POMIAR TEMPERATURY PUNKTU ROSY ZMODYFIKOWANĄ

POMIAR TEMPERATURY PUNKTU ROSY ZMODYFIKOWANĄ

BIULETYN
INFORMACYJNY INSTYTUTU TECHNIKI
.
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
Nr 3Č
CIEPLNEJ
1972
Doc. dr hab. inż. Kazimierz Brodowicz
Mgr inż. Stanisław Kasprzak
Instytut Techniki Cieplnej
POMIAR TEMPERATURY PUNKTU ROSY
ZMODYFIKOWANĄ METODĄ LUSTERKOWĄ
1. Wstęp
Temperatura mieszaniny parowo-gazowej, przy której zawarta w niej para osiąga stan-nasycenia, nosi nazwę temperatury
punktu rosy. Jeżeli znany jest rodzaj pary, a tym samym zależność prężności tej pary od temperatury, a ponadto parametry
intensywne mieszaniny,
temperaturę 1 ciśnienie, to określenie temperatury punktu rosy jednocześnie wyznacza stężenie
pary w mieszaninie. Temperaturę punktu rosy można wyznaczyć
mierząc temperaturę powierzchni, na której pojawia się rosa.
Wykrycie pojawiającej się rosy jest szczególnie łatwe, jeżeli
kondensacja występuje na powierzchni zwierciadła, gdyż powstałe krople rosy bardzo zmieniają zdolność odbicia światła
od powierzchni zwierciadła, co łatwo zarówno zaobserwować jak
i zmierzyć.
N a tej zasadzie oparta jest klasyczna metoda lusterkowa
pomiaru temperatury punktu rosy, która może być przeprowadzona w dwóch nieco odmiennyeh wersjach. W pierwszej lusterko
jest podgrzewane (lub ochładzane) i istnieje możliwość pomiaru jego temperatury w funkcji^ezasu. Temperatura powierzchni
zwierciadła ochładzanego w momencie pojawienia się rosy i temperatura podgrzewanego zwierciadła!'w momencie zanikania rosy
jest podstawą do wyznaczania średniej arytmetycznej
z
tych
dwóch temperatur, którą przyjmuje się umownie jako temperaturę punktu rosy. W drugiej wersji nieco rozbudowanej w sensie
_^miej:^^dowicz^Stanisław
pomiarowym, z systemem ogrzewania
ПУ, który pozwala na d o k L n L " l y
Kasprzak
У
Р
^
Ρ
ΡΓΖθάη1
su. Pierwszy związany jest z n u k l L c " het
stawaniem zarodzi na
^
° '
УС2
~
peratury powierzchni z w i e r c i a d a V
°
°
I
W a t e , ł ł m l
i ta temperatura uważana jest 2 a t ^ T '
"
*
^
Obie te wersje obarczone ^
V
^
^
g
?
?
«
^
mowionym szczegółowo w punkcie Ρ Ji •
^ t e m a t y c z n y m , cW przedstawionej m o d y ^ k L i
»Piania,
peraturze zmiennej » Л Т ^
^ Г ^
°
^
ustal
sie. Zwierciadło wyposażone T J J
,
'
° * e j w czana określenie
r o ^ T ^ ' ^ ^ ^ ^
peraturę punktu rosy uważa s l e L
P ™ - r z c h n i . Za tempującą w miejscu po a Z a
Г "
^
^ « o i a d ł a wystęβ
docznych gołym okiem
^
» « ^ e h
kropel rosy w l .
w - o s t istniejących już kropel. P x e r w "
ni h
^
ny dla procesu, ale drugi decyduje o oLs l
^
termodynamicznej.
ągmęciu
ΡΓ
°°*-
^
^
~
równowagi
n i e 2 b ? d
Hównowagę termodynamiczną w b a d a n ™ „
суш Przy stałym ciśnieniu wyr J i c 1 Г
"
równowagowej. Wartość jej można p r z e d s W ć T ^
trzech składników
Przedstawić w postaci
sumy
gdzie:
4
- temperatura równowagowa w v s t Pe n n i » ™
iecz
składa si? wУy łą ąC cZ zn inei e %
7
^
^
°
μ
« f
z tej samej substancji co na
r a , a faza gazowa oddzielona iest он
d
C l·
e c z
wierzchnią p ł a s k ą ,
^
°
* P°-
Pomiar temperatury punktu rosy zmodyfikowaną metodą...
ΔτΕΚ
49
~ p o p r a w a temperatury wynikająca z równowagi w otoczeniu zakrzywionej powierzchni cieczy (efekt Kelwina),
T
^ E R ~ poprawka temperatury wynikająca z zanieczyszczenia
cieczy (efekt Raoulta).
Efekt Kelwina określa podwyższenie ciśnienia równowagowego nad powierzchnią wypukłą cieczy w wyniku działania sił napięcia powierzchniowego [1,3]. Utrudnia to kondensację w
kroplę o małych wymiarach w stosunku do kondensacji w ciecz o
powierzchni płaskiej. Ponieważ w warunkach eksperymentu temperatura kropli jest równa temperaturze powierzchni zwierciadł a , to im mniejsza k r o p l a , tym zimniejsze musi być zwierciadło, aby wystąpiła równowaga termodynamiczna między otaczającą
parą a cieczą zawartą w tej kropli. Efekt ten dla kropli o wymiarach 8·10~ [cm], niewidocznych pojedynczo gołym okiem,
ale których obecność jest zauważalna w postaci nalotu na powierzchni zwierciadła, obniża temperaturę równowagi o Δ Τ
5
= 0,15 L°CJ. Dla kropli o wymiarach 8 < 1 6 [cm] również p o jedynczo jeszcze niewidocznej tylko o
= 0,015 [°c]. Zatem^przy kroplach widocznych gołym okiem, a więc większych niż
10
[cm] efekt ten jest zupełnie pomijalny.
Efekt Eaoulta odgrywa ważniejszą rolę i wynika z rozpuszczonych w kropli zanieczyszczeń, które obniżają ciśnienie
cząstkowe pary kondensującej śię,'a tym samym
i
temperaturę
kondensacji. W warunkach rzeczywistych zanieczyszczenia
zawsze występują i wywołane są obecnością śladowych ilości obcych substancji. W wyniku tego efektu rosa po'wstaje na powierzchni, której temperatura jest nieco wyższa niż temperatura punktu rosy. Powstawanie kondensacji w tych warunkach
szczegółowo badał Davies' [4], który w y k a z a ł , że krople powstają n a powierzchni, której temperatura przekracza punkt rosy (w t e m p . 0 [°c]) o 0,4 * 1,5 [°c]. N a podstawie tych badań
m o ż n a oszacować przy pewnych założeniach wpływ efektu Eaoult a . Zakładając stałą wartość bezwzględną
substancji
zanieczyszczającej w kropli, efekt ten .będzie malał ze wzrostem
objętości k r o p l i , a więc proporcjonalnie do sześcianu' jej
6
średnicy. Przy wymiarze kropli rzędu S - I O " [cm]różnice temperatury punktu rosy na podstawie przytoczonych badań wynoszą
(dla
О Г°с1)
ς Г°п1
V
ai
Г;:
— * • * >
e r ι С]
—
.
W'
2niCe
t
miarów.
e
'
się
™
f T
s t a
" "
Ä
iadw0
widocznej
(d=8.,0-6fm)
г05ц
5
4Q-4
"
"
3
2
-
Pimente
ΙΟ'"
0
-
X
í
f
—
l g n i ę c i a widocznych
—
C 3 i
gołym
0
średnicy
ki«m wy-
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
Zaproponowana metoda poleca n= „* ·
W
peraturze zmienne, w sposób ο ^ Γ η Γ I Z ^
^
° β1β
etalej w czasie. Temperatura p c Ä L l ' Г
się od wartości nieco p o w v ż e i V
zwierciadła zmienia
co poniżęj tej w a r t o L i " ' ^
^
^
- s y do nieEozkład temperatury na powierzchni zwierciadła
Wiono na wykresie (rvs
=
^ ,
zwierciadła
P
czasie
°
^opel »
w . »
M ł e
J
Z I I
„
przedsta«uein
P o m i a r temperatury punktu rosy zmodyfikowaną m e t o d ą . . .
51
pel. Miejsce to łatwo zlokalizować dzięki
skali utworzonej
przez przylutowane termoelementy. Znając rozkład temperatury
tC e C]<
o b s z a r btędu ΐγ
mieszaniny wzorcowej
R y s . 2 . Rozkład temperatury powierzchni w funkcji długości
wzdłuż powierzchni zwierciadła można określić temperatury powstawania tych kropel. Dodatkowo wyjaśnia to przedstawiony rozkład wymiaru kropel w funkcji długości zwierciadła (rys.4),
przy założeniu rozkładu temperatur względem długości wg rys. 2 ,
wyliczony na podstawie danych Davies»a.
Omówiony rozkład temperatury uzyskano na powierzchni zwierciadła chłodzonego w określony sposób. Ibwierzchnię zwierciadła tworzy mosiężna blacha polerowana i chromowana o długości
60 [mm], szerokości 30 [mm] i grubości 0,5 [mm], >do której
przylutowano pięć termoelementćw, umożliwiających pomiar tem-
Bys.3. Zdjęcie fragmentu zwierciadła z widoczną granicą
dużych kropel (zaznaczone strżałką)^ Na odjęciu widoczne
elementy (powiększenie 5 2:)
występowania
są 4 termo-
—.
peratury powierzchni w pięciu
Kasprzak
„u
а
Г1 :
j : — ΐ
nimVf!1
d Icml 1
-pojedyncza
kropla widoczna gołym okiem
wymiar kropli
przy którym zauważalny jest na
powierzchni2mercíadřa nalot
»Ϊ3.4. B
o z H a a
ebäodnica zasilana .„da
„
fc>i lc
к
k r o p < l
,.л1!
n l a
»-»«Iły zaroszenia 2 5 l c r . = l
bliżeniu prostopadła do ο ,
ЖГЬ»
> M i u ż
s c i
"
°
' !
E
? e
™
t u r
«.
s
аеш
° ?<™°
Γ Ι ^ Τ ^ Ζ Ξ Γ
Í Ů T r r
dodatkowa
-
^
^
*
T
í
Pomiar temperatury punktu rosy zmodyfikowaną metodą...
53
4 . Weryfikacja zaproponowanej metody
i analiza uzyskanej dokładności
W celu sprawd zenia dokładności przedstawionej metody pomiaru punktu rosy przeprowadzono eksperyment sprawdzający, który polegał na wprowadzeniu zwierciadła do mieszaniny parowogazowej o znanej temperaturze w stanie nasyconym, którą wytworzono w specjalnie w tym celu zbudowanej komorze (rys.5).
Szczegóły budowy komory są następujące: Komora zbudowana
jest z blachy stalowej w kształcie prostopadłościanu o wymiarach 700 * 400 * 250, od góry przykryta jest odpowiednio uszczelnioną szybą szklaną. Wewnątrz komory znajduje się taca
z wodą podgrzewaną wężownicą do dowolnej temperatury w zakresie 30 * 90 [°c].
W wodzie zanurzone są knoty z tkaniny o rozwiniętej powierzchni, Między wilgotnymi knotami przepływa powietrze z
prędkością 3 [m/s]. Frzepływ wywołuje wentylator napędzany
silnikiem elektrycznym, umieszczonym na zewnątrz komory. Do
ścian komory od strony zewnętrznej umocowane są wężownice zapobiegające stratom ciepła. Są one zasilane z tego samego ul-
t r a t e r r a o s t a t u , oo w ę ż o w n i c a z a n u r z o n a w m o d z i e и а - И и - i
na t a c . C a ł o ś ć i z o l o » a n a
'
f
s t j r o p l a n n° ^
•
£
.
r ^ T i r Л?ЛГГо^ГТГ Гíin'
^ - т е . г : : ;
sU ι UJ - « 9 , 6 % , a p r z y 30
nie odbieeai- J e + í
J
°c'
_ qq
'
u '
W a r t o s c i
.
te
nieznacz-
, « Ä r c Ä ^ t s r ν***·
«
«
r
; S
6
Z
· ·
względne wartości!
t y C b
^
^
"a
^
riislcich t e , , ™ ™ ; " "
I
rozprouenia
śmatta
t e m p e r a t u r a 30"C
wartości
w stanie
ustalonym
Rys.6. Zmienność rozproszenia światła proporci ona
^
wierzchni zwierciadła V L n ^ f c z a s u
[
CJ
C Z a S
U S t a l 6 Q i a
8 l
ť
2&Γ
°
[ m i n ]
3ΖΘη1&
"raozf - T °
« — r ó w n o w a g i
gracza jedną, godzinę,
dla wyższych temperatur
- w g L p ir z e ach
„
-cempera- A
i/'j· e-nri?;™™
Гг>_т
™ granicach
:odziny (np. przy 70 [°c] - 14 minut).
P o m i a r temperatury punktu rosy zmodyfikowanąmetodą...55
Pomiary sprawdzające przedstawioną metodą wykazały, że
błąd bezwzględny pomiaru dla zakresu temperatur od 30 [°c] do
Q0 [°cl zawiera się w granicach + 0.1 S [°cl - rvR.7.
vrP['C]
+ 0,15
obszar btedu. Tr'
+ 0,10
+ 0,03-/////,
0,00
-Ą05
? ,
mttizanmy wzorcowej
-0,10
-0,15
20
30
e
40
50
60
Ψ0
80
90
t[ C]
R y s . 7 . B ł ą d pomiaru tamperatury punktu rosy dla różnych wartości temperatur bezYizględnych
5. Wady i zalety zaproponowanej metody
Do wad metody zaliczyć można długi czas ustalania się warunków równowagi, szczególnie w niskich temperaturach. Uniemożliwia to pomiar parametrów mieszanin, które wykazują zmienność własności w czasie. Wadą jest również fakt, że struktura
zaroszenia zmienia się z małych kropel, niewidocznych gołym
okiem, do dużych widocznych jednak na pewnej niewielkiej przestrzeni, a nie skokowo.
Do zalet zaliczyć można:
- dokładność pomiaru temperatur punktu rosy przewyższającą
dokładność stosowanych dotychczas metod i to w warunkach
bez zachowania specjalnej czystości powierzchni zwierciadła
lub mieszaniny,
- możliwość pomiaru w dowolnym zakresie temperatur i ciśnień
oraz mały wpływ prędkości przepływającej-mieszaniny.
BIBLIOGRAFIA
л,, , „ „
Η
l a i t í
„
„
d
o l r t u
wileotnoáci. ^
„_
^
í e i a h o i a
^
^
^
LLl ;68 p2esneffletodyPOffail ru *
[2] Ł a p i ń s k i Μ., Kostyrko К., Włodarski w .
w
L3j Malrose J . C . : M o d e l Calculations for C a . i ń
,
Ε. J o u r n a l , s e p t . I 9 6 6 .
C a p i l l a r y Condensation.A.I.Ch.
!>] Davies D . K . : The I n s o l e n t Condensation of
Sufrace. Brit. J . Appl. P h y s . ^
^
£ £
Wa
ter V
»n *
Gold
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ
МОДИФИЦИРОВАННОМ ЗЕРКАЛЬНОМ МЕТОДОМ
Краткое
содержание
S r S r r r j r r " MeT"e И3— — —
Х-
- з е р к а л о С п о с т о я -НнНн п йИ
„
* °
TT«
п о
менной по длине температурой
ООО
» ,нде3
Ροο»
„
^мени и.пере.
По: ™
°
βΡ
ίΜ
"°"
S u m m a r y
A mirror has been used in
- e m e n t of dew p o i n t ^
constant and
a
^
T
length v a r i . b T
latter being d e t e J l
Γ
У
Purpose.
+
rmo
n a k e d
e y e
**
that embodies
я
.
R ę k o p i s dostarczono w lipcu I972
~ o u p l e s mounted properly
a
,
w h e r e
~
time
for this
'młv+
S U r f a C e
r
**
of the
c
in the p o i n t of the m r 0 r su faсГ Γ
Ыв to a
.
Ir Г Т Т "
The dew p o i n t temperature of
—
^
m i X t u r e s
*
d r o p , of dew
a r e
visi-
.