Psychometria

„Psychrometria” przekierowuje tutaj. Nie mylić z psychometrią .

Nie należy mylić z psychometrią , dyscypliną psychologii i edukacji.

Psychrometria (lub psychrometria , z greckiego ψυχρόν (psuchron) „zimno” i μέτρον (metron) „środki pomiaru”; zwana także higrometrią ) to dziedzina inżynierii zajmująca się fizycznymi i termodynamicznymi właściwościami mieszanin gazów i par .

Typowe aplikacje

Chociaż zasady psychrometrii mają zastosowanie do dowolnego układu fizycznego składającego się z mieszanin gaz-para, najbardziej powszechnym układem będącym przedmiotem zainteresowania jest mieszanina pary wodnej i powietrza, ze względu na jej zastosowanie w ogrzewaniu, wentylacji i klimatyzacji oraz meteorologii . W kategoriach ludzkich nasz komfort termiczny jest w dużej mierze konsekwencją nie tylko temperatury otaczającego powietrza, ale (ponieważ chłodzimy się poprzez pocenie się) stopnia nasycenia tego powietrza parą wodną.

Wiele substancji jest higroskopijnych , co oznacza, że ​​przyciągają wodę, zwykle proporcjonalnie do wilgotności względnej lub powyżej krytycznej wilgotności względnej . Substancje takie obejmują bawełnę, papier, celulozę, inne produkty drzewne, cukier, tlenek wapnia (wapno palone) oraz wiele chemikaliów i nawozów sztucznych. Branże, które wykorzystują te materiały, zajmują się kontrolą wilgotności względnej podczas produkcji i przechowywania takich materiałów. Wilgotność względna jest często kontrolowana w obszarach produkcyjnych, w których obsługiwane są materiały łatwopalne, aby uniknąć pożarów spowodowanych wyładowaniami elektryczności statycznej, które mogą wystąpić w bardzo suchym powietrzu.

W przemysłowych zastosowaniach suszenia, takich jak suszenie papieru, producenci zazwyczaj starają się osiągnąć optimum między niską wilgotnością względną, która zwiększa szybkość suszenia, a zużyciem energii, które zmniejsza się wraz ze wzrostem wilgotności względnej spalin. W wielu zastosowaniach przemysłowych ważne jest unikanie kondensacji , która mogłaby zniszczyć produkt lub spowodować korozję.

Pleśnie i grzyby można zwalczać, utrzymując niską wilgotność względną. Grzyby niszczące drewno na ogół nie rosną przy wilgotności względnej poniżej 75%.

Właściwości psychometryczne

Temperatura termometru suchego (DBT)

Główny artykuł: Temperatura termometru suchego

Temperatura termometru suchego to temperatura wskazywana przez termometr wystawiony na działanie powietrza w miejscu osłoniętym od bezpośredniego promieniowania słonecznego. Termin termometr suchy jest zwykle dodawany do temperatury, aby odróżnić go od temperatury termometru mokrego i punktu rosy. W meteorologii i psychrometrii samo słowo temperatura bez przedrostka zwykle oznacza temperaturę suchego termometru. Technicznie rzecz biorąc, temperatura zarejestrowana przez termometr suchy psychrometru. Nazwa wskazuje, że czujnik lub element czujnikowy jest w rzeczywistości suchy. WMO zawiera 23-stronicowy rozdział poświęcony pomiarom temperatury.

Temperatura mokrego termometru (WBT)

Główny artykuł: Temperatura mokrego termometru

Termodynamiczna temperatura mokrego termometru jest właściwością termodynamiczną mieszaniny powietrza i pary wodnej. Wartość wskazywana przez termometr mokrego termometru często zapewnia odpowiednie przybliżenie termodynamicznej temperatury mokrego termometru.

Dokładność prostego termometru mokrego zależy od tego, jak szybko powietrze przepływa przez bańkę i jak dobrze termometr jest osłonięty przed promieniującą temperaturą otoczenia. Najlepsze są prędkości do 5000 stóp/min (~60 mil na godzinę), ale poruszanie termometrem z taką prędkością może być niebezpieczne. Błędy do 15% mogą wystąpić, jeśli ruch powietrza jest zbyt wolny lub jeśli występuje zbyt dużo ciepła promieniowania (na przykład ze światła słonecznego).

Temperatura mokrego termometru mierzona przy ruchu powietrza z prędkością około 1–2 m/s jest nazywana temperaturą ekranu , podczas gdy temperatura mierzona przy ruchu powietrza 3,5 m/s lub więcej jest określana jako temperatura zawiesia .

Psychrometr to urządzenie, które zawiera zarówno termometr suchy , jak i termometr mokry. Psychrometr zawiesia wymaga ręcznej obsługi, aby wytworzyć przepływ powietrza nad żarówkami, ale zasilany psychrometr zawiera wentylator do tej funkcji. Znając zarówno temperaturę termometru suchego (DBT), jak i temperaturę termometru mokrego (WBT), można wyznaczyć wilgotność względną (RH) z wykresu psychrometrycznego odpowiedniego dla ciśnienia powietrza.

Temperatura punktu rosy

Główny artykuł: Temperatura punktu rosy

Temperatura nasycenia wilgocią obecną w próbce powietrza, można ją również zdefiniować jako temperaturę, w której para przechodzi w stan ciekły (skraplanie). Zwykle poziom, przy którym para wodna zamienia się w ciecz, wyznacza podstawę chmury w atmosferze, stąd nazywany jest poziomem kondensacji. Tak więc wartość temperatury, która pozwala na zajście tego procesu (kondensacji), nazywana jest „temperaturą punktu rosy”. Uproszczoną definicją jest temperatura, w której para wodna zamienia się w „rosę” (Chamunoda Zambuko 2012).

Wilgotność

Główny artykuł: Wilgotność

Wilgotność właściwa

Wilgotność właściwa jest definiowana jako stosunek masy pary wodnej do masy próbki wilgotnego powietrza (obejmującego zarówno powietrze suche, jak i parę wodną); jest ściśle powiązany ze wskaźnikiem wilgotności i zawsze ma mniejszą wartość.

Wilgotność bezwzględna

Masa pary wodnej przypadająca na jednostkę masy suchego powietrza zawierającego parę wodną. Wielkość ta jest również znana jako gęstość pary wodnej.

Wilgotność względna

Stosunek prężności pary wilgoci w próbce do prężności pary nasyconej w temperaturze termometru suchego próbki.

Specyficzna entalpia

Analogicznie do entalpii właściwej czystej substancji. W psychrometrii termin ten określa ilościowo całkowitą energię zarówno suchego powietrza, jak i pary wodnej na kilogram suchego powietrza.

Określona objętość

Analogicznie do objętości właściwej czystej substancji. Jednak w psychrometrii termin ten określa ilościowo całkowitą objętość zarówno suchego powietrza, jak i pary wodnej na jednostkę masy suchego powietrza.

Współczynnik psychrometryczny

Współczynnik psychrometryczny to stosunek współczynnika przenikania ciepła do iloczynu współczynnika przenikania masy i ciepła wilgotnego na zwilżonej powierzchni. Można to ocenić za pomocą następującego równania:

${\ Displaystyle R = {\ Frac {h_ {c}} {k_ {y} c_ {s}}} \,}$

Gdzie:

• ${\ displaystyle r}$ = Współczynnik psychrometryczny, bezwymiarowy
• ${\ Displaystyle h_ {c}}$ = współczynnik przenikania ciepła konwekcyjnego, W m ^-2 K ^-1
• ${\ Displaystyle k_ {y}}$ = współczynnik konwekcyjnego przenoszenia masy, kg m ^-2 s ^-1
• ${\ Displaystyle c_ {s}}$ = wilgotne ciepło, J kg ^-1 K ^-1

Współczynnik psychrometryczny jest ważną właściwością w dziedzinie psychrometrii, ponieważ wiąże wilgotność bezwzględną i wilgotność nasycenia z różnicą między temperaturą termometru suchego a adiabatyczną temperaturą nasycenia .

Mieszaniny powietrza i pary wodnej to najpowszechniejsze układy spotykane w psychrometrii. Stosunek psychrometryczny mieszanin powietrza z parą wodną wynosi w przybliżeniu jedność, co oznacza, że ​​różnica między adiabatyczną temperaturą nasycenia a temperaturą mokrego termometru mieszanin powietrze-para wodna jest niewielka. Ta właściwość układów powietrze-para wodna upraszcza obliczenia suszenia i chłodzenia, często wykonywane przy użyciu zależności psychrometrycznych.

Wilgotny upał

Wilgotne ciepło to ciepło właściwe wilgotnego powietrza przy stałym ciśnieniu na jednostkę masy suchego powietrza. Wilgotne ciepło to ilość ciepła potrzebna do zmiany temperatury masy jednostkowej pary wodnej i powietrza o 1 °C.

Ciśnienie

Wiele właściwości psychrometrycznych zależy od koncepcji ciśnienia :

• prężność pary wodnej;
• ciśnienie atmosferyczne w miejscu pobrania próbki.

Wykresy psychrometryczne

Wykres psychrometryczny wysokości nad poziomem morza

Terminologia

Wykres psychrometryczny to wykres parametrów termodynamicznych wilgotnego powietrza przy stałym ciśnieniu, często utożsamianym z wysokością względem poziomu morza. Wykres ASHRAE , pokazany tutaj, został zapoczątkowany przez Willisa Carriera w 1904 roku. Przedstawia te parametry, a zatem jest graficznym równaniem stanu . Parametry to:

• Temperatura termometru suchego ( DBT ) to temperatura próbki powietrza, określona za pomocą zwykłego termometru. Zwykle jest wykreślana jako odcięta (oś pozioma) wykresu. Jednostkami temperatury w układzie SI są kelwiny lub stopnie Celsjusza ; inne jednostki to stopnie Fahrenheita i stopnie Rankine'a .
• Temperatura mokrego termometru ( WBT ) to temperatura próbki powietrza po przejściu przez idealny proces nasycenia adiabatycznego przy stałym ciśnieniu, to znaczy po przejściu powietrza nad dużą powierzchnią ciekłej wody w izolowanym kanale. W praktyce jest to odczyt termometru, którego bańka pomiarowa jest zakryta mokrą skarpetą i odparowuje w szybkim strumieniu powietrza pomiarowego (patrz Higrometr ). Gdy próbka powietrza zostanie wstępnie nasycona wodą, WBT odczyta się tak samo jak DBT. Nachylenie linii stałej WBT to stosunek ciepła parowania wody do ciepła właściwego suchego powietrza, w przybliżeniu 0,4.
• Temperatura punktu rosy ( DPT ) to temperatura, w której wilgotna próbka powietrza pod tym samym ciśnieniem osiągnęłaby „nasycenie” parą wodną. W tym momencie dalsze odprowadzanie ciepła spowodowałoby skraplanie się pary wodnej w płynną mgłę wodną lub, jeśli temperatura jest poniżej punktu zamarzania , w stały szron . Temperaturę punktu rosy można łatwo zmierzyć i dostarcza ona przydatnych informacji, ale zwykle nie jest uważana za niezależną właściwość próbki powietrza, ponieważ powiela informacje dostępne za pośrednictwem innych właściwości wilgotności i krzywej nasycenia.
• Wilgotność względna ( RH ) to stosunek ułamka molowego pary wodnej do ułamka molowego nasyconego wilgotnego powietrza w tej samej temperaturze i ciśnieniu. Wilgotność względna jest bezwymiarowa i zwykle wyrażana jest w procentach. Linie stałej wilgotności względnej odzwierciedlają fizykę powietrza i wody: są wyznaczane za pomocą pomiarów eksperymentalnych. Koncepcja, że ​​​​powietrze „zatrzymuje” wilgoć lub że wilgoć „rozpuszcza się” w suchym powietrzu i nasyca roztwór w pewnej proporcji, jest błędna (choć rozpowszechniona); patrz wilgotność względna w celu uzyskania dalszych szczegółów.
• Wilgotność to stosunek masy pary wodnej do masy suchego powietrza w danych warunkach (DBT, WBT, DPT, RH itp.). Jest również znany jako zawartość wilgoci lub stosunek mieszania. Zwykle jest wykreślany jako rzędna (oś pionowa) wykresu. Dla danego DBT będzie istniał określony współczynnik wilgotności, dla którego próbka powietrza ma 100% wilgotności względnej: zależność odzwierciedla fizykę wody i powietrza i musi być określona przez pomiar. Bezwymiarowy współczynnik wilgotności jest zwykle wyrażany w gramach wody na kilogram suchego powietrza lub w gramach wody na funt powietrza (7000 ziaren równa się 1 funtowi).
• Entalpia właściwa , symbolizowana przez h , jest sumą energii wewnętrznej (cieplnej) danego wilgotnego powietrza, w tym ciepła zawartego w nim powietrza i pary wodnej. Zwana także zawartością ciepła na jednostkę masy. W przybliżeniu gazów doskonałych linie stałej entalpii są równoległe do linii stałej WBT. Entalpię podaje się w (SI) dżulach na kilogram powietrza lub BTU na funt suchego powietrza.
• Objętość właściwa to objętość mieszaniny (suche powietrze plus para wodna) zawierającej jedną jednostkę masy „suchego powietrza”. Jednostki SI to metry sześcienne na kilogram suchego powietrza; inne jednostki to stopy sześcienne na funt suchego powietrza. Odwrotność objętości właściwej jest zwykle mylona z gęstością mieszaniny. Jednak aby uzyskać rzeczywistą gęstość mieszaniny ( ), należy pomnożyć odwrotność objętości właściwej przez jednostkę plus wartość współczynnika wilgotności w interesującym nas miejscu: ${\ displaystyle \ rho}$

${\ Displaystyle \ rho = {\ Frac {M_ {da} + M_ {w}} {V}} \, = \ lewo ({{ \frac {1}{v}}\right)(1+W)}$

Gdzie:

• ${\ Displaystyle M_ {da}}$ = Masa suchego powietrza
• ${\ Displaystyle M_ {w}}$ = Masa pary wodnej
• ${\ Displaystyle V}$ = Całkowita objętość
• ${\ displaystyle v}$ = Objętość właściwa wilgotnego powietrza, m ³ kg ^-1
• ${\ Displaystyle W = {\ Frac {M_ {w}} {M_ {da}}} \,}$ = współczynnik wilgotności

Wykres psychrometryczny pozwala określić wszystkie parametry pewnego wilgotnego powietrza na podstawie dowolnych trzech niezależnych parametrów, z których jednym musi być ciśnienie. Zmiany stanu , takie jak mieszanie się dwóch strumieni powietrza, można łatwo i nieco graficznie modelować za pomocą odpowiedniego wykresu psychrometrycznego dla ciśnienia powietrza w lokalizacji lub wysokości względem poziomu morza. W przypadku lokalizacji na wysokości nie większej niż 2000 stóp (600 m) powszechną praktyką jest stosowanie wykresu psychrometrycznego z poziomu morza.

Na wykresie ω - t temperatura termometru suchego ( t ) jest przedstawiona jako odcięta (oś pozioma), a współczynnik wilgotności ( ω ) jako rzędna (oś pionowa). Wykres obowiązuje dla danego ciśnienia atmosferycznego (lub wysokości nad poziomem morza). Z dowolnych dwóch niezależnych z sześciu parametrów temperatury termometru suchego, temperatury termometru mokrego, wilgotności względnej, stosunku wilgotności, entalpii właściwej i objętości właściwej można wyznaczyć wszystkie pozostałe. są ${\ Displaystyle \ lewo ({6 \ na górze 2} \ prawej) = 15}$ możliwe kombinacje parametrów niezależnych i pochodnych.

Lokalizowanie parametrów na wykresie

* Temperatura termometru suchego: Linie te są rysowane prosto, nie zawsze równolegle do siebie i lekko nachylone w stosunku do pozycji pionowej. To jest t , oś odcięta (pozioma). Każda linia reprezentuje stałą temperaturę.

* Temperatura punktu rosy: Od punktu stanu podążaj poziomą linią stałego współczynnika wilgotności do punktu przecięcia 100% RH, znanego również jako krzywa nasycenia . Temperatura punktu rosy jest równa temperaturze w pełni nasyconego termometru suchego lub mokrego.

* Temperatura mokrego termometru: Linie te są liniami ukośnymi, które różnią się nieco od linii entalpii. Są identycznie proste, ale nie są do siebie dokładnie równoległe. Przecinają one krzywą nasycenia w punkcie DBT.

* Wilgotność względna: Linie hiperboliczne są wyświetlane w odstępach co 10%. Krzywa nasycenia jest przy 100% RH, podczas gdy suche powietrze ma 0% RH.

* Współczynnik wilgotności: Są to poziome linie na wykresie. Współczynnik wilgotności jest zwykle wyrażany jako masa wilgoci na masę suchego powietrza (odpowiednio funty lub kilogramy wilgoci na funt lub kilogram suchego powietrza). Zakres wynosi od 0 dla suchego powietrza do 0,03 (lbmw/lbma) na prawej osi ω , osi rzędnej lub pionowej wykresu.

* Specyficzna entalpia: Są to ukośne linie narysowane ukośnie w dół od lewej do prawej w poprzek wykresu, które są równoległe do siebie. Nie są one równoległe do linii temperatury mokrego termometru.

* Objętość właściwa: Jest to rodzina równomiernie rozmieszczonych linii prostych, które są prawie równoległe.

Obszar powyżej krzywej nasycenia jest obszarem dwufazowym, który reprezentuje mieszaninę nasyconego, wilgotnego powietrza i wody w stanie ciekłym, w równowadze termicznej.

Kątomierz w lewym górnym rogu wykresu ma dwie skale. Wewnętrzna skala przedstawia stosunek ciepła jawnego do całkowitego (SHF). Zewnętrzna skala podaje stosunek różnicy entalpii do różnicy wilgotności. Służy do ustalenia nachylenia linii stanu między dwoma procesami. Pozioma składowa linii stanu to zmiana ciepła jawnego, podczas gdy składowa pionowa to zmiana ciepła utajonego.

Jak czytać wykres: podstawowe przykłady

Wykresy psychrometryczne są dostępne w jednostkach SI (metrycznych) i IP (amerykańskich/imperialnych). Dostępne są również w zakresie niskich i wysokich temperatur oraz dla różnych ciśnień.

• Określanie wilgotności względnej: Procentową wilgotność względną można znaleźć na przecięciu pionowych linii temperatury termometru suchego i ukośnie opadających linii temperatury termometru mokrego. System metryczny (SI): Używając termometru suchego o temperaturze 25°C i mokrego o temperaturze 20°C, odczytaj wilgotność względną na poziomie około 63,5%. USA/Imperial (IP): Używając termometru suchego o temperaturze 77°F i termometru mokrego o temperaturze 68°F, odczytaj wilgotność względną na poziomie około 63,5%. W tym przykładzie stosunek wilgotności wynosi 0,0126 kg wody na kg suchego powietrza.
• Określenie wpływu zmiany temperatury na wilgotność względną powietrza: Dla powietrza o stałym składzie wody lub współczynniku wilgotności znajdź wyjściową wilgotność względną z przecięcia linii temperatury termometru mokrego i suchego. Wykorzystując warunki z poprzedniego przykładu, wilgotność względną przy różnych temperaturach termometru suchego można znaleźć wzdłuż poziomej linii stosunku wilgotności 0,0126, albo w kg wody na kg suchego powietrza, albo w funtach wody na funt suchego powietrza.

Powszechną odmianą tego problemu jest określenie końcowej wilgotności powietrza opuszczającego wężownicę parownika klimatyzatora, a następnie ogrzanego do wyższej temperatury. Załóżmy, że temperatura na wylocie z wężownicy wynosi 10°C (50°F) i została ogrzana do temperatury pokojowej (niezmieszanej z powietrzem w pomieszczeniu), co można określić, śledząc stosunek wilgotności poziomej od punktu rosy lub linii nasycenia do suchości w pomieszczeniu linia temperatury żarówki i odczyt wilgotności względnej. W typowej praktyce klimatyzowane powietrze jest mieszane z powietrzem pokojowym, które jest infiltrowane powietrzem zewnętrznym.

• Określenie ilości wody, która ma zostać usunięta lub dodana przy obniżaniu lub zwiększaniu wilgotności względnej: Jest to różnica stosunku wilgotności między warunkami początkowymi i końcowymi pomnożona przez masę suchego powietrza.

Diagram Molliera (wykres), jednostki IP

Diagram Molliera

„Mollier i - x ” (Entalpia - współczynnik mieszania wilgotności), opracowany przez Richarda Molliera w 1923 r., jest alternatywnym wykresem psychrometrycznym, preferowanym przez wielu użytkowników w Niemczech, Austrii, Szwajcarii, Holandii, Belgii, Francji, Skandynawii, krajach wschodnich Europy i Rosji.

Bazowe dane parametrów psychrometrycznych dla wykresu psychrometrycznego i diagramu Molliera są identyczne. Na pierwszy rzut oka nie ma podobieństw między wykresami, ale jeśli wykres zostanie obrócony o dziewięćdziesiąt stopni i obejrzy się go w lustrze, podobieństwo stanie się oczywiste. Współrzędne diagramu Molliera to stosunek entalpii i wilgotności. Współrzędna entalpii jest przekrzywiona , a linie stałej entalpii są równoległe i równomiernie rozmieszczone. Wykresy psychrometryczne ASHRAE od 1961 roku używają podobnych współrzędnych kreślenia. Niektóre wykresy psychrometryczne wykorzystują i wilgotności termometru suchego .

Zobacz też

• Powietrze
• Klimatyzacja
• Prawo ciśnień cząstkowych Daltona
• Punkt rosy
• Temperatura termometru suchego
• Chłodzenie wyparne
• Wilgotność
• Temperatura robocza
• Wilgotność względna
• Temperatura mokrego termometru

Linki zewnętrzne

• Western Cooling Efficiency Center Psych: wtyczka psychrometryczna typu open source do programu Microsoft Excel autorstwa Kevina Browna.
• Xchanger Inc, strona internetowa Kalkulator wilgotności, punktu rosy, przepływów masowych i strumienia ciepła dla systemów o zmiennym ciśnieniu ze sprężarkami, dmuchawami, pompami próżniowymi i wymiennikami ciepła.
• Kalkulatory Corwina Kalkulator wilgotności, punktu rosy.
• Jak czytać i używać wykresu psychrometrycznego
• Darmowy interaktywny wykres psychrometryczny online
• Kalkulator i szkicownik wykresów psychrometrycznych