Psychrometrics - Psychrometrics

Psychrometrie , psychrometrie a hygrometrie jsou názvy pro oblast strojírenství zabývající se fyzikálními a termodynamickými vlastnostmi směsí plynů a par. Termín pochází z řeckého psuchron (ψυχρόν) mínit „chladný“ a Metron (μέτρον) znamenat „způsob měření“.

Běžné aplikace

Ačkoli se principy psychrometrie vztahují na jakýkoli fyzický systém skládající se ze směsí plynů a par, nejběžnějším systémem, který je předmětem zájmu, je směs vodní páry a vzduchu, protože se používá v topení, větrání, klimatizaci a meteorologii . Z lidského hlediska je naše tepelná pohoda z velké části důsledkem nejen teploty okolního vzduchu, ale (protože se ochlazujeme pocením) míry, do jaké je tento vzduch nasycen vodní párou.

Mnoho látek je hygroskopických , což znamená, že přitahují vodu, obvykle v poměru k relativní vlhkosti vzduchu nebo nad kritickou relativní vlhkost . Mezi takové látky patří bavlna, papír, celulóza, jiné výrobky ze dřeva, cukr, oxid vápenatý (pálené vápno) a mnoho chemikálií a hnojiv. Průmyslová odvětví, která používají tyto materiály, se zabývají kontrolou relativní vlhkosti při výrobě a skladování těchto materiálů. Relativní vlhkost je často kontrolována ve výrobních prostorách, kde se manipuluje s hořlavými materiály, aby se zabránilo požárům způsobeným výboji statické elektřiny, které mohou nastat ve velmi suchém vzduchu.

V průmyslových sušárnách, jako je sušící papír, se výrobci obvykle snaží dosáhnout optima mezi nízkou relativní vlhkostí, která zvyšuje rychlost sušení, a spotřebou energie, která klesá se zvyšující se relativní vlhkostí výfukových plynů. V mnoha průmyslových aplikacích je důležité zabránit kondenzaci, která by zničila výrobek nebo způsobila korozi.

Plísně a houby lze kontrolovat udržováním nízké relativní vlhkosti. Houby ničící dřevo obecně nerostou při relativní vlhkosti pod 75%.

Psychrometrické vlastnosti

Teplota suchého teploměru (DBT)

Teplota suchého teploměru je teplota indikovaná teploměrem vystaveným vzduchu na místě chráněném před přímým slunečním zářením. Termín suchá baňka se obvykle přidává k teplotě, aby se odlišil od teploty vlhkého teploměru a teploty rosného bodu. V meteorologii a psychrometrii slovo teplota sama o sobě bez předpony obvykle znamená teplotu suché žárovky. Technicky je teplota registrována suchým teploměrem psychrometru. Název napovídá, že žárovka nebo prvek je ve skutečnosti suchý. WMO poskytuje 23stránkovou kapitolu o měření teploty.

Teplota mokrého teploměru (WBT)

Termodynamická teplota vlhkého teploměru je termodynamická vlastnost směsi vzduchu a vodní páry. Hodnota indikovaná vlhkým teploměrem často poskytuje adekvátní aproximaci termodynamické teploty vlhkého teploměru.

Přesnost jednoduchého vlhkého teploměru závisí na tom, jak rychle vzduch proudí přes žárovku a jak dobře je teploměr chráněn před sálavou teplotou svého okolí. Nejlepší jsou rychlosti až 5 000 stop/min (~ 60 mph), ale pohybovat se teploměrem touto rychlostí může být nebezpečné. Chyby až 15% mohou nastat, je -li pohyb vzduchu příliš pomalý nebo je -li přítomno příliš mnoho sálavého tepla (například ze slunečního světla).

Teplota vlhké baňky měřená se vzduchem pohybujícím se přibližně 1–2 m/s se označuje jako teplota obrazovky , zatímco teplota měřená se vzduchem pohybujícím se přibližně 3,5 m/s nebo více se označuje jako teplota závěsu .

Psychrometr je zařízení, které zahrnuje jak suchého teploměru a mokrého teploměru teploměr. Popruh psychrometr vyžaduje ruční ovládání vytvořit proudění vzduchu nad žárovek, ale poháněl psychrometr obsahuje ventilátor pro tuto funkci. Při znalosti teploty suchého teploměru (DBT) i teploty vlhkého teploměru (WBT) lze určit relativní vlhkost (RH) z psychrometrického diagramu vhodného pro tlak vzduchu.

Teplota rosného bodu

Teplota nasycení vlhkosti přítomné ve vzorku vzduchu, může být také definována jako teplota, při které se pára mění na kapalinu (kondenzace). Úroveň, při které se vodní pára mění na kapalinu, obvykle označuje základnu oblaku v atmosféře, proto se nazývá úroveň kondenzace. Takže hodnota teploty, která umožňuje tento proces (kondenzace), se nazývá 'teplota rosného bodu'. Zjednodušenou definicí je teplota, při které se vodní pára mění na „rosu“ (Chamunoda Zambuko 2012).

Vlhkost vzduchu

Specifická vlhkost

Specifická vlhkost je definována jako hmotnost vodní páry jako podíl hmotnosti vzorku vlhkého vzduchu (včetně suchého vzduchu a vodní páry); úzce souvisí s poměrem vlhkosti a má vždy nižší hodnotu.

Absolutní vlhkost

Hmotnost vodní páry na jednotku objemu vzduchu obsahujícího vodní páru. Toto množství je také známé jako hustota vodní páry.

Relativní vlhkost

Poměr tlaku par vlhkosti ve vzorku k tlaku nasycených par při teplotě suché baňky vzorku.

Specifická entalpie

Analogicky ke specifické entalpii čisté látky. V psychrometrics, termín kvantifikuje celkovou energii suchého vzduchu a vodní páry na kilogram suchého vzduchu.

Specifický objem

Analogicky ke specifickému objemu čisté látky. V psychrometrii však tento termín kvantifikuje celkový objem suchého vzduchu i vodní páry na jednotku hmotnosti suchého vzduchu.

Psychrometrický poměr

Psychrometrický poměr je poměr součinitele prostupu tepla k součinu koeficientu přestupu hmoty a vlhkým teplem ve vlhkém povrchu. Může být vyhodnoceno pomocí následující rovnice:

{\ displaystyle r = {\ frac {h_ {c}} {k_ {y} c_ {s}}} \,}

kde:

${\ displaystyle r}$ = Psychrometrický poměr, bezrozměrný
${\ displaystyle h_ {c}}$ = součinitel přenosu tepla konvekcí, W m ⁻² K ⁻¹
${\ displaystyle k_ {y}}$ = součinitel přenosu konvekční hmotnosti, kg m ⁻² s ⁻¹
${\ displaystyle c_ {s}}$ = vlhké teplo, J kg ⁻¹ K ⁻¹

Psychrometrický poměr je důležitou vlastností v oblasti psychrometrie, protože vztahuje absolutní vlhkost a vlhkost nasycení k rozdílu mezi teplotou suché baňky a teplotou adiabatické saturace .

Směsi vzduchu a vodní páry jsou nejběžnějšími systémy, se kterými se setkáváme v psychrometrii. Psychrometrický poměr směsí vzduch-vodní pára je přibližně jednotný, což znamená, že rozdíl mezi teplotou adiabatického nasycení a teplotou vlhkého teploměru směsí vzduch-vodní pára je malý. Tato vlastnost systémů vzduch-vodní pára zjednodušuje výpočty sušení a chlazení často prováděné pomocí psychrometrických vztahů.

Vlhké teplo

Vlhké teplo je specifické teplo konstantního tlaku vlhkého vzduchu na jednotku hmotnosti suchého vzduchu. Vlhké teplo je množství tepla potřebného ke změně teploty jednotkové hmotnosti směsi vodní pára - vzduch o 1 ° C.

Tlak

Mnoho psychrometrických vlastností závisí na konceptu tlaku :

tlak páry vody;
atmosférický tlak v místě vzorku.

Psychrometrické grafy

Psychrometrický graf pro nadmořskou výšku

Terminologie

Psychrometrický graf je graf termodynamických parametrů vlhkého vzduchu při konstantním tlaku, který se často rovná výšce vzhledem k hladině moře. Zde zobrazený psychrometrický graf ve stylu ASHRAE byl propagován Willisem Carrierem v roce 1904. Zobrazuje tyto parametry a je tedy grafickou stavovou rovnicí . Parametry jsou:

Teplota suchého teploměru ( DBT ) je teplota vzorku vzduchu stanovená běžným teploměrem. Obvykle je vykreslován jako úsečka (vodorovná osa) grafu. Jednotky SI pro teplotu jsou kelviny nebo stupně Celsia ; další jednotky jsou stupně Fahrenheita a stupně Rankine .
Teplota mokré baňky ( WBT ) je teplota vzorku vzduchu poté, co prošel konstantním tlakem, ideálním adiabatickým procesem nasycení, tj. Poté, co vzduch prošel velkým povrchem kapalné vody v izolovaném kanálu. V praxi se jedná o čtení teploměru, jehož snímací baňka je pokryta vlhkou ponožkou odpařující se do rychlého proudu vzduchu vzorku (viz vlhkoměr ). Když je vzorek vzduchu předem nasycen vodou, WBT bude číst stejně jako DBT. Sklon čar konstantního WBT je poměr mezi teplem odpařování vody a specifickým teplem suchého vzduchu, zhruba 0,4.
Teplota rosného bodu ( DPT ) je teplota, při které by vzorek vlhkého vzduchu při stejném tlaku dosáhl „nasycení“ vodní párou. V tomto okamžiku by další odstranění tepla vedlo ke kondenzaci vodní páry do kapalné vodní mlhy nebo, pokud je pod bodem mrazu , do tuhé jinovatky . Teplota rosného bodu se měří snadno a poskytuje užitečné informace, ale obvykle není považována za nezávislou vlastnost vzorku vzduchu, protože duplikuje informace dostupné prostřednictvím jiných vlastností vlhkosti a křivky sytosti.
Relativní vlhkost ( RH ) je poměr molární frakce vodní páry k molární frakci nasyceného vlhkého vzduchu při stejné teplotě a tlaku. RH je bezrozměrný a obvykle se vyjadřuje v procentech. Čáry konstantní RH odrážejí fyziku vzduchu a vody: jsou určeny experimentálním měřením. Představa, že vzduch „zadržuje“ vlhkost, nebo že se vlhkost „rozpouští“ v suchém vzduchu a v určitém poměru nasycuje roztok, je mylná (byť rozšířená); další podrobnosti viz relativní vlhkost .
Poměr vlhkosti je podíl hmotnosti vodní páry na jednotku hmotnosti suchého vzduchu za daných podmínek (DBT, WBT, DPT, RH atd.). Je také známý jako obsah vlhkosti nebo směšovací poměr. Obvykle je vykreslován jako svislá osa (svislá osa) grafu. Pro daný DBT bude existovat konkrétní poměr vlhkosti, pro který je vzorek vzduchu při 100% relativní vlhkosti: vztah odráží fyziku vody a vzduchu a musí být určen měřením. Poměr bezrozměrné vlhkosti je obvykle vyjádřen jako gramy vody na kilogram suchého vzduchu nebo zrna vody na libru vzduchu (7000 zrn se rovná 1 libře).
Specifická entalpie , symbolizovaná h , je součet vnitřní (tepelné) energie dotyčného vlhkého vzduchu, včetně tepla vzduchu a vodní páry uvnitř. Také se nazývá tepelný obsah na jednotku hmotnosti. Při aproximaci ideálních plynů jsou linie konstantní entalpie rovnoběžné s liniemi konstantní WBT. Entalpie se udává v (SI) joulech na kilogram vzduchu nebo BTU na libru suchého vzduchu.
Specifický objem je objem směsi (suchý vzduch plus vodní pára) obsahující jednu jednotku hmotnosti „suchého vzduchu“. Jednotky SI jsou krychlové metry na kilogram suchého vzduchu; ostatní jednotky jsou krychlové stopy na libru suchého vzduchu. Převrácená hodnota specifického objemu je obvykle zaměňována za hustotu směsi. Aby se však získala skutečná hustota směsi ( ), je třeba vynásobit inverzi specifického objemu jednotkou plus hodnotou poměru vlhkosti v bodě zájmu: ${\ Displaystyle \ rho}$

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

kde:

${\ displaystyle M_ {da}}$ = Hmotnost suchého vzduchu
${\ displaystyle M_ {w}}$ = Hmotnost vodní páry
${\ displaystyle V}$ = Celkový objem
${\ displaystyle v}$ = Specifický objem vlhkého vzduchu, m ³ kg ⁻¹
${\ displaystyle W = {\ frac {M_ {w}} {M_ {da}}} \,}$ = Poměr vlhkosti

Psychrometrický diagram umožňuje určit všechny parametry vlhkého vzduchu ze všech tří nezávislých parametrů, z nichž jeden musí být tlak. Změny stavu , například když se mísí dva proudy vzduchu, lze snadno a poněkud graficky modelovat pomocí správného psychrometrického grafu pro tlak vzduchu nebo nadmořskou výšku místa vzhledem k hladině moře. Pro místa v nadmořské výšce nejvýše 2 000 stop (600 m) je běžnou praxí používat psychrometrický diagram hladiny moře.

V grafu ω - t se teplota suché baňky ( t ) jeví jako vodorovná osa (vodorovná osa) a poměr vlhkosti ( ω ) jako svislá osa (svislá osa). Pro daný tlak vzduchu (nebo nadmořskou výšku) platí graf. Z jakýchkoli dvou nezávislých ze šesti parametrů teplota suché baňky, teplota vlhké baňky, relativní vlhkost, poměr vlhkosti, specifická entalpie a specifický objem lze určit všechny ostatní. Existují možné kombinace nezávislých a odvozených parametrů. ${\ Displaystyle \ left ({6 \ atop 2} \ right) = 15}$

Umístění parametrů na grafu

* Teplota suchého teploměru: Tyto čáry jsou nakresleny rovně, ne vždy navzájem rovnoběžně, a mírně svisle od svislé polohy. Toto je t – osa, osa x (vodorovná) osa. Každý řádek představuje konstantní teplotu.

* Teplota rosného bodu: Ze stavu sledujte vodorovnou čáru konstantního poměru vlhkosti k průsečíku 100% RV, známou také jako křivka nasycení . Teplota rosného bodu se rovná plně nasyceným teplotám suchého teploměru nebo vlhkého teploměru.

* Teplota mokré baňky: Tyto čáry jsou šikmé čáry, které se mírně liší od čar entalpie. Jsou identicky rovné, ale nejsou navzájem přesně rovnoběžné. Ty protínají křivku nasycení v bodě DBT.

* Relativní vlhkost: Tyto hyperbolické čáry jsou zobrazeny v intervalech 10%. Křivka nasycení je na 100% RH, zatímco suchý vzduch na 0% RH.

* Poměr vlhkosti: Toto jsou vodorovné čáry na grafu. Poměr vlhkosti je obvykle vyjádřen jako hmotnost vlhkosti na hmotnost suchého vzduchu (libry nebo kilogramy vlhkosti na libru nebo kilogram suchého vzduchu). Rozsah je od 0 pro suchý vzduch až do 0,03 (lbmw/lbma) na pravé straně ω -osy, na svislé nebo svislé ose grafu.

* Specifická entalpie: Jedná se o šikmé čáry nakreslené diagonálně dolů zleva doprava přes graf, které jsou navzájem rovnoběžné. Nejsou rovnoběžné s teplotními čarami vlhkých žárovek.

* Specifický objem: Jedná se o rodinu rovnoměrně rozložených přímek, které jsou téměř rovnoběžné.

Oblast nad křivkou nasycení je dvoufázová oblast, která představuje směs nasyceného vlhkého vzduchu a kapalné vody v tepelné rovnováze.

Úhloměr v levé horní části grafu má dvě měřítka. Vnitřní stupnice představuje poměr citelného a celkového tepla (SHF). Vnější měřítko udává poměr rozdílu entalpie k rozdílu vlhkosti. To se používá ke stanovení sklonu čáry podmínek mezi dvěma procesy. Horizontální složkou kondicionační čáry je změna citelného tepla, zatímco vertikální složkou je změna latentního tepla.

Jak číst graf: základní příklady

Psychrometrické grafy jsou k dispozici v jednotkách SI (metrické) a IP (US/Imperial). Jsou také k dispozici v nízkých a vysokých teplotních rozsazích a pro různé tlaky.

Stanovení relativní vlhkosti: Procentní relativní vlhkost může být umístěna v průsečíku svislé suché baňky a šikmo dolů po šikmých teplotních linkách vlhkého teploměru. Metrické (SI): Pomocí suché baňky 25 ° C a vlhké baňky 20 ° C odečtěte relativní vlhkost přibližně 63,5%. US/Imperial (IP): Pomocí suché baňky 77 ° F a vlhké baňky 68 ° F odečtěte relativní vlhkost přibližně 63,5%. V tomto případě je poměr vlhkosti 0,0126 kg vody na kg suchého vzduchu.
Určení vlivu změny teploty na relativní vlhkost: Pro vzduch s pevným složením vody nebo poměrem vlhkosti vyhledejte počáteční relativní vlhkost od průsečíku teplotních čar mokré a suché baňky. Pomocí podmínek z předchozího příkladu lze relativní vlhkost při různých teplotách suchého teploměru nalézt podél čáry horizontálního poměru vlhkosti 0,0126, buď v kg vody na kg suchého vzduchu, nebo v librách vody na libru suchého vzduchu.

Běžnou variantou tohoto problému je stanovení konečné vlhkosti vzduchu opouštějícího cívku výparníku klimatizace a poté zahřátého na vyšší teplotu. Předpokládejme, že teplota opouštějící cívku je 10 ° C (50 ° F) a je zahřívána na pokojovou teplotu (nemísí se s pokojovým vzduchem), což se zjistí sledováním vodorovného poměru vlhkosti od rosného bodu nebo linie nasycení do místnosti suché čára teploty žárovky a čtení relativní vlhkosti. V typické praxi se upravený vzduch mísí se vzduchem v místnosti, který je infiltrován venkovním vzduchem.

Stanovení množství vody, která má být odstraněna nebo přidána při snižování nebo zvyšování relativní vlhkosti: Toto je rozdíl v poměru vlhkosti mezi počátečním a konečným stavem a hmotností suchého vzduchu.

Mollierův diagram (graf), IP jednotky

Mollierův diagram

Diagram „Mollier i - x “ (Enthalpy - Humidity Mixing Ratio), vyvinutý Richardem Mollierem v roce 1923, je alternativní psychrometrický graf, který upřednostňuje mnoho uživatelů ve Skandinávii, východní Evropě a Rusku.

Základní data psychrometrických parametrů pro psychrometrický diagram a Mollierův diagram jsou totožné. Na první pohled je mezi grafy malá podobnost, ale pokud se graf otočí o devadesát stupňů a podívá se do zrcadla, podobnost se ukáže. Souřadnice Mollierova diagramu jsou entalpie a poměr vlhkosti. Souřadnice entalpie je zkosená a linie konstantní entalpie jsou rovnoběžné a rovnoměrně rozmístěné. Psychrometrické grafy ASHRAE od roku 1961 používají podobné souřadnice vykreslování. Některé psychrometrické grafy používají souřadnice poměru teploty a vlhkosti suché žárovky .

Viz také

Reference

externí odkazy

Centrum efektivity Western Cooling Psych: Open-source Psychrometric Plug-in pro Microsoft Excel od Kevina Browna.
Xchanger Inc, webová stránka Kalkulačka vlhkosti, rosného bodu, hmotnostních toků a tepelného toku pro systémy s proměnným tlakem s kompresory, dmychadly, vakuovými čerpadly a výměníky tepla.
Corwinovy kalkulačky Kalkulačka vlhkosti, rosného bodu.
Jak číst a používat psychrometrický diagram
Zdarma online interaktivní psychrometrický graf

Languages

In other projects