                                                                                                                                             dr inż. Franciszek Rosiek

Mail: walek.to@poczta.fm

Spis treści

1. Wstęp

Czyste powietrze atmosferyczne, będące, jak wiadomo, mieszaniną gazów chemicznie obojętnych względem siebie, zawiera zawsze pewną ilość pary wodnej. Inaczej mówiąc powietrze atmosferyczne jest zawsze wilgotne. Możemy jednak wprowadzić pojęcie powietrza suchego, tj. powietrza atmosferycznego w którym pomija się obecność pary wodnej. Ilość zasadniczych składników powietrza suchego, tj. azotu i tlenu, jak również dwutlenku węgla, wykazują dużą stałość, nawet w powietrzu zanieczyszczonym, w dużych miastach lub ośrodkach silnie uprzemysłowionych, zawartość azotu i tlenu utrzymuje się bez istotnych zmian, tylko ilość dwutlenku węgla nieco wzrasta, rzadko jednak przekraczając objętościowo 0,05%.

Inaczej rzecz przedstawia się w odniesieniu do pary wodnej, której zawartość w powietrzu atmosferycznym zmieniać się może w szerokich granicach. Na przykład w naszym klimacie jej udział objętościowy waha się od około 0,08 do 2,5%.

Ze względu na to, że w pewnych warunkach zachowanie się pary wodnej zawartej w powietrzu jest inne niż składników powietrza suchego, wygodnie jest rozpatrywać powietrze wilgotne jako mieszaninę tylko dwóch składników: powietrza suchego i pary wodnej. Powietrze suche traktowane jest wtedy jako gaz jednorodny, co jest możliwe dla tego, że skład jego nie ulega zmianie.

Stan gazu wchodzących w skład powietrza suchego jest odległy od ich punktów krytycznych i dla tego powietrze suche ma własności zbliżone do własności gazu doskonałego.

Para wodna występuje w powietrzu przeważnie w stanie przegrzanym i przy niskich ciśnieniach, można wiec i do niej stosować prawa, którym podlegają gazy doskonałe, a przede wszystkim równanie stanu Clapeyrona

                                          (1)

gdzie              p – ciśnienie gazu, Pa,

              V – objętość gazu, m3,

              m – masa gazu, kg,

              R –stała gazowa; stała gazowa powietrza suchego ; stała gazowa pary wodnej ,

              T – temperatura bezwzględna gazu, K.

Często ciśnienie powietrza i jego składników wyraża się w mm Hg, jak to przyjęto w meteorologii. Gdyby w równaniu stanu ciśnienie wyrazić w kPa, wówczas wartość i wymiar stałej gazowej R musiała by ulec zmianie. Do powietrza wilgotnego, jako do mieszaniny gazów o własnościach zbliżonych do gazów doskonałych, można stosować prawo Daltona. W myśl tego prawa ciśnienie powietrza wilgotnego p jest sumą ciśnienia cząstkowego powietrza suchego ps i ciśnienia cząstkowego pary wodnej pp

              [Pa]                                          (2)

Należy przypomnieć, że ciśnienie cząstkowe dowolnego składnika mieszaniny gazów jest równe ciśnieniu, które miałby on zajmując całą objętość rozpatrywanej mieszaniny i mając jej temperaturę. Zawartość pary wodnej w jednostce objętości powietrza wilgotnego może być różna, nie może ona jednak przekroczyć pewnej, ściśle określonej wartości maksymalnej, zależnej od ciśnienia i temperatury. Im temperatura powietrza jest wyższa a ciśnienie niższe, tym większa jest maksymalna zawartość pary wodnej w powietrzu. Jeżeli przy danym ciśnieniu i temperaturze powietrze zawiera maksymalną ilość pary wodnej, to jest ono nasycone.

W innych przypadkach mamy do czynienia z powietrzem nienasyconym.

W powietrzu nasyconym para wodna znajduje się w stanie suchym nasyconym, w powietrzu nienasyconym – w sanie przegrzania. Stąd wynika, że w powietrzu nasyconym o temperaturze niższej od 100ºC cząstkowe ciśnienie pary wodnej jest równe ciśnieniu nasycenia, odpowiadającemu temperaturze powietrza; w powietrzu nienasyconym cząstkowe ciśnienie pary wodnej jest mniejsze od ciśnienia pary nasyconej przy danej temperaturze powietrza [1].

2. Wilgotność powietrza, rodzaje mierzonych wilgotności

Wilgotność powietrza może być bezpośrednio wyrażona w różnej formie, przez każdą z czterech następujących wielkości [1]:

- wilgotność bezwzględną,

- wilgotność względną,

- wilgotność właściwą,

- stopień nasycenia.

Wilgotnością bezwzględną powietrza nazywa się masę pary wodnej – wyrażoną w kilogramach lub gramach – zawartej w 1 m3 powietrza wilgotnego.

              Przypuśćmy, że w 1m3 powietrza, którego wilgotność bezwzględna, tj. masa pary wodnej w nim zawartej, wynosi m kg. Z określenia ciśnienia cząstkowego wynika, że mp kg pary, zapełniając objętość 1m3, miałoby ciśnienie równe właśnie jej ciśnieniu cząstkowemu w mieszaninie. Wilgotność bezwzględna jest zatem wielkością identyczną z gęstością właściwą pary wodnej przy jej ciśnieniu cząstkowym i temperaturze odpowiadającej temperaturze powietrza. Przyjmujemy wiec dla wilgotności bezwzględnej oznaczenie :

                                          (3)

Wilgotnością względną powietrza φ nazywa się stosunek jego wilgotności bezwzględnej do wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego przy tej samej temperaturze, czyli

                                          (4)

Sens fizyczny wilgotności względnej polega na tym, że wskazuje ona, w jakim stopniu stan powietrza jest odległy od stanu nasycenia, czyli wskazuje zdolność powietrza do pochłaniania wilgoci. Wilgotność bezwzględna ρp powietrza nie nasyconego jest zawsze mniejsza od wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego ρp” przy tej samej temperaturze i dlatego wilgotność względna może być co najwyżej równa jedności. Zachodzi to wtedy, gdy powietrze jest nasycone. Wilgotność względną φ wyraża się często w procentach.

Przy osuszeniu lub nawilżeniu powietrza ilość zawartego w nim powietrza suchego nie ulega zmianie. Z tego względu wygodnie jest ilość pary wodnej znajdującej się w powietrzu wilgotnym odnieść 1kg powietrza suchego, będącego składnikiem powietrza wilgotnego. Ilość pary wodnej, wyrażona w kilogramach, przypadająca na 1kg powietrza suchego nosi nazwę wilgotności właściwej lub zawartości wilgoci i oznacza się ją przez x, kg/kg.

                                          (5)

Można spotkać się z jeszcze jednym pojęciem służącym do oznaczenia wilgotności powietrza, mianowicie stopniem nasycenia powietrza. Jest to stosunek wilgotności właściwej powietrza do wilgotności właściwej powietrza nasyconego w tej samej temperaturze i ciśnieniu [1].

                                          (6)

3. Powietrze wilgotne. Parametry opisujące powietrze wilgotne. Wykres h-x Moliera

              Poniżej opisane zostały najważniejsze pojęcia, oraz parametry dotyczące powietrza wilgotnego, oraz opisany został wykres Moliera oraz sposób korzystania z tego wykresu.

3.1 Powietrze wilgotne

Stężenie pary wodnej, potrzebnej do nasycenia powietrza, jest funkcja jego temperatury. W wyniku obniżenia temperatury powietrza nasyconego część pary ulega skropleniu i powstaje mgła. Wzrost temperatury powietrza nasyconego powoduje osiągnięcie stanu nienasyconego a zawarta w powietrzu para jest nazwana parą przegrzaną. Do mieszaniny powietrza suchego i pary wodnej stosuje się prawa gazu doskonałego:

- równanie stanu: najwłaściwszym równaniem stanu jest równanie Clapeyrona [2]:

                                                                      (7)

gdzie:               R - indywidualna stała gazowa

              p – ciśnienie, Pa,

              T – temperatura powietrza, K,

              ρ – gęstość, kg/m3.

- prawo Daltona              →              p = ps + pp                                                          (8)

gdzie:                p – ciśnienie atmosferyczne, Pa,

              ps – ciśnienie cząstkowe powietrza suchego, Pa,

                            pp – ciśnienie cząstkowe pary wodnej zawartej w powietrzu, Pa.

Gęstość powietrza wilgotnego jest równa sumie gęstości powietrza suchego i pary wodnej [2]:

                                                        (9)

              Para wodna zawarta w powietrzu występuje obok powietrza suchego. Z równania stanu pary wodnej wynika, że jej gęstość [2]

....