Zależność między pojemnością cieplną a wilgotnością
- Szczegóły
Nowoczesne, zaawansowane technologie wymagają unikalnych rozwiązań zarówno w zakresie kształtowania optymalnych warunków realizacji procesów jak i kontroli mikroklimatu w celu uzyskania żądanych parametrów oraz wskaźników techniczno-ekonomicznych produktu.
Jako przykład można tu wskazać m.in. problemy doboru warunków pracy komór do długotrwałego przechowywania owoców, kwiatów, ryb wielu innych produktów spożywczych w taki sposób, by poza okresem normalnej wegetacji spełnić normy jakościowe i sanitarno-biologiczne dostarczanych konsumentom produktów.
Jedną z metod długoterminowego przechowywania łatwo psujących się produktów jest zastosowanie tzw. „atmosfery kontrolowanej”, tj. warunków obniżonego ciśnienia powietrza (komora hipobaryczna o ciśnieniu 30÷50kPa), lub wzbogacenie jej przez gazy neutralne (np. argon).
Dzięki temu, niższa zawartość tlenu w atmosferze komory wpływa hamująco na procesy degradacji biologicznej przechowywanych produktów.
Inne istotne z punktu widzenia praktyki zagadnienia związane z warunkami, w których wskazane jest użycie powietrza zawierającego znaczny ładunek wilgoci (tym razem w warunkach wysokich ciśnień), to coraz bardziej popularne systemy kogeneracji, które pracują w tzw. cyklu HAT („humid air turbine”) lub też instalacje sprężonego powietrza.
Przeczytaj także: Drenaż rozsączający w przydomowej oczyszczalni – poradnik
Jak łatwo wnioskować, nie tylko zachowanie się powietrza wilgotnego może stanowić poważny problem z punktu widzenia praktyki inżynierskiej. Problematyka gazów wilgotnych dotyczy też kwestii zachowania się mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku spalinowym, spalin (kotły kondensacyjne) i szeregu innych.
Zwykle w przypadku analizy procesów wentylacji i klimatyzacji stosujemy prosty model powietrza wilgotnego oparty o założenie stałej wartości referencyjnego ciśnienia powietrza atmosferycznego (1Atm lub 100 kPa), nie zawsze pamiętając o korektach obliczeń związanych z uwzględnieniem wpływu wysokości nad poziom morza.
Szereg opracowanych wykresów lub kalkulatorów (dostępnych także on-line) ułatwia typowe obliczenia inżynierskie, ale tylko w przypadku najczęściej spotykanych warunków mikroklimatu, tj. w dość wąskim zakresie zmian temperatury i ciśnienia powietrza (-20÷600C, 900÷1100 hPa).
Oznacza to, że koniecznym i uzasadnionym jest opracowanie metod oraz narzędzi obliczeniowych służących ocenie zachowania się mieszanin psychrotropowych w warunkach znacznie odbiegających od standardowych warunków atmosferycznych.
Modele właściwości powietrza wilgotnego
W większości przypadków wystarczającym jest opis właściwości powietrza wilgotnego w postaci mieszaniny gazów idealnych (z możliwą przemianą fazową jednego ze składników). Taki model jest praktycznie użyteczny w obliczeniach systemów wentylacji i klimatyzacji, suszarnictwie oraz w odniesieniu do naturalnych procesów występujących w atmosferze ziemskiej.
Przeczytaj także: Dostępne opcje wód mineralnych
W tym przypadku dysponujemy dużą liczbą danych eksperymentalnych bądź obliczeniowych dla powietrza wilgotnego oraz informacją o wartościach parametrów i stałych fizycznych (gęstość, współczynnik dyfuzji, przewodność, lepkość, pojemność cieplna, itp.).
Dla warunków silnie odbiegających od typowych warunków otoczenia (wysoka temperatura i ciśnienie gazu wilgotnego) korzystanie z tej samej bazy danych jest już zbyt dużym uproszczeniem i może prowadzić do znacznych błędów obliczeniowych.
Z tego powodu korzysta się z bardziej złożonych modeli gazu rzeczywistego do których należą m.in.:
- model opisywany wirialnym równaniem stanu (zawierający drugi i trzeci współczynnik wirialny dla powietrza i pary wodnej),
- równania stanu bazujące na modelu van der Waalsa (np. Redlicha-Kwonga), patrz [4],
- półempiryczne bądź empiryczne zależności dla opisu poszczególnych wielkości (np. ciepła właściwego, lepkości, współczynnika dyfuzji, przewodności cieplnej).
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyznaczono położenie linii granicznych ϕ =1 dla różnych ciśnień mieszaniny oraz wartości liczbowe charakteryzujące stan powietrza wilgotnego (gęstość, zawartość wilgoci, ciepło właściwe, entalpię).
Dodatkowe parametry określone dla wilgotnego powietrza obejmowały obliczenia liczby Prandtla Pr, współczynnika dyfuzji D, lepkości μ i przewodności cieplnej λ oraz liczby Schmidta Sc.
Przeczytaj także: Skład wody Alfred i Rymanów
Każdy z wymienionych odgrywa istotną rolę w procesach transportu ciepła, masy i pędu. Dzięki temu możliwe jest dysponowanie w szeregu zagadnień obliczeniowych bardziej wiarygodnymi danymi w stosunku do informacji podawanych w ogólnodostępnych poradnikach fizyko-chemicznych.
Opracowany program komputerowy [8], pozwala obliczać parametry powietrza wilgotnego według dwóch wariantów, tj. dla zadanych dwóch parametrów: temperatury termometru suchego t oraz wilgotności względnej ϕ lub zawartości wilgoci x (przy czym ciśnienie p mieszaniny jest wstępnie zadane).
Liczbowe wartości współczynników transportu dla powietrza nasyconego wilgocią przy ciśnieniach p = 50 i 1000 kPa zestawiono w tabeli.
Łatwo tu zauważyć bardzo istotny wpływ ciśnienia na współczynnik dyfuzji D pary wodnej w powietrzu przy analogicznych wartościach temperatur, co uwidacznia jego znaczący wpływ na procesy transportu wilgoci w warunkach hipobarycznych (tj. obniżonych ciśnień).
Dla znacznie podwyższonych lub obniżonych ciśnień i temperatur powietrze wilgotne nie zachowuje się jak gaz idealny, zaś obliczenia jego stałych oraz zmian parametrów termodynamicznych w typowych przemianach muszą być korygowane w oparciu o bardziej złożone metody.
Zastosowanie współczesnych narzędzi obliczeniowych umożliwia bardziej precyzyjne wyznaczenie podstawowych właściwości gazów, w tym parametrów termodynamicznych i współczynników charakteryzujących transport masy i ciepła dla powietrza wilgotnego.
Opracowany program komputerowy służy do określania najbardziej istotnych wielkości charakteryzujących powietrze wilgotne w szerokim zakresie wartości temperatury i ciśnienia. Może być użyty w obliczeniach różnego typu zagadnień inżynierskich nie tylko z zakresu wentylacji i klimatyzacji.
Wykorzystanie własnych oraz narzędziowych procedur obliczeniowych w środowisku MATHCAD®, pozwala określać z większą precyzją takie wielkości charakteryzujące powietrze wilgotne jak m.in.: ρ, h, x, λ, μ, D, cp, Pr, Sc.
Wpływ wilgotności na przewodność cieplną materiałów kamiennych
Wilgoć podwyższa przewodność cieplną, gdyż woda uzupełniająca pory materiału kamiennego posiada znacznie wyższy współczynnik przewodzenia niż A powietrze wypełniające pory wysuszonego materiału (A. dla wody = 0,50, dla powietrza = 0,02).
Szczególnie dużym wahaniom ulega A. materiałów porowatych, które ulegną zawilgoceniu wskutek działania wody lub też ujawniają zdolność do pochłaniania wilgoci (wysoką wilgotność właściwą).
Współczynnik przewodzenia ciepła lekkich materiałów porowatych może np. po zawilgoceniu ulec znacznemu zwiększeniu. Z tego też względu stosując w budownictwie materiały lekkie wysokoporowate należy je chronić przed działaniem wilgoci, a co najważniejsze nie stosować materiałów, które ujawniają zdolność do akumulowania wilgoci w porach materiału.
Pojemność cieplna materiału kamiennego
Pojemność cieplna materiału kamiennego jest to zdolność pochłaniania ciepła przy ogrzewaniu.
Współczynnik pojemności cieplnej lub ciepło właściwe wyraża ilość ciepła w kcal potrzebną do ogrzania 1 kg materiału o 1°C.
Im większe jest ciepło właściwe materiału, tym większą posiada on zdolność do magazynowania ciepła i przechowywania go po przerwaniu ogrzewania.
Ciepło właściwe kamieni naturalnych wynosi ok. 0,22.
Badanie ciepła właściwego materiałów budowlanych wykonuje się za pomocą kalorymetrów.
Temperatura punktu rosy
Wzrost temperatury medium będzie powodował zmniejszenie wskaźnika wilgotności względnej, natomiast spadek temperatury - wzrost wilgotności względnej.
Ten wzrost dąży do wartości 100%, a temperatura, przy której osiąga 100% nazywana jest temperaturą punktu rosy.
Temperatura punktu rosy jest parametrem bardzo często stosowanym zamiennie z wilgotnością względną, gdyż łączy w sobie dwie wielkości - wilgotność i temperaturę.
Pojęcie temperatury punktu rosy często wykorzystywane jest w specyfikacji gazów technicznych, definiując w ten sposób jego suchość.
Wyobraźmy sobie pomieszczenie, w którym od układu klimatyzacji i wentylacji wymaga się utrzymania tych parametrów na stałym poziomie. Naturalne oscylacje temperatury będą automatycznie przekładały się na zmiany wilgotności względnej.
W ten sposób układ regulacji wilgotności spowoduje zaburzenia w regulacji temperatury prowadząc do rozkołysania układu i pogorszenia procesu regulacji. W efekcie większy nakłady na regulację oznacza wzrost kosztów zużycia energii.
W sytuacji kontrolowania wilgotności poprzez parametr temperatury punktu rosy, układ regulacji wilgotności nie jest zakłócany zmianami temperatury.
Pomiar wilgotności
Istnieje kilka sposobów pomiaru wilgotności względnej. Zmiana pojemności tak zbudowanego kondensatora przetwarzana jest przez układ elektroniczny, który oblicza wilgotność.
W układzie pomiarowym, obok sensora wilgotności znajduje się sensor temperatury (najczęściej PT1000), który wykorzystywany jest do właściwego przeliczenia wilgotności, a także informuje użytkownika o temperaturze medium.
Powyższe czujniki, które przetwarzają wielkość fizyczną (wilgotność) na elektryczną (pojemność) wymagają układu pomiarowego, który zmierzy tę pojemność oraz układu przetwarzającego, który przeliczy pomiar na informację właściwą. Trzeba przy tym uwzględnić wszelkiego rodzaju kompensacje niekorzystnych czynników, nieliniowość układu, powtarzalność pomiaru, błędy itp.
Producenci urządzeń chcąc wykorzystać takie sensory muszą więc sprostać sporym wymaganiom, mieć wiedzę i doświadczenie w tym temacie.
Zdecydowanie prościej jest w przypadku sensorów cyfrowych, w których zaszyta elektronika pozwala nowemu, zdecydowanie mniej doświadczonemu użytkownikowi, wykorzystać sensor.
Gotowy do użycia sensor HTE501 posiada dokładność pomiaru wilgotności względnej na poziomie 1,8% (z uwzględnieniem histerezy) i może pracować w temperaturze od -40 do 135°C.
Aktywna część sensora pokryta jest opatentowaną przez producenta powłoką, która trwale chroni przed brudem i osadami korozyjnymi.
| Parametr | Wartość (p = 50 kPa) | Wartość (p = 1000 kPa) |
|---|---|---|
| Współczynnik dyfuzji D | [Wartość dla 50 kPa] | [Wartość dla 1000 kPa] |
| Lepkość μ | [Wartość dla 50 kPa] | [Wartość dla 1000 kPa] |
| Przewodność cieplna λ | [Wartość dla 50 kPa] | [Wartość dla 1000 kPa] |
tags: #pojemność #cieplna #a #wilgotność #zależność
