Gazy wilgotne i suszenie

Gazy wilgotne i suszenie
Teoria gazów wilgotnych dotyczy gazów, które w sąsiedztwie cieczy wchłaniają pary
cieczy i stają się wilgotne. Zmiana warunków powoduje, że część pary ulega skropleniu.
Najbardziej typowym przykładem jest tutaj powietrze wilgotne – mieszanina gazów i par.
Traktujemy ją jako gaz składający się z gazu suchego (nie skroplone w atmosferze cząstki
azotu, tlenu, argonu) oraz wody występującej w powietrzu w różnych stanach fazowych.
Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu jest nieznaczne i dlatego można z pewnym
ograniczeniem stosować w tym przypadku prawa gazów doskonałych i prawa Daltona. Zatem
Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu wilgotnym jest równe:
pp = pb - ps
(1)
gdzie: pp – ciśnienie cząstkowe pary wodnej ,
pb – ciśnienie atmosferyczne,
ps - ciśnienie cząstkowe gazu suchego.
W rzeczywistych warunkach atmosferycznych rzadko spotyka się powietrze całkowicie
nasycone parą wodna, a jeszcze rzadziej idealnie suche. Najczęściej występuje powietrze
nienasycone tj. zdolne do wchłonięcia pary wodnej w danej temperaturze. Dość często
w przyrodzie występuje również powietrze w stanie przesyconym wilgocią. Wówczas część
wody nie mogąc utrzymać się w stanie lotnym skrapla się, tworząc w powietrzu mgłę. Bywa
też tak, że w pobliżu 273 K (dokładniej 0,01 oC) woda w powietrzu występuje jednocześnie
w trzech fazach; lotnej jako para, ciekłej (mgła deszczowa) i stałej (śnieg).
Stan powietrza wilgotnego określa wilgotność bezwzględna i wilgotność względna
Wilgotność bezwzględna - ilość gramów pary wodnej zawarta w jednym metrze sześciennym
powietrza wilgotnego , co jednoznacznie odpowiada gęstości pary ρp = mp/ V.
Wilgotność względna φ – stosunek gęstości pary ρp do maksymalnej gęstości pary nasyconej
ρ 
p
ρp’’ . Zatem    ,,  . Wartość p” - maksymalnej gęstości pary nasyconej powietrza w danej
 ρ p T
temperaturze podawana jest w tablicach technicznych. Z pewnym przybliżeniem wilgotność
względną można wyrazić stosunkiem ciśnień cząstkowych pary i powietrza suchego:

ρp
p R T
p
p
p
p

≈
ρ
ps R p T ps
,,
p
(2)
1
Wilgotność względną można określić przy pomocy psychrometru Assmana, higrometru itp.
Psychrometr Assmana bazuje na pomiarze temperatury przepływającego powietrza z prędkością 2 m/s przy pomocy termometru suchego oraz zwilżonego. Termometr nawilżony wykaże tym niższą temperaturę im mniej nasycone będzie powietrze badane. Wówczas więcej
ciepła parowania odbiera się od otoczenia. Jeżeli badane powietrze jest nasycone, to oba termometry wskażą tę samą temperaturę. Posługujemy się tu wzorem empirycznym:
p sm  (T  T m ) s

100%
p ss
(3)
gdzie: psm ,pss – ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego
i suchego,
Ts Tm – odczyty wskazań termometru suchego i mokrego.
Higrometry oparte są na zasadzie wydłużania się włosa odtłuszczonego lub na zasadzie
absorpcji względnie kondensacji (eter parujący). Przy ich pomocy odczytuje się temperaturę
pojawienia się pierwszych kropel rosy (tzw. punkt rosy).
Podstawowym parametrem stanu powietrza wilgotnego jest zawartość w nim wilgoci X
tj. stosunek masy wody zawartej w gazie do masy suchego gazu:
X
mw
m gs
[kg/kg]
(4)
Jeżeli ten stosunek został wyrażony w gramach, to x piszemy z małej litery.
Jeżeli gaz suchy i para wodna zawarte są w tej samej objętości, to:
X
mp
m gs

ρp V
ρ gs V

ρp
(5)
ρ gs
Wykorzystując równanie stanu dla pary i gazu suchego (ρp 
pp
R pT
i ρ gs 
p gs
R gs T
) otrzymamy
wzór:
X
R gs Pp
R p Pgs
 0,622
Pp
Pgs
 0,622
Pp
(6)
Pb  Pp
bo dla powietrza Rgs = 287 J/kg deg, a dla pary wodnej Rp = 461,9 J/kg deg.
Ps
Ponieważ pgs = pb – pp , zaś pp = φ ps , to X = 0,622 P  P
b
s
gdzie : pb – ciśnienie barometryczne,
ps – ciśnienie nasycenia pary wodnej,
φ –wilgotność względna.
2
Biorąc pod uwagę udziały wagowe pary wodnej gp =
X
1
i gazu suchego ggs =
,to stała
1 X
1 X
gazowa powietrza wilgotnego wyrazi się wzorem:
Rw 
Xpp  R gs
1 X
(7)
zaś gęstość gazu wilgotnego określa wzór:
ρw 
pb
p b (1  X)

R w T (XR p  R gs )T
(8)
Bardzo często stosuje się pojęcie stopnia nasycenia lub inaczej
stopnia zawilgocenia powietrza. Jest to stosunek istniejącej wilgotności do maksymalnie
możliwej w danej temperaturze – przed osiągnięciem stanu nasycenia:
ψ
X
X max
(9)
Istotniejsze rozbieżności pomiędzy wartościami stopniem nasycenia ψ i wilgotnością
względną φ występują tylko przy wysokich temperaturach i małych wartościach wilgotności
względnej .
Entalpia gazu wilgotnego:
J 1 x  i g  xi p
[kJ/kg gazu wilgotnego]
(10)
Przy cp ≈ 1kJ/kg deg entalpia pary wyniesie ip = 2500 + 1,965 (T – 273), zaś gazu wilgotnego J1+x = (T – 273) + (1965 T) X
Jak widać obliczanie podstawowych wielkości dla powietrza wilgotnego jest niewygodne.
W praktyce przemysłowej często korzysta się z wykresów. Mając dwa parametry spośród
pięciu można wyznaczyć pozostałe trzy ( J1+x , X, T lub t , pp , φ ).
3
Typowe procesy zachodzące z powietrzem wilgotnym
a) Mieszanie powietrza wilgotnego
Zadanie takie najłatwiej rozwiązać można przy pomocy wykresu J-x, gdy znamy parametry
dwu stanów i udziały wagowe poszczególnych składników.
J
I
J1 J3
1
J2
<1
3
2
x1 x3
x2
=1
x
Prosta 1-2 na rysunku jest prostą mieszania. Punkt 3 reprezentuje końcowy stan mieszania
masy m1 i masy m2 : m1(1-3) = m2(3-2). Analitycznie można określić entalpię i stopień
suchości punktu 3 przy pomocy wzorów:
J3 =
L1 J 1  L 2 J 2
L1  L 2
oraz
x3 =
L1 x1  L 2 x 2
L1  L2
(11)
gdzie: L1 ,L2 masy powietrza suchego ( uwaga m oznaczono masy powietrza wilgotnego),
J1,J2,J3 – entalpie w punktach 1,2,3,
x1, x2, x3 – zawartości wilgoci.
b) Nawilżanie – czyli pochłanianie małej ilości wody.
Proces ten może odbywać się po przez rozpylenie zimnej wody i jest związany z oziębianiem
gazu – lub przez wpuszczenie pary wodnej stanowiącej jednocześnie czynnik ogrzewający
gaz. Jest to mieszanie znanej masy gazu wilgotnego z określoną niewielką masą wody o
znanej entalpii.
Po zmieszaniu:
Jm = J 1+
mwiw
L
xm = x1 +
mw
L
(12)
gdzie : L - ilość gazu suchego w kg,
J1- entalpia gazu wilgotnego w kJ/kg deg,
4
x1 - zawartość wilgoci w kg,
mw - masa wody dodanej w kg,
iw - entalpia wody dodanej w kJ/kg deg.
Przy nawilżaniu interesuje nas stosunek przyrostu entalpii ∆J do przyrostu wilgoci ∆x, który
jest równy entalpii czynnika nawilżającego:
ΔJ m w i w L

 iw
Δx
mw L
[kJ/kg]
(13)
c) Ogrzewanie i oziębianie powierzchniowe
Proces ten przebiega przy x = constans i pp = constans, a na wykresie jest to linia prosta
(A-2). W czasie ogrzewania powierzchniowego wzrasta entalpia i temperatura, maleje zaś
wilgotność względna, co umożliwia wchłonięcie dodatkowej wilgoci. Oziębianie przy
p = constans, jeżeli następuje poniżej temperatury rosy (punktu rosy) wywoła to wykroplenie
wody, która może być pod postacią mgły lub kropel wody.
d) Procesy zachodzące między dużą masy wody a powietrzem nienasyconym
Powietrze na styku z wodą nasyca się w warstwie, której stan można założyć na krzywej
o φ = 100% i temperaturze wody punktu A. Wymiana masy i ciepła może przebiegać
w sposób następujący:
1. Parametry stanu powietrza x1 > xA ; φ < 100% ; pp1> ppA ; t1 > tA . Proces przebiega po
prostej 1-A, ponieważ pp1 > ppA , to nadmiar pary z powietrza będzie się wykraplać, a ciepło
skraplania zostanie przekazane wodzie. Oprócz tego powietrze o temperaturze t1 > tA będzie
oddawać ciepło wodzie.
2. Przemiana przy stanie 2 ma ciśnienie pp2 = ppA i nie będzie tu wymiany masy.
Natomiast powietrze o wyższej temperaturze będzie oddawać energię cieplną wodzie.
3. Proces w stanie 3 ma pp2 < ppA i nastąpi nieznaczne odparowanie, przy czym ciepło
parowania odbierane będzie wodzie. W tym samym czasie powietrze o wyższej temperaturze
ogrzewa wodę. Jest to tzw. proces suchej wymiany ciepła.
4. Prosta 4-A charakteryzuje proces najbardziej ustabilizowany. Parowanie przebiega wzdłuż
linii J = constans. Ciepło „suche” przekazane wodzie zostaje całkowicie zwrócone powietrzu
w postaci pary. Następuje większe nasycenie powietrza wodą.
5
5. W tym przypadku wobec nieznacznych różnic temperatur, powietrze oddaje mało ciepła
wodzie, a duże różnice ciśnień cząstkowych sprzyjają intensywnemu parowaniu i oziębianiu
cieczy
6. W tym stanie wskutek jednakowych temperatur nie ma wymiany tzw. suchej – natomiast
wystąpi intensywniejsze parowanie i oziębianie wody.
7. Proces 7-A charakteryzuje najbardziej intensywne nawilżanie powietrza oraz jego
ogrzewanie.
Poza procesem J = constans (pkt. 4) wszystkie pozostałe są chwilowe, gdyż zmienia się
temperatura wody i parametry warstewki przesuwają się z parametrami po krzywej nasycenia
φ = 100% - w górę przy jej ogrzewaniu lub w dół przy oziębianiu. Równocześnie zmienia się
stan powietrza. Cały proces ma przebieg krzywoliniowy, ale uproszczony bilans energetyczny
zakłada, że entalpia wody wzrasta o tyle o ile maleje entalpia powietrza.
Zatem:
(J1 – J2) L ≈ W (Tp – Tk) → stąd J1 – J2 =
W
(Tp  Tk )
L
(14)
gdzie: W/L – stosunek zraszania,
L – masa powietrza,
W - masa wody,
Tp – temperatura początkowa,
Tk – temperatura końcowa procesu.
Pomija się tu nieznaczną ilość wody odparowanej lub skroplonej. Równanie powyższe
pozwala badać procesy w chłodniach kominowych i skruberach
Inne czynniki termodynamiczne nie będą omawiane. Z punktu widzenia pożarnictwa
(nie tylko) interesującym jest azot – szczególnie w stanie ciekłym. Stosowany jest on do
gaszenia pewnych typów pożarów ( w kopalniach węgla kamiennego, w silosach
zbożowych). W stanie skroplonym (77 K) jego objętość jest około 700 razy mniejsza niż w
stanie
gazowych przy T = 273 K i ciśnieniu atmosferycznym. Dla porównania jeden metr
sześcienny wody daje 1700 m3 pary wodnej. Ciepło parowania azotu wynosi 199 kJ/kg przy
ciśnieniu 0,1 MPa i jest mniejsze (i to znacznie) od ciepła parowania wody 2265 kJ/kg. Pod
tym względem ciekły azot jest efektywniejszy od wody przy gaszeniu pożarów, bo szybciej
6
i całkowicie odparowuje i wypiera tlen. Ciekły azot podawany jest na źródło pożaru dyszami
„mgłowymi” o dużych wymiarach, na odległość kilku metrów. Szczegółowo problemy te nie
będą omawiane.
Pod względem termodynamicznym i fizycznym bardzo interesującym czynnikiem jest HEL ,
Oprócz wody jest on najlepiej naukowo przebadanym gazem. Jest on płynem kwantowym.
Hel wymaga podwyższonego ciśnienia przy przejściu w stan stały. Stan stały występuje pod
postacią He o sieci heksagonalnej i He o sieci przestrzennie centrowanej. Hel ciekły jest
jedynym spośród pierwiastków istniejącym w dwóch odmianach cieczy, jako hel I i hel II
rys.).
p [MPa]
He
zestalony hel
hel o sieci przestrzennie centrowanej
He
o sieci
λ’
heksagonalnej
2,45
He
2
LHe I
hel gazowy
hel ciekły
LHe II
1
hel nadpłynny
λ
k
punkt krytyczny
0’
1‘
2‘
3‘
4‘
5‘
T [K]
Parametry punktu λ i λ’ są następujące:
Tλ = 2,1735 K
Pλ = 0,005066 MPa
Tλ’= 1,76 K
Pλ’ = 3,01 MPa.
Parametry punktu krytycznego to: Tk = 5,2 K i Pk = 0,22746 MPa.
7
Przejście od jednej modyfikacji do drugiej nie mieści się w kategoriach reguły faz. Zjawisko
to nazwano „przemianą fazową drugiego rodzaju”. Przemianie tej towarzyszą nieciągłe
zmiany wielu własności fizycznych ,takich jak: ciepło właściwe, lepkość, ściśliwość,
przewodność cieplna i napięcie powierzchniowe. Lepkość normalnych cieczy zwiększa się
wraz ze spadkiem temperatury - dla helu I pozostaje praktycznie stała aż do temperatury
2,6 K. Poniżej tej temperatury lepkość He I maleje. Obniżając temperaturę helu I poniżej
krzywej λ-λ’ stwierdza się spadek lepkości helu II poniżej 10-12 Pa s (milion razy jest ona
mniejsza od lepkości helu I). To zjawisko nazwano „nadpłynnością”.
Nadpłynność przejawia się następująco:
1 - Hel II przepływa praktycznie bez tarcia przez małe otwory, silnie ubite proszki.
2 - Dwa różne poziomy helu II oddzielone przegrodą wyrównują się spontanicznie z
upływem czasu. To wyrównanie dokonuje się wskutek pełzania po ściankach naczynia
cienkiej błonki (o grubości 300 nm) z prędkością 10 cm/s. Przy „zniknięciu” lepkości
ruch
tej błonki podlega innym prawom hydromechaniki niż obowiązującym dla cieczy
normalnej.
3. – Nie tylko różnice poziomów, ale i różnice temperatur wywołują ruch błonki helu.
4. – Szybka zmiana temperatury w ciekłym helu rozprzestrzenia się w postaci fali.
Noszą one nazwę drugiego dźwięku.
5. – Mechanizm przewodzenia ciepła w helu II jest odmienny niż w innych stanach skupienia
oraz innych płynach. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła w helu II wynosi
0,85.105 W/cm K. Jest to 350 000 razy większa wartość od tej ( 0,239 W/cm K)
dla miedzi w temperaturze otoczenia . w związku z powyższym hel II używany jest do
schładzania stożków rakiet, maszyn cyfrowych , nadprzewodników itp. Hel gazowy
o temperaturze kriogenicznej (bliskiej skropleniu) służy do przetłaczania ciekłego tlenu
i wodoru do dysz silników rakietowych itd.
8