TERMOTEHNICA - DETERMINAREA UMIDITATII AERULUI CU AJUTORUL PSIHROMETRULUI ASSMAN

TERMOTEHNICA - DETERMINAREA UMIDITATII AERULUI CU AJUTORUL PSIHROMETRULUI ASSMAN

1.Generalitati. Definitii

Aerul atmosferic uscat este un amestec de mai multe gaze dintre care unele se gasesc in cantitati atat de mici incat pot fi ignorate atunci cand este vorba de componenta aerului atmosferic.

Cele 4 elemente de baza care intra in componenta aerului atmosferic sunt:azotul,oxigenul,argonul si bioxidul de carbon.

In realitate nu se gaseste in atmosfera un aer absolute uscat,intrucat el este intodeauna incarcat cu vapori de apa a caror continut variaza atat in valori absolute,cat si in valori relative.

Aerul uscat impreuna cu vaporii de apa formeaza aerul umed. In raport cu cantitatea de vapori de apa continuta,aerul umed poate fi nesaturat,saturat si suprasaturat. Cantitatea de vapori de apa necesara saturarii unui volum de aer dat,creste cu temperatura acestuia. Parametrii principali ai aerului umed sunt:presiunea,temperatura,umiditatea,greutatea specifica,volumul specific si entalpia.

Sa definim acesti termini conform STAS 1235-55.

Presiunea

Se stie ca orice gaz aflat intr-un volum inchis exercita asupra peretilor acestuia o apasare care a fost numita "presiune partiala".

Considerand atmosfera ca un amestec de aer uscat si vapori de apa,presiunea atmosferica sau barometrica reprezinta dupa legea lui Dalton suma presiunilor partiale a acestor doi componenti,daca :

p=p_a+p_r [N/m²] sau [Kgf /m²] (5.1)

unde : p este presiunea barometrica :[N/m²]

p_a este presiunea partial a aerului uscat [N/m²]

p_v= este presiunea partial a vaporilor de apa [N/m²]

p_a=287 T/V_a [N/m²]

p_v=461,5 T/V_v [N/m²]

Temperatura

Temperatura aerului ne indica gradul de incalzire. Daca temperatura aerului este masurata de un termometru obisnuit,valoarea obtinuta poarta numele de "temperatura termometrului uscat",notandu-se cu t.

Daca temperatura aerului este masurata cu un termometru obisnuit al carui rezervor este infasurat intr-o panza imbibata cu apa; datorita evaporarii apei din panza se consuma o cantitate de caldura egala cu caldura latenta de vaporizare,ceea ce face ca temperatura ecestui termometru sa fie mai mica decat teperatura aerului uscat. Aceasta temperatura se numeste "temperatura termometrului umed" si se noteaza cu t'.

Daca se raceste treptat un volum de aer umed vaporii continuti incep sa satureze aerul si la un moment dat se condenseaza producand ceata. Temperatura aerului masurata in acest moment cu un termometru obisnuit se numeste "temperatura punctului de roua

Umiditatea aerului

Prin umiditatea se intelege in general cantitatea de vapori de apa ce e continuta in unitatea de masa sau de volum a aerului.

Umiditatea absoluta a aerului umed sau concentratia vaporilor "a" se numeste cantitatea de vapori de apa (exprimata in g sau Kg) care este continuta intr-un m³ de aer umed,adica: a=G_v/V_u [g (vapori de apa)/m³ (aer umed)] sau [Kg (vapori de apa)/m³ (aer umed)] (5.2) unde G_v este masa vaporilot de apa iar V_u este volumul aerului umed.

In cazul cand aerul umed,atunci se defineste "umiditatea absoluta maxima" sau "concentratia maxima " a vaporilor: a_s=G_vs/V_u [[g sau Kg] vapori de apa saturati/m³ aer umed] (5.2') unde G_vs este masa vaporior de apa in stare de saturatie.

Umiditatea relative a aerului umed este raportul dintre umiditatea absoluta si umiditatea absoluta maxima la saturatie,la aceiasi temperatura si presiune barometrica,adica:

(5.3)

In limitele de temperatura -30 ⁰C si pana la +150⁰C se poate considera amestecul de aer si vapori de apa ca un amestec de gaze perfecte.

Tinand seama de acest lucru se poate da si o alta definitie a umiditatii relative si anume ca fiind raportul dintre presiunea vaporilor si presiunea de saturatie adica

p_v este presiunea vaporilor de apa la temperatura si presiunile date si p_s presiunea de saturatie.

Continutul de umiditate sau raportul de amestec x al aerului umed se numeste cantitatea de vapori de apa (exprimata in g sau Kg) ce revine unui Kg de aer uscat,adica:

x=G_v/G_a [[Kg sau g] vapori de apa/Kg de aer uscat] (5.5)

G_v masa vaporilor de apa,G_a masa aerului.

in cazul cand aerul umed este saturat, se defineste continutul maxim de umiditate sau raportul maxim de vapori x_s.

x_s= G_vs/G_a [[Kg sau g] vapori de apa saturati/Kg de aer uscat] (5.5')

gradul de saturatie al aerului umed este raportul dintre continutul de umiditate x la un moment dat,fata de continutul maxim de umiditate x_s,adica:

(5.6)

Masa specifica(densitatea) se defineste ca fiind raportul dintre masa sa G_u exprimata in Kg si volumul sau V_u exprimat in m³ adica :

se demonstreaza ca: (5.7')

unde este masa specifica a aerului uscat in [Kg/m³] determinate la aceiasi temperatura cu temperatura aerului umed si la presiunea lui partial. este masa specifica a vaporilor de apa in [Kg/m³] la temperatura si gradul de saturatie al aerului umed.

Volumul specific V_u al aerului umed se defineste ca fiind raportul dintre volumul V_u xprimat in m³,al aerului umed si masa G_u exprimata in Kg adica:

V_u=V_u/G_u [m³/Kg]

se stie ca produsul

Caldura specifica

Dupa cum se stie la gaze se deosbesc 3 feluri de calduri specific,avand in vedere evolutia termodinamica a gazului respective si anume:

-caldura pecifica su presiune constanta C_p

-caldura specifica sub volum constant C_v

-caldura specifica politropica C_n

In cazul aerului umed ne va interesa in special caldura specifica C_pu si u' raportata la masa de aer uscat.

Intru cat intr-un volum de aer umed in car se afla un Kg de aer uscat se gasesc x Kg de vapori de apa rezulta ca la caldura specifica sub presiune ct. de un bar,C_pu' reportata la masa de aer uscat va fi :

C_pu'=C_pa+xC_pv [KJ/Kg aer uscat grd] unde C_pa este caldura specifica sub presiune de un bar a aerulu uscat exprimata in KJ/Kg grd,C_pv caldura specifica sub presiune ct. de 1 bar a vaporilor de apa in KJ/Kg grd.,x continutul de umiditate al aerului umed in Kg vapori apa. In aplicatiile tehnice se considera: C_pa=1,005 KJ/Kg K si C_pv=1,87 KJ/Kg K deci C_pu'=1,005+1,87x KJ/Kg K sau in sistemul ethnic C_pa=0.242Kcal/Kg⁰C,C_pv=0,446 Kcal/Kg⁰C de unde C_pu'=0,242+0.446x Kcal/Kg⁰C.

Entalpia i_u a aerului umed este cantitatea de caldura inmagazinata de amestecul de aer uscat cu vaporii de apa ce se raporteaza la masa de aer uscat.

Entalpia aerului umed este suma entalpiei aerului uscat si a entalpiei vaporilor de apa,adica: i_u'=i_a+xi_v KJ/Kg aer uscat sau Kcal/Kg (5.8) unde i_v entalpia aerului exprimat in KJ/Kg si i_v entalpia vaporilor exprimat in KJ/Kg.

entalpia vaporilor de apa i_v la o temperatura oarecare T considerand conventional ca zero entalpia apei la temperatura de 0 ⁰C sub presiunea de saturatie corespunzatoare va fi:

i_v=l_v+c_pvt [KJ/Kg] (5.8') unde: l_v este caldura latenta de vaporizare a apei la temperatura de 0 ⁰C si sub presiunea de saturatie corespunzatoare si care pentru aplicatii telnice se considera: l_v=2501 [KJ/Kg] sau 600[Kcal/Kg].

Tinand sema de cele de mai sus rezulta ca i_u'=i_a+xi_v=C_pat+x (l_v+C_pt) [KJ/Kg].

Inlocuind valorile tehnice utilizate pentru C_pa,C_pv si l_v se obtine in final:

i_u'=2501x+(1,005+1,87x)t [KJ/Kg aer uscat] sau i_u'=600x+(0,242+0,446x)t [Kcal/Kg aer uscat].

2.Metode si aparate

Aparatele care masoara direct sau indirect umiditatea aerului se numesc higrometre. Ele pot fi:-higrometre indicatoare-aparate care dau indicatii numai asupra valorilor instantanee.

-higrometre inregistratoare (higografe)-aparate ce inregistreaza succesiunea valorilor momentane.

-higrometre indicatoare-inregistratoare,aparate ce indeplinesc ambele functii.

Pentru determinarea umididatii aerului cea mai folosita metoda este:

1.Metoda psihrometrica

Aceasta metoda se bazeaza pe relatia dintre umiditatea relative a aerului si diferenta temperaturilor indicate de un termometru uscat si un termometru umed. Intru cat titlul lucrarii de fata este tocmai determinarea umiditatii de aer cu ajutorul psihrometrului sa studiem mai amanuntit aceasta metoda.

Din practica individuala umiditatea relativa a aerului se determina cu ajutorul a doua tipuri de psihometre: psihometrul Auguste si psihometrul Assman.

Psihometrul Auguste (fig 5.1) este un aparat mai simplu ce se intalneste des in intreprinderile industriale. El se compune din doua termometre identice. Unul din termometre, de obicei cel din stanga, are rezervorul sau descoperit (in aer liber); acesta este termometrul uscat. Cel de-al doilea termometru are rezervorul sau infasurat intr-un saculet din material textil, capatul tesaturii fiind inmuiat intr-un pahar de apa. Datorita higroscopicitatii tesaturii, apa din pahar se ridica si umezeste rezervorul termometrului.

In consecinta cel de-al doilea termometru se numeste termometru umed.

In urma evaporarii lichidului de pe suprafata termometrului umed, temperatura aerului din mediul inconjurator al rezervorului umed coboara datorita caldurii consumate de aer pentru evaporarea umiditatii, de aceea termometrul umed indica temperatura mai scazuta decat cel uscat.

Diferenta de temperaturi rezultata di indicatiile termometrului umed si a celui uscat se numeste diferenta psihometrica.

Este evident ca cu cat aerul este mai uscat cu atat evaporarea lichidului de pe rezrvorul termometrului umed se va face mai intens si in consecinta cu atat mai mare va fi diferenta psihometrica si invers.

In cazul cand aerul este saturat cu vapori cu apa, diferenta psihometrica este egala cu zero, ambele termometre indicand aceeasi temperatura, intrucat in acest caz nu se mai evapora lichidul de pe suprafata rezervorului termometrului umed.

Sa vedem cum se determina umiditatea relativa a aerului atunci cand se cunoaste temperatura lui dupa termometrul uscat "t" si temperature lui dupa termometrul umed "t".

Cantitatea de umiditate G evaporata de pe suprafata rezervorului termometrului umed se determina cu ajutorul formulei lui Dalton:

unde:

F-este suprafata rezervorului termimetrului umed in m²;

c-coeficientul de evaporare, el indicand cantitatea de umiditate in kg. ce se evapora de pe 1 m² de suprafata a lichidului, pe ora, datorita diferentei presiunii partiale a vaporilor de apa deasupra suptafetei apei si vaporilor de apa din mediul ambiant de 1mm. col. Hg. (in kgf/m², N/m sau in mm. col. Hg. sau torr).

P_s um-este presiunea partiala a vaporilor de apa saturati la temperatura termometrului umed (mm. col. Hg.)

P_v-este presiunea partial a vaporilor de apa din aerul ambient in (mm.col.Hg.);

760-este presiunea atmosferica normal in (mm.col.Hg.);

p-este presiunea atmosferica reala in (mm.col.Hg.);

Cantitatea de caldura Q₁ consumata pentru evaporarea acestei cantitati de apa va fi:

l_v-caldura latent de vaporizare a unui kg de apa la temperature t, exprimata in [kj/kg];

Pe de alta parte, cantitatea de caldura Q₂ transmisa din aer pe suprafata umeda a rezervorului va fi, dupa legea lui Newton:

unde

α-este coeficientul de trecere a caldurii din aer pe suprafata umeda a rezervorului termometrului umed in [kcal/m² grad]. Aici s-a neglijat cedarea caldurii vaporilor de apa la racirea lor de la t la t', datorita valorilor mici.

Intrucat caldura consumata pentru evaporarea umiditatii de pe rezervorul umed se ia din aer, este evident ca Q₁=Q₂, adica:

de unde:

Daca se noteaza :

se obtine:

Cunascand pe P_v se poate determina usor umiditatea relative a aerului . Intr-adevar:

unde

P_a usc-este presiunea partiala a vaporilor de apa in stare saturata corespunzatoare termometrului uscat P_a usc se determina din tabele in functie de t_usc de obicei la p=760.

Ultima expresie reprezinta formula psihometrica.In aceasta formula factorul A se numeste coeficientul psihometric, el depinde, in afara de constantele l_v si 760, si de coeficientul α si c care depend la randul lor de viteza de deplasare a aerului in dreptul rezervorului termometrului umed. Valoarea lui A poate fi determinate cu umatoarea relatie empirica:

unde v este viteza de deplasare a aerului in dreptulrezervorului termometrului umed in m/sec.

In fig. 5.2 este data curba de variatie a lui A=f(v)

Din aceasta figura se vede ca la viteze mici de deplasare a aerului coeficientul psihometric este supus la variatii bruste, iar la viteze mari curba se apropie asymptotic de valoarea constanta A=6510^-6. In consecinta, pentru masurarea corecta a umiditatii relative a aerului cu ajutorul psihometrului, pe langa t si t' va trebui sa cunoastem si viteza de deplasare a aerului in dreptul rezervorului termometrului umed.

In afara de aceasta la viteze mici de deplasare a aerului, masuratorile vor fi mai putin precise decat la viteze mari, deoarece cu cat viteza de deplasare va fi mai mare cau atat valoarea A va fi mai stabile si deci masuratoarea va fi mai exacta.

Psihometrul de aspiratie Assman

S-a vazuta ca precizia masuratorilor psihometrului creste cu viteza de deplasare a aerului. De aceea pentru masuratori mai exacte se foloseste psihometre cu rezervoare vanturate sau psihometre cu aspiratie. Un astfel de psihometru este psihometrul Assman. In acest psihometru ambele rezervoare ale termometrului sunt inchise cu niste aparatoere metalice 1 care sunt montate in tuburile 2. Tuburile 2 sunt insurubare in inelul 3, necomunicand cu aparatorile 1, astfel ca intre aparatorile 1 si tubul 2 se formeaza un strat de aer ce apara rezervoarele de actiunea razelor calorice (fig. 5.3).

Aparatorile 1 sunt legate de tubul 4 ce duce aerul la ventilatorul atasat la capatul dispozitivului 5, ventilator ce este pus in miscare de un resort sau un electromotor. Ventilatorul aspira aerul prin aparatorile 1 cu o viteza de aproximativ 2,5 m/s, aer care intra apoi in tubul 4 si e refulat prin punctual 6.

Unul din rezervoare este inmuiat intr-un manson de tiron sau batista ce e umezit cu apa cu ajutorul unei pipete.

Pentru simplificarea calculelor, in practica se utilizeaza de obicei, pentru determinarea umiditatii relative, tabelele psihometrice.

Aceste tabele sunt intocmite pentru diverse viteze de miscare a aerului (deci pentru diferitele valoari a le lui A). In functie de temperature termometrului umed si a celui uscat se gaseste imediat valoarea umiditatii relative.

Eroarea este de 0,2 - 1,2% fata de valoarea lui calculata cu ajutorul formulei psihometrice.

Umiditatea relative a aerului se poate stabili cu o precizie suficienta si cu ajutorul diagramei i-x a aerului umed. Sa presupunem pentru aceasta ca sunt cunoscute temperaturile t si t' determinate cu ajutorul psihometrului de aspiratie. La o vanturare sufficient de puternica a rezervorului termometrului se formeaza in jurul suprafetei, in schimb de caldura si de umiditate intre aer si apa apropiat de schimbul complet. In consecinta in zona imediat invecinata cu rezervorul termometrului umed unde se va stabili o temperature a aerului egala cu t' la =100 Aceasta stare se caracterizeaza in diagram prin punctual g₁ (fig. 5.4)

Deoarece compararea umiditatii de pe suprafata rezervorului termometrului umed in conditiile stabilite se face datorita continutului de caldura a aerului este evident ca procesul de umidificare a starii aerului decurge pe linie izentalpica g-g₁. Punctul g de intersectie a acestei linii cu izoterma corespunzatoare temperaturii t a termometrului uscat, caracterizeaza starea aerului din incaperea respective. Cunoscand pozitia punctului g se determina usor valoarea umiditatii retative a aerului din incapere.

III. Mersul lucrarii

In aceasta lucrare se va determina umiditatea relative a aerului in laborator cu ajutorul psihometrului, folosind relatia psihometrica, tabele psihometrice si diagram i-x.

Experienta se executa astfel:

1-se introduce material textile (ce se afla in trausa aparatului) pe rezervorul termometrului umed;

2-se introduce eprubeta (pipeta) cu apa sub termometrul umed pentru a umezi invelisul textile al rezervorului acestuia;

3-se intoarce cu ajutorul cheii arcul ventilatorului pana la refuz usor, punandu-se in miscare ventilatorul;

4-se urmaresta variati termeraturii celor 2 termometre pana la stabilirea temperaturilor (dupa circa 4 minute) cand se citesc indicatiile ambelor termometre. Se executa experienta de 5 ori;

5-se calculeaza umiditatea relative prin cele 3 metode;

6-rezultatele experimentale se trec in tabelul 1;

7-se trag concluzii assupra celor 3 metode de determinare a umiditatii relative.

IV. Rezultatele experimentale