ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Лабораторная работа №1

Минск

1. Цель работы: определить относительную и абсолютную влажность воздуха по показаниям гигрометра психрометрического типа ВИТ, научиться использовать психрометрические таблицы и психрометрические диаграммы для определения относительной и абсолютной влажности воздуха, определения парциального давления и давления насыщенного пара, влагосодержания.

Приборы и оборудование: гигрометр психрометрический, шприц.

Краткие теоретические сведения

Пар – газообразное состояние вещества при температуре ниже критической, поэтому при повышении давления газ переходит в конденсированное состояние.

Насыщенным паром называется пар, находящейся в равновесии с жидкостью или твердым телом при данной температуре. В условиях равновесия концентрация пара максимальная, она определяется только температурой.

2.1. Сухой и влажный воздух

Воздух – это смесь азота, кислорода и небольшого количества некоторых других газов. Если в воздухе не содержится водяной пар, то такой воздух называется сухим воздухом. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Влажный воздух – это смесь сухого воздуха и водяного пара. Во влажном воздухе также могут содержаться мельчайшие капельки воды (в виде тумана) или кристалликов льда. Состав сухого воздуха остается практически постоянным, а количество водяного пара изменяется в результате конденсации или испарения с поверхности водоемов, растений и даже человеческого тела. Хотя водяной пар содержится в атмосферном воздухе в небольшом количестве, он играет важную роль в различных процессах, а также влияет на ощущение комфорта.

Физические свойства газов, и влажного воздуха в том числе, зависят от температуры. Мы будем рассматривать свойства влажного воздуха в диапазоне температур от -30 °С до +50 °С и давлении, приблизительно равном атмосферному. При этих условиях сухой воздух может находиться только в газообразном состоянии, тогда как вода может находиться в паровой, жидкой или твердой фазе в зависимости от температуры смеси.

Рис. 1. T-s диаграмма водяного пара и некоторые особенности терминологии.

Отсюда следует, что влажный воздух представляет собой такую смесь газов, один из компонентов которой – водяной пар – при снижении температуры может переходить в другую фазу (жидкую или твердую) и вследствие этого выпадать из смеси. Поэтому количество водяного пара в рассматриваемой смеси не может быть произвольным. В зависимости от температуры количество водяного пара во влажном воздухе не может превышать определенного значения. В этом и состоит принципиальное отличие влажного воздуха от обычных газовых смесей.

Воздух, который содержит водяной пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным влажным воздухом. В таком воздухе содержится максимально возможное количество водяного пара.

Ненасыщенный влажный воздух – это смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара (см. рис. 1).

2.2. Параметры состояния влажного воздуха.

В таблице 1 представлены экспериментально полученные параметры состояния сухого воздуха при различных температурах и давлении 1 атм, а также результаты расчета удельного объема υ (при этих же условиях) по уравнению Менделеева – Клапейрона:

, (1)

При расчетах использовалось значение молярной массы М сухого воздуха, равное М _св = 0,02897 кг/моль. Как видно из таблицы величина относительной разности экспериментальных и теоретических значений крайне незначительная, и сухой воздух можно считать идеальным газом с очень высокой точностью.

Таблица 1.

	сухой воздух	водяной пар
t, °С	эксп. υ, м³/кг	теор. υ, м³/кг	, %	p _н, кПа	эксп. υ, м³/кг	теор. υ, м³/кг	, %
-30	0,688231	0,688716	0,07	0,0380	2952,46	2952,22	0,008
-20	0,716846	0,717041	0,027	0,1032	1131,49	1131,63	0,012
-10	0,745156	0,745365	0,028	0,2599	467,19	467,33	0,03
	0,773395	0,77369	0,038	0,6111	206,15	206,27	0,06
	0,801925	0,802015	0,011	1,2282	106,309	106,395	0,08
	0,829876	0,83034	0,056	2,3392	57,761	57,836	0,13
	0,858369	0,858664	0,034	4,2467	32,882	32,944	0,19
	0,886525	0,886989	0,052	7,3344	19,517	19,704	0,96
	0,914913	0,915314	0,044	12,251	12,028	12,173	1,20

В этой же таблице приведены экспериментальные и расчетные значения параметров состояния насыщенного водяного пара () при давлении, равном давлению насыщенного пара при заданной температуре ( кг/моль).

Несмотря на то, что водяной пар находится в насыщенном состоянии, его параметры состояния, также как и параметры сухого воздуха, с достаточно высокой точностью можно описать уравнением Менделеева – Клапейрона.

Свойства водяного пара, находящегося во влажном воздухе, не зависят от свойств сухого воздуха, присутствующего в смеси. Эти газы ведут себя независимо друг от друга. Влажный воздух можно считать смесью идеальных газов, для которой справедлив закон Дальтона: давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара

. (2)

В равновесном состоянии во влажном воздухе парциальное давление водяного пара не может превышать давление насыщенного пара () при данной температуре влажного воздуха. Для насыщенного воздуха парциальное давление водяного пара равно давлению насыщенного водяного пара (). Давление насыщенного водяного пара определяется только температурой смеси и не зависит от давления смеси. Зависимость от абсолютной температуры Т описывается уравнением Клапейрона – Клаузиуса:

, (3)

где L – удельная теплота парообразования воды, υ_п, – удельные объемы насыщенного водяного пара, υ_ж – удельный объем воды в жидком состоянии. На практике давление насыщенного водяного пара находят не по формуле (3), а используют для этого специальные таблицы или диаграммы.

В ненасыщенном влажном воздухе парциальное давление водяного пара ниже давления насыщенного водяного пара (). Понижая температуру ненасыщенного влажного воздуха при постоянном давлении, можно охладить воздух до такой температуры, при которой водяной пар станет насыщенным. Процесс охлаждения водяного пара при постоянном давлении изображен на T-s диаграмме (участок 1-2) (см. рис. 2). При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяных паров. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нём перегретый пар стал насыщенным, называется температурой точки росы .

Рис. 2. T-s диаграмма процесса охлаждения водяного пара при постоянном давлении.

При дальнейшем понижении температуры будет происходить конденсация водяного пара. Воздух останется насыщенным, но количество водяного пара, содержащегося в воздухе, будет уменьшаться.

Кроме температуры точки росы состояние влажного воздуха можно характеризовать с помощью следующих величин.

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе, обычно выражаемое в миллиметрах ртутного столба (напомним, что 1 мм рт. ст. = 133,322 Па).

Абсолютная влажность воздуха – масса водяного пара (г), содержащегося в 1 м³ влажного воздуха:

(4)

Поскольку водяной пар занимает тот же объем, что и влажный воздух, то абсолютная влажность может быть выражена в виде плотности пара в смеси при своем парциальном давлении и температуре смеси:

. (5)

Так как водяной пар можно считать идеальным газом, абсолютную влажность воздуха легко рассчитать, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

, (6)

где М _п – молярная масса водяного пара, М _п = 0,018 г/моль.

Влагосодержание d влажного воздуха – отношение массы m _п водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха m _св:

(7)

Относительная влажность воздуха – отношение абсолютной влажности ρ_п к максимально возможной влажности при данной температуре. Поскольку максимально возможная абсолютная влажность равна плотности насыщенного водяного пара ρ_н, то:

. (8)

Для идеальных газов отношение плотностей можно заменить отношением парциальных давлений, поэтому

, (9)

где - парциальное давление водяного пара во влажном воздухе; - давление насыщенного водяного пара. Относительная влажность является безразмерной величиной (в равновесном состоянии). Часто относительную влажность выражают в процентах.

Относительная влажность сама по себе полностью не характеризует содержание пара во влажном воздухе, для этого еще нужно знать температуру влажного воздуха, однозначно определяющую величину . Если влагосодержание воздуха сохраняется постоянным, а температура воздуха повышается, то относительная влажность воздуха уменьшается, так как с ростом температуры, увеличивается давление насыщенного водяного пара .

Если относительная влажность воздуха меньше 100%, то температура точки росы всегда ниже фактической температуры воздуха, и тем ниже, чем меньше относительная влажность. При насыщении, т.е. когда относительная влажность равна 100%, фактическая температура совпадет с точкой росы

При снижении температуры воздуха возможно кратковременное образование пересыщенного состояния, то есть относительная влажность становится более 100 %. Однако такое состояние не является устойчивым.

2.3. Тепловые свойства влажного воздуха

Таблица 2.

	сухой воздух	водяной пар
t, °С	эксп. с_р, кДж/(кг ∙°С)	теор. с_р, кДж/(кг ∙°С)	,%	p _н, кПа	эксп. с_р, кДж/(кг ∙°С)	теор. с_р, кДж/(кг ∙°С)	,%
-30	1,002	1,0029	0,09	0,03801
-20	1,003	1,0029	0,01	0,10324
-10	1,003	1,0029	0,01	0,25987
	1,003	1,0029	0,01	0,61115	1,8882	1,8467	2,2
	1,004	1,0029	0,11	1,2282	1,8957	1,8467	2,6
	1,004	1,0029	0,11	2,3392	1,9057	1,8467	3,1
	1,004	1,0029	0,11	4,2467	1,918	1,8467	3,7
	1,005	1,0029	0,21	7,3344	1,9322	1,8467	4,4
	1,006	1,0029	0,31	12,2513	1,9482	1,8467	5,2

Рассмотрим таблицу 2, в которой приведены экспериментально полученные значения удельных теплоемкостей сухого воздуха и водяного пара, а также их значения, рассчитанные по формуле

(10)

для сухого воздуха и

(11)

для водяного пара.

Как видно, расхождения экспериментальных и теоретических значений невелики.

При температуре окружающей среды (например, от -30 °С до +50 °С) теплоемкость сухого воздуха практически не зависит от температуры (см. табл.). Сухой воздух можно считать идеальным газом с постоянной удельной теплоемкостью . Эту величину легко запомнить. J

Для водяного пара расхождение расчетных и экспериментальных данных несколько больше, тем не менее, для приблизительных расчетов теплоемкость пара можно считать постоянной величиной, значение которой определяется формулой (11).

2.4. Способы измерения параметров влажного воздуха

Относительную влажность и влагосодержание часто используют в технических науках и метеорологии, поэтому их следует связать с легко измеряемыми величинами, такими как температура и давление. Один из способов нахождения относительной влажности – это определение температуры точки росы. Зная температуру точки росы можно определить давление насыщенного пара, таким образом можно найти относительную влажность. Однако этот способ не практичен. Существует и другой способ определения абсолютной или относительной влажности. Способ, при котором термометр покрывается хлопковой тканью, насыщенной влагой, и на него направляют струю воздуха, как это показано на рис. 5. Температура, измеренная таким образом, называется температурой мокрого термометра .

Рис. 5. Измерение влажности с помощью мокрого термометра.

Термин “температура мокрого термометра” обычно используется для характеристики систем кондиционирования воздуха.

Мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани, покрывающей ртутный шарик этого термометра. При обдувании; влажного термометра ненасыщенным влажным воздухом происходит испарение воды с поверхности мокрой ткани. При этом вода будет испаряться тем интенсивнее, чем суше воздух, обдувающий ткань. Поскольку на испарение влаги затрачивается теплота, отбираемая в первую очередь от самой воды, температура влажной ткани будет понижаться. К влажной ткани из близлежащих слоев воздуха начнет поступать теплота. Через некоторое время, когда потери тепла из воды из-за испарения будут полностью скомпенсированы за счет тепла, получаемого от воздуха, температура воды станет постоянной, и равной T _м.

Зависимость температуры мокрого термометраот комнатной температуры и влагосодержания воздуха устанавливается путем экспериментов, по результатам которых составляются специальные психрометрические диаграммы или таблицы. С помощью этих диаграмм и таблиц можно по показаниям психрометра легко определить влагосодержание воздуха.

2.5. Психрометрические диаграммы

Состояние влажного воздуха при заданном давлении полностью определяется двумя интенсивными параметрами, остальные параметры могут быть рассчитаны. Поскольку эти расчеты довольно громоздкие, то нет смысла их каждый раз проводить. Вычисления можно выполнить один раз, а затем использовать наглядное графическое представление данных, например, в виде психрометрической диаграммы (см. прил. 1).

Характерные особенности психрометрической диаграммы представлены на рис. 6. По горизонтальной оси отложена температура сухого термометра, а по вертикальной – влагосодержание. Следует отметить, что на некоторых диаграммах по вертикальной оси также откладывают давление водяного пара.

Рис. 6. Основные линии на психрометрической диаграмме.

На психрометрической диаграмме изображены линии с постоянной относительной влажностью, самая верхняя из которых соответствует насыщенному влажному воздуху ( %).

Линии постоянной температуры мокрого термометра наклонены влево. Линии постоянной энтальпии расположены параллельно и очень близко к линиям постоянной температуры мокрого термометра.

Линии постоянного удельного объема также наклонены влево. Необходимо отметить, что удельный объем – это объем влажного воздуха, в котором содержится один килограмм сухого воздуха (а не влажного):

. (12)

Для насыщенного воздуха температура точки росы, а также температуры мокрого и сухого термометра совпадают. Таким образом, на диаграмме температуру точки росы можно определить на пересечении линии постоянного влагосодержания (или линии постоянного давления насыщенного пара) с кривой насыщения. Значение температуры в точке пересечения и будет температурой точки росы (см. рис. 7).

Рис. 7. Для насыщенного воздуха температура точки росы, а также температуры мокрого и сухого термометра совпадают.

Þ Рассмотрим пример использования психрометрической диаграммы:

Пример 1.

Для комнатного воздуха, влагосодержание которого кг/кг и температура °С, требуется определить плотность , относительную влажность , абсолютную влажность , парциальное давление водяного пара , температуру точки росы , температуру мокрого термометра .

На диаграмме (см. прил. 1 и рис. 8) сначала проведем линии с постоянным влагосодержанием и постоянной температурой (черные штриховые линии). Состояние комнатного воздуха – это точка А на их пересечении.

Влагосодержание d, парциальное давление водяного пара и температура точки росы однозначно связаны друг с другом. Для определения температуры точки росы линию d = const надо провести до пересечения с линией насыщения ( = 10,5 °С). Как находится парциальное давление водяного пара , видно на рис. 8. ( = 9,5 мм рт. ст.≈ 1,26 кПа).

По линии с постоянной относительной влажностью, проходящей через точку А, определяем, что = 40%.

Через точку А проводим линию T _м = const. В точке пересечения этой линии с линией насыщения температура мокрого термометра T _м ≈ 16,3 °С.

Осталось найти плотность влажного воздуха и абсолютную влажность , которых нет на диаграмме.

Рассчитаем плотность влажного воздуха :

Рис. 8. Нахождение параметров влажного воздуха по диаграмме.

Плотностью влажного воздуха называется отношение .

Учитывая (7), (29), а также , получим:

, (30)

где υ – удельный объем влажного воздуха, – влагосодержание.

По диаграмме найдем υ = 0,855 м³/кг, затем рассчитаем :

Рассчитаем .

1-й способ. Из уравнения Менделеева – Клапейрона:

2-й способ.

Найдем связь между удельным объемом влажного воздуха υ, влагосодержанием d и абсолютной влажностью . Из (4), (7) и (29) получим:

. (31)

Откуда

Небольшое расхождение между результатами, полученными разными способами, связано с неточностью отсчетов по графику.

3.1. Устройство и принцип работы гигрометра психрометрического типа ВИТ

Рис. 9. Гигрометр психрометрический внешний вид.

Гигрометр психрометрический служит для измерения влажности и температуры воздуха в стационарных и походных условиях. Принцип действия психрометра основан на разности показаний сухого и смоченного термометров в зависимости от влажности окружающего воздуха.

Гигрометр представляет собой прибор, собранный на основании из фенопласта или других материалов, аналогичных по свойствам. К основанию крепятся два термометра со шкалой, психрометрическая таблица, стеклянный питатель, заполняемый дистиллированной водой.

Резервуар термометра под надписью "Увлажн." увлажняется водой из питателя с помощью фитиля из батиста или шифона.

Метод измерения относительной влажности гигрометром психрометрическим основан на зависимости между влажностью воздуха и психрометрической разностью - разностью показаний "сухого" и "увлажненного" термометров, находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой.

Сняв показания термометров и введя поправки в их показания, определяют разность показаний термометров. Затем по показанию "сухого" термометра и разности показаний "сухого" и "увлажненного" термометров определяют относительную влажность воздуха по психрометрической таблице. Скорость воздушного потока у резервуаров термометров влияет на точность показаний прибора. Психрометрическая таблица, установленная на основании гигрометра, действительна для определенной скорости вертикальных воздушных потоков (скорости аспирации от 0,5 до 1,0 м/с), омывающих гигрометр. Скорость аспирации указана на таблице.

Измерение относительной влажности гигрометром проводится только после установления показаний термометров гигрометра. Минимальное время выдержки гигрометра в измеряемой среде 15 мин.

Рис. 10. Стеклянный питатель с опущенным в него фитилем.

3.2. Порядок работы гигрометра психрометрического

3.2.1. Снимите показания по "сухому" и "увлажненному" термометрам. При снятии показаний глаз работающего должен находиться на уровне горизонтальной касательной к мениску жидкости так, чтобы отметка шкалы в точке отсчета была видима прямолинейной.

3.2.2. Работающий с гигрометром должен находиться от него на расстоянии нормальной видимости отметок шкалы и остерегаться во время отсчетов дышать на термометры. При отсчете показаний термометров вначале быстро отсчитываются десятые доли градуса, затем целые градусы

Определите температуру по термометрам с точностью до 0,1°С, введя к отсчитанным показаниям поправки к термометрам, приведенные в паспорте на гигрометр (см. таблицу 5). Поправки вводятся путем алгебраического сложения. Вычислите разность температур по "сухому" и "увлажненному" термометрам.

При отсутствии в паспорте поправок для произведенных отсчетов по "сухому" и "увлажненному" термометрам, вычислите поправки линейным интерполированием по двум поправкам, относящимся к температурам, между которыми лежит отсчет по термометрам.

3.2.3. Определите относительную влажность воздуха по психрометрической таблице. Искомая относительная влажность будет на пересечении строк температуры по "сухому" термометру и разности температур по "сухому" и "увлажненному" термометрам.

При отсутствии в таблице полученной разности температур по "сухому" и "увлажненному" термометрам для определения влажности примените интерполирование.

3.2.4. При отсутствии в таблице температуры по "сухому" термометру, для определения влажности применяйте интерполирование только для тех областей психрометрической таблицы, в которых изменение температуры по "сухому" термометру на 1°С дает изменение относительной влажности более чем на 1%.

Для остальных областей таблицы значения температуры по "сухому" термометру округляйте до ближайшего табличного значения по правилу арифметического округления.

3.2.5. Пример определения относительной влажности интерполированием:

o Определяем температуры по "сухому" и "увлажненному" термометрам и разность между этими температурами. Данные о показаниях термометров и паспортных поправках к показаниям представлены в таблице 5. Далее делаем интерполяционный расчет.

Таблица 3

Термометры	Измеряемые температуры, °С	Поправки к температурам по паспорту. В °С	Температура после введения поправок, В °С
"сухой"		-0,15	22,35
"увлажненный"		+0,20	16,3

o Принимаем , разность температур . Определяем относительную влажность для °С, для чего интерполируем значение относительной влажности по таблице для от 22 до 23 °С. При увеличении температуры на 1°С влажность увеличивается на 2%, а при увеличении температуры на 0,4 °С влажность увеличивается на 0 %, следовательно в итоге .

o Определяем относительную влажность для °С и °С, для чего интерполируем значение относительной влажности при разности показаний от 6,0 до 6,5 °С. При увеличении на 0,5 °С относительная влажность уменьшается на 4%, а при увеличении на 0,1 °С уменьшается относительная влажность на %.
Следовательно, влажность " " при температуре 22,4 и =6,1 °С будет равна %.

3.3. Технические данные гигрометра психрометрического

1. Допускаемая абсолютная погрешность термометров при использовании психрометрических диаграмм указана в следующей таблице:

Таблица 4

	Относительная влажность (в %)
Температура воздуха (в °С)
Погрешность в определении относительной влажности (в % к измеренной величине)
	±1,5	±2	±5	±9
	±2	±3	±7	±14
	±3	±4	±11	±20
	±4	±6	±17	±35
-5	±5	±9	±25	±50
-10	±7	= 12	±35	±70

Предел допускаемой абсолютной погрешности гигрометра при скорости аспирации от 0,5 до 1,0 м/с указан в таблице 4а:

Таблица 4а

Температура по «сухому» термометру (в°С)	Относительная влажность(в %)
от 5 до 10	± 7
сухой воздух от 10 до 30	± 6
сухой воздух от 30 до 40	± 5

2. Пределы шкалы термометров: нижний от - 0°С, верхний до + 25°С.

3. Цена деления термометров 0,2°С.

4. Диапазон измерения относительной влажности от 20 до 90% при температуре окружающей среды от 5°С до + 25°С.

5. Таблица 5 поверочных поправок по паспорту гигрометра психрометрического:

Таблица 5

Поверяемые отметки (в°С)
Поправки °С
«сухой»	-0,2	-0,2	-0,1	-0,2	-0,1
«увлажненный»	+0,2	+0,2	+0,2	+0,2	+0,2

Во время отсчета наблюдатель должен стоять так, чтобы ветер не переносил воздух от него к прибору.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Ознакомьтесь с теоретической частью работы.

4.2. Ознакомьтесь с содержанием и примерами использования психрометрических диаграмм.

4.3. Ознакомьтесь c принципом работы гигрометра психрометрического.

4.4. Определение температуры точки росы, влагосодержания, парциального давления ненасыщенного пара, давление насыщенного пара , относительной влажности , υ – удельного объема влажного воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров с использованием психрометрических диаграмм, расчет плотность влажного воздуха и абсолютной влажности :

1. Снимите показания сухого и влажного термометров, данные занесите в таблицу. Учтите паспортные поправки к показаниям термометров (см. пункт 3.2.5. первый абзац, таблицу 3 и таблицу 5), если необходимо, сделайте интерполяционный расчет, данные занесите в таблицу результатов измерений. Сделайте аналогичные измерения температур в 5 различных точках аудитории.

2. Запишите значение атмосферного давления воздуха в помещении .

3. С помощью диаграммы из приложения 1 определите температуры точки росы , влагосодержание , парциальное давление ненасыщенного пара, давление насыщенного пара при данной температуре (), относительную влажность ,
υ – удельный объем влажного воздуха в помещении для каждой из 5 точек в аудитории. Данные занесите в таблицу результатов измерений:

Термометры Измеряемые температуры, °С Поправки к температурам по паспорту. °С Температура после введения поправок,°С υ

Средние значения

4. Рассчитайте, используя пример 1, плотность влажного (атмосферного) воздуха и абсолютной влажности . Данные занесите в таблицу результатов измерений.

5. Рассчитайте средние значения всех измеренных величин, и среднеквадратичную погрешность их измерения, учитывая случайную и систематическую погрешности измерений.

6. Запишите полученные результаты, сделайте вывод. Сравните стандартное отклонение для относительной влажности с паспортной погрешностью метода, используя данные в таблице 4. Сделайте вывод.

4.5. Определение влажности воздуха при помощи таблиц гигрометра психрометрического:

1. Используя полученные данные измерений температур и поправки к ним из предыдущего задания, проведите расчет разности температур для всех 5 точек. Данные занесите в таблицу результатов измерений.

Термометры Измеряемые температуры, °С Поправки к температурам по паспорту. °С Температура после введения поправок,°С

Поделиться:

Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-09-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных