Wykres Molliera i wilgotność powietrza: Zależność od temperatury
- Szczegóły
W powietrzu zawsze utrzymuje się pewna ilość pary wodnej. Wilgotność powietrza to ilość pary wodnej znajdującej się w powietrzu. To procentowy stosunek aktualnej ilości pary wodnej w powietrzu do maksymalnej ilości, jaką powietrze może pomieścić w danej temperaturze.
W danej temperaturze w powietrzu może znajdować pewna maksymalna ilość pary wodnej. Mówimy wtedy o stanie nasyconym. Każda mniejsza ilość pary to pewien % stanu nasyconego.
Jedną z najciekawszych własności powietrza jest fakt, że może ono pomieścić tym więcej pary wodnej, im jest cieplejsze. Parowanie to proces zachodzący w każdej temperaturze, a powietrze ma zdolność do utrzymywania cząsteczek wody w stanie gazowym. Im wyższa temperatura - tym wyższa jest energia kinetyczna cząsteczek i tym więcej z nich może uzyskać wystarczającą energię kinetyczną aby przejść do fazy gazowej.
Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej powietrze może utrzymać. To rzeczywista ilość pary wodnej w powietrzu, wyrażona w gramach na kilogram suchego powietrza.
W nowoczesnym budownictwie w celu zapewnienia właściwego komfortu w pomieszczeniu powietrze musi zostać odpowiednio przygotowane. W zależności od sytuacji musi zostać oczyszczone, ogrzane, schłodzone, nawilżone lub osuszone.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Wykres Molliera jako narzędzie do analizy powietrza wilgotnego
W technice klimatyzacyjnej wiele procesów z udziałem powietrza wilgotnego przebiega prawie przy stałym ciśnieniu. W związku z powyższym bardzo pomocnym narzędziem projektowym do obliczeń cieplnych przemian powietrza wilgotnego zachodzących przy jego uzdatnianiu są wykresy psychrometryczne.
Określenie wielkości stanu powietrza wilgotnego jest możliwe zarówno przy pomocy wzorów matematycznych, wykorzystaniu specjalnych suwaków logarytmicznych oraz dzięki skorzystaniu z wykresu nazwanego od nazwiska jego autora - Moliera.
Wykres Molliera (nazywany czasami wykresem i-x lub h-x) jest podstawowym narzędziem pozwalającym na określenie parametrów powietrza wilgotnego. Wykres został opublikowany przez niemieckiego profesora Richarda Molliera w 1904 roku. Możemy z niego odczytać wzajemne zależności temperatury, wilgotności względnej oraz bezwzględnej, temperatury punktu rosy i entalpii powietrza wilgotnego.
Jego twórca, profesor TU Drezno, zaproponował przedstawienie stanu powietrza wilgotnego w formie graficznej na wykresie w układzie współrzędnych h-x (inna nomenklatura spotykana w literaturze fachowej opisuje wykres w układzie i-x ), gdzie x oznacza zawartość wilgoci w powietrzu suchym (oś odcięta), h (lub i) oznacza entalpię właściwą (oś rzędna).
Obecnie stosowanych jest wiele różnych typów psychometrycznych diagramów. Najpopularniejszym w Europie jest "Wykresy Molliera", a w USA wykres Carriera. Oba mają ten sam podstawowy format.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Do budowy wykresu i-x stosuje się ukośny układ współrzędnych. Na poziomej osi znajduje się skala wartości wilgoci x kg/kg - linie stałej zawartości wilgoci są pionowe. Linie stałej wilgotności względnej φ = const stanowią układ krzywych biegnących skośnie od lewego dolnego rogu wykresu ku górze.
Ponieważ przyjęto, że entalapa 1 kg powietrza suchego przy 0 °C równa się zeru więc linie t=0 °C oraz i= 0kJ/kg przecinają się na lewej osi pionowej.
Co przedstawia wykres Moliera?
Wykres Molliera przedstawia relacje między temperaturą powietrza, wilgotnością i entalpią. Wykres Molliera prezentuje zależności pomiędzy podstawowymi parametrami powietrza takimi jak: temperatura, wilgotność względna, zawartość wilgoci, entalpia powietrza i gęstość właściwa. Parametry te są podstawą obliczeń wszelkich przemian powietrza oraz procesów z tym związanych. Staje się podstawą doboru urządzeń w centralach wentylacyjnych oraz określeniu co się z powietrzem dzieje.
Jakie parametry można odczytać z wykresu Moliera?
Znając dwa z wymienionych parametrów możemy z wykresu Molliera odczytać pozostałe z wymienionych. Posiadając dwa z dowolnych wymienionych powyżej parametrów, można z łatwością odczytać pozostałe właściwości powietrza. Najłatwiej zmierzyć temperaturę oraz wilgotność względną powietrza w pomieszczeniu. Na tej podstawie jesteśmy w stanie określić zawartość wilgoci w powietrzu, entalpię (ilość energii) i gęstość właściwą.
Zastosowanie wykresu Molliera
- Wykres Molliera może posłużyć do zobrazowania przemian, jakie zachodzą w powietrzu np. pod wpływem typowych procesów jakie zachodzą w centralach klimatyzacyjnych.
- Jeśli znane są parametry początkowego i końcowego punktu danej przemiany, to mając dane masę powietrza lub jego strumień jesteśmy w stanie wyznaczyć ilość energii lub moc, która została dostarczona bądź odprowadzona z układu.
Gdy w wyniku obliczeń uzyskana na podstawie wzorów moc lub energia będą dodatnie, oznacza to dostarczenie energii do powietrza (np. proces ogrzewania, nawilżania parowego), w przeciwnym wypadku mamy do czynienia z odbieraniem energii z powietrza (np. Gdy w wyniku obliczeń uzyskana na podstawie wzorów wykroplona masa lub strumień wody będą dodatnie, oznacza to odebranie pary wodnej z powietrza (np. proces chłodzenia, osuszania), w przypadku ujemnych wartości wypadku mamy do czynienia ze zwiększaniem zawartości pary wodnej (np. nawilżanie powietrza, mw oznacza wtedy ilość dostarczonej pary wodnej do powietrza, natomiast Mw oznacza wydajność nawilżania).
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Punkt rosy i jego znaczenie
Temperatura punktu rosy to temperatura, przy której powietrze osiąga 100% wilgotności względnej, czyli powietrze osiąga stan, w którym istnieje w nim już maksymalna ilość cząsteczek wody jaka może się w nim w danej temperaturze zmieścić i nawet minimalne ochłodzenie takiego powietrza spowoduje, że będzie następować kondensacja pary wodnej.
Punkt rosy (lub temperatura punktu rosy) to wartość określająca temperaturę, przy której rozpoczyna się proces skraplania gazu lub składnika gazu (np. W przypadku pary wodnej jest to temperatura przy której powietrze (przy zastanym składzie i ciśnieniu (zależność od ciśnienia nie jest przedmiotem tego artykułu)) osiąga stan nasycenia parą wodną, która zaczyna się skraplać (przechodzi z postaci pary wodnej (gazu) do postaci ciekłej). Proces ten nazywa się kondensacją pary wodnej. Ma to miejsce głównie na powierzchniach chłodniejszych, niż temperatura otoczenia, w pobliżu których wraz ze spadkiem temperatury nadmiar wilgoci zostaje wydzielony z powietrza.
Innymi słowy, temperatura punktu rosy, to temperatura graniczna pomiędzy równowagą ilości cząsteczek odparowujących i cząsteczek kondensujących. Jeśli powietrze zostanie schłodzone do tej temperatury, para wodna zacznie się wykraplać w postaci skroplin.
Na potrzeby inżynierów wentylacji i klimatyzacji, zamiast stosowania skomplikowanych równań empirycznych, z powodzeniem można wyznaczać punkt rosy na podstawie wykresu Molliera, zwanego też wykresem „i-x” - standardowego narzędzia w inżynierii HVAC. (W krajach anglosaskich stosuje się wykres Carriera, który jest amerykańskim odpowiednikiem wykresu Molliera).
Znaczenie punktu rosy w różnych dziedzinach:
- W wentylacji przemysłowej i budynkowej temperatura punktu rosy jest kluczowa dla unikania problemów z wykraplaniem pary wodnej na zimnych powierzchniach, takich jak kanały wentylacyjne, sufity i ściany.
- W zakładach produkcyjnych, zwłaszcza w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, kontrola temperatury punktu rosy jest niezbędna do utrzymania odpowiednich warunków przechowywania i procesów technologicznych.
- Temperatura punktu rosy odgrywa istotną rolę w procesach osuszania powietrza po myciu w zakładach spożywczych.
- Punkt rosy ma bardzo duże znaczenie w malowaniu powierzchni na zewnątrz budynków.
Jeśli konstrukcja metalowa ma temperaturę niższą, niż wyznaczona przez punkt rosy to może dojść na jej powierzchni do kondensacji pary wodnej. Nawet jeśli udałby się pomalować całą powierzchnię metalową w odpowiednich warunkach należy też jeszcze wziąć pod uwagę warunki podczas schnięcia powłoki. Gdyby temperatura spadła w czasie tego procesu poniżej temperatury wyznaczonej przez punkt rosy - wilgoć osadzająca się na wilgotnej powłoce również może mieć dla niej destrukcyjne właściwości. Właściwe warunki do malowania uwzględniające punkt rosy można wyznaczyć korzystając z urządzeń do badania wilgotności powietrza oraz temperatury powietrza i malowanej powłoki.
Temperatura punktu rosy - od czego zależy?
Temperatura punktu rosy zależy od kilku czynników:
- Wilgotność względna - jak wspomniano wcześniej, im wyższa wilgotność względna, tym wyższa temperatura punktu rosy.
- Ciśnienie powietrza - w systemach pneumatycznych, gdzie powietrze jest sprężane, ciśnienie ma znaczący wpływ na punkt rosy. Wyższe ciśnienie zwiększa ilość pary wodnej, którą powietrze może pomieścić, co powoduje, że punkt rosy sprężonego powietrza jest wyższy niż punkt rosy powietrza o ciśnieniu atmosferycznym.
- Skład powietrza - obecność innych gazów w powietrzu, takich jak CO2, może wpływać na temperaturę punktu rosy. W typowych warunkach atmosferycznych ten wpływ jest minimalny, ale w specjalnych warunkach przemysłowych może mieć większe znaczenie.
- Temperatura otoczenia - zmiana temperatury otoczenia wpływa bezpośrednio na punkt rosy. Przy niższych temperaturach punkt rosy obniża się, co oznacza, że para wodna zaczyna kondensować.
Kontrola punktu rosy w systemach pneumatycznych
W systemach pneumatycznych, gdzie sprężone powietrze jest używane do zasilania maszyn i urządzeń, punkt rosy odgrywa kluczową rolę. Sprężone powietrze zawiera parę wodną, której nadmiar może prowadzić do kondensacji wewnątrz systemu, co z kolei może powodować korozję, uszkodzenia komponentów oraz zaburzenia w działaniu urządzeń.
Temperatura punktu rosy sprężonego powietrza jest krytycznym parametrem, który musi być kontrolowany, aby zapobiec problemom z kondensacją. W typowych systemach pneumatycznych, zwłaszcza w zastosowaniach przemysłowych, wymaga się, aby punkt rosy sprężonego powietrza był niższy niż najniższa temperatura otoczenia, w której system będzie pracował.
Metody kontroli punktu rosy w systemach pneumatycznych:
- Osuszacze powietrza (ziębnicze, adsorpcyjne, membranowe)
- Separatory wilgoci
- Filtry powietrza
- Systemy monitorowania
Wpływ niskiego i wysokiego punktu rosy na systemy sprężonego powietrza
W zależności od zastosowania i specyfiki realizowanego procesu, różne systemy pneumatyczne mają inne wymagania dotyczące punktu rosy. Poniżej omówiono wpływ niskiego oraz wysokiego punktu rosy na pracę systemów sprężonego powietrza.
Niski punkt rosy - w przypadku niektórych aplikacji przemysłowych, zwłaszcza tych, które pracują w niskich temperaturach otoczenia (np. -20°C), konieczne jest obniżenie punktu rosy sprężonego powietrza w celu uniknięcia kondensacji. Dzięki osuszaczom adsorpcyjnym możliwe jest osiągnięcie punktu rosy na poziomie -40°C, co gwarantuje, że nawet w niskich temperaturach powietrze pozostanie suche. Niski punkt rosy jest szczególnie ważny w aplikacjach wymagających czystości i niezawodności, takich jak przemysł farmaceutyczny, produkcja optyczna czy zaawansowane linie montażowe w przemyśle elektronicznym.
Wysoki punkt rosy - jeśli punkt rosy sprężonego powietrza jest zbyt wysoki, może dojść do kondensacji wewnątrz systemu, co prowadzi do powstawania i osadzania się wody w przewodach, korozji oraz awarii urządzeń pneumatycznych. Nawet niewielka ilość wody w systemie może prowadzić do poważnych problemów, takich jak blokowanie zaworów czy uszkodzenia delikatnych elementów. Dlatego w przypadku, gdy systemy pneumatyczne działają w środowiskach o niskiej temperaturze, tak ważne jest monitorowanie punktu rosy i utrzymywanie go na odpowiednio niskim poziomie.
Gradienty adiabatyczne i termiczna struktura atmosfery
Jak wspominaliśmy, kolejną istotną cechą atmosfery (a w każdym razie jej dolnej części - troposfery) jest spadek temperatury wraz z wysokością. Dlaczego tak jest, skoro przecież to właśnie ciepłe powietrze jest lżejsze i unosi się ku górze?
Wyobraźmy sobie, że powietrze przy powierzchni w jakimś miejscu się nagrzało, na przykład w wyniku przylegania do dobrze pochłaniającej promienie słoneczne powierzchni o małym albedo. Dla ułatwienia wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z pewną objętością - „balonikiem” - ciepłego i suchego powietrza (obecność pary wodnej uwzględnimy później). W miarę jak „balonik” wznosi się coraz wyżej, doświadcza coraz niższego ciśnienia. W związku z tym powietrze w „baloniku” rozpręża się, zwiększając swoją objętość. Rozprężanie się gazu wiąże się ze spadkiem jego temperatury, stąd temperatura wznoszącego się w procesie konwekcji „balonika” spada z wysokością. Ponieważ powietrze jest bardzo dobrym izolatorem cieplnym, „balonik” nie wymienia ciepła z otoczeniem i tym samym mamy do czynienia z procesem adiabatycznym.
W rzeczywistej atmosferze spadek temperatury jest mniejszy, najczęściej 4-7°C/km. Jest tak, ponieważ cząstki mieszają się trochę z otoczeniem, powietrze pochłania (w niewielkim stopniu) promieniowanie słoneczne, a przede wszystkim we wznoszących się „balonikach” czasem dochodzi do kondensacji pary wodnej, co spowalnia ochładzanie się powietrza podczas wędrówki w górę.
Woda, parując, pobiera z otoczenia energię (ciepło przemiany fazowej, czyli energia związana ze zmianą stanu skupienia), która może zostać oddana do otoczenia w procesie kondensacji.
Podczas wznoszenia się balonika, wraz ze spadkiem temperatury zawartość pary wodnej, jaka może pomieścić się w powietrzu, spada. Para staje się przesycona i w efekcie zaczyna się skraplać, wydzielając przy tym ciepło przemiany fazowej, które podgrzewa powietrze w „baloniku”, tym samym napędzając jego dalsze wznoszenie.
Podczas gdy w suchym baloniku spadek temperatury wraz z wysokością wynosi ok. 10°C/km (tzw. gradient suchoadiabatyczny), w baloniku zawierającym powietrze wilgotne (rozumiane jako takie, w którym dochodzi do skraplania pary wodnej) jest to ok. 4-7°C/km (tzw. Gradient suchoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy zawarta w niej woda (para wodna) nie zmienia stanu skupienia. Gradient suchoadiabatyczny w atmosferze Ziemi wynosi ok. Gradient wilgotnoadiabatyczny - zmiana temperatury wznoszącej się lub opadającej porcji powietrza, która nie miesza się z otoczeniem i nie wymienia z nim ciepła, gdy w wyniku adiabatycznego sprężania lub rozprężania zachodzi skraplanie lub parowanie wody. Wartość gradientu wilgotnoadiabatycznego zależy od temperatury i ciśnienia. Rzeczywisty gradient temperatury (zmiana temperatury powietrza z wysokością) w atmosferze zależy od wielu czynników i zazwyczaj zawiera się pomiędzy gradientem sucho- i wilgotnoadiabatycznym. Typowa wartość gradientu temperatury w troposferze wynosi około 6°C/km.
Położona najbliżej Ziemi warstwa atmosfery, na której dotąd się koncentrowaliśmy i w której temperatura spada z wysokością nazywa się troposferą. Jej grubość zależy od temperatury powierzchni Ziemi. Na równiku, gdzie temperatura powierzchni jest wysoka, konwekcja jest intensywna, a grubość troposfery sięga 16-20 km.
W leżącej nad troposferą stratosferze temperatura powietrza rośnie z wysokością. Jest to związane z obecnością ozonu. W tej warstwie (zwanej czasem ozonosferą) pochłaniane jest słoneczne promieniowanie nadfioletowe (UV), co ją skutecznie ogrzewa.
tags: #wilgotność #powietrza #wykres #zależność #od #temperatury
