Визначення параметрів кліматичних умов оточуючого середовища

Мета роботи: освоїти методики визначення та реєстрації параметрів кліматичних умов при випробуваннях матеріалів. Ознайомитись з методами кондиціонування матеріалів перед випробуваннями.

 

Завдання:

1. Ознайомитись з психрометричним методом визначення вологості повітря.

2. Перевірити з використанням простого та аспіраційного психрометрів відносну вологість та температуру повітря в приміщенні лабораторії.

3. Порівняти показання простого та аспіраційного психрометрів, розрахувати швидкість повітря біля простого психрометра, підібрати відповідну таблицю для правильного визначення вологості повітря в даному приміщенні простим або аспіраційним психрометром.

4. Ознайомитись з гігрометричним методом визначення відносної вологості та температури повітря.

5. Ознайомитись з методами кондиціонування текстильних матеріалів.

 

Загальні відомості:

Для отримання об’єктивних результатів досліджень властивостей текстильних матеріалів перед випробуваннями проводять кондиціонування підготовлених проб. Це обумовлюється впливом вологості досліджуваного матеріалу на його фізичні та механічні властивості. Сутність кондиціонування полягає у витримуванні проб матеріалу протягом певного періоду при нормальних кліматичних умовах з метою приведення їх вологості до стану, близького до сорбційної рівноваги.

Текстильні матеріали здатні поглинати вологу з оточуючого середовища. Зміна їх вологовмісту викликає зміну важливих показників властивостей, таких, наприклад, як міцність, деформаційна здатність та ін. Для отримання достовірних результатів випробування та їх порівняння необхідно створювати та підтримувати постійні умови. Такі умови називаються нормальними, вони регламентуються стандартом.

Кліматичні умови при кондиціонуванні та випробуваннях текстильних матеріалів характеризуються температуроюt і відносною вологістю повітря φ.

Текстильні матеріали необхідно певний час витримувати при нормальних кліматичних умовах (t=20±2°C, φ=65±2%). Вологу, яку текстильний матеріал вбирає при тривалому витримуванні при нормальних кліматичних умовах, називають нормальною. Дотримування нормальних кліматичних умов є обов’язковим при стандартних випробуваннях.

Відносна вологість повітряφ, [%] характеризує ступінь насичення повітря водяними парами та визначається за формулою:

(1.1)

де р_d – тиск водяної пари атмосфери при певній температурі, [Па];

р_t – тиск насиченої водяної пари атмосфери при тій же температурі, [Па].

Для виміру температури та відносної вологості повітря застосовують простий або аспіраційний психрометри, а для цілодобової реєстрації цих параметрів використовуються такі прилади, як термограф та гігрограф.

Під час кондиціонування в залежності від початкової вологості матеріалу можуть відбуватися процеси сорбції (поглинання вологи), або десорбції (віддачі вологи). Вологість текстильного матеріалу, яка відповідає сорбційній рівновазі, називається рівноважною вологістю. Якщо відбувається процес сорбції, то показник рівноважної вологості нижче, ніж під час процесу десорбції (рис.1.1). Тому для отримання об’єктивних результатів досліджень кондиціонування проводять в умовах сорбції вологи матеріалом. В цьому випадку проби матеріалу спочатку підсушують протягом однієї години при температурі 50°С та відносній вологості повітря 10-25%, а потім витримують при нормальних кліматичних умовах до досягнення постійної маси. Практично сталість маси наступає тоді, коли маса проби за 2 години збільшується менше ніж на 0,25%.

На вологість матеріалу, крім тривалості кондиціонування, впливають такі фактори, як швидкість руху повітря, розмір пакунку, його вид та густина. Тому в стандартах передбачається різна тривалість кондиціонування, звичайно не менше ніж 24 години.

Для підтримування необхідних кліматичних умов у приміщенні лабораторії використовують кондиціонери. Іноді перед випробуваннями зразки витримують в ексикаторах, або в кліматичних камерах (гігростатах).

 

Методика виконання роботи

Психометричний метод визначення відносної вологості повітря засновано на оцінці інтенсивності випаровування води, що знаходиться у ємності у контрольованому приміщенні, за величиною тепловитрат та зниженню температури на її поверхні.

Аспіраційний та простий психрометри (рис. 1.2) складаються з двох однакових термометрів 1 та 2. Термометр 1 показує температуру повітря. Кулька термометру 2 обгорнута шаром тонкої бавовняної неапретованої тканини з поверхневою густиною 50-60г/м². У аспіраційного психрометра тканину перед кожним виміром змочують протягом 1 хвилини дистильованою водою, а у простого психрометра вона постійно занурена кінцем у ємність з водою. Вода випаровується і охолоджує термометр 2, тому його показання значно нижчі, ніж показання сухого термометра 1. Чим повітря сухіше, тим 3 випарювання води 2 проходить більш інтенсивніше і тим більша психометрична різниця показань сухого та вологого термометрів (t_с-t_в). Інтенсивність випаровування води залежить також від швидкості повітря, що необхідно враховувати при визначенні його відносної вологості простим психрометром. В аспіраційному психрометрі повітря вбирається за допомогою вентилятора 6 (рис. 1.2, а) та проходить у розтрубах 3 і 4 трубки 5 коло термометрів 1 та 2 з постійною швидкістю – не менше за 2м/с. Вентилятор 6 отримає обертання від годинникового механізму 7 або від невеличкого електродвигуна. Постійна швидкість повітря, що вбирається, забезпечується певною швидкістю вентилятора, яку перевіряють через віконце 8 за часом одного обороту контрольної риси на барабані, указаному в паспорті прибору. Перед кожним виміром відносної вологості повітря необхідно перевіряти в простому психрометрі, чи змочена тканина, а в аспіраційному психрометрі протягом 1 хвилини за допомогою піпетки змочувати тканину дистильованою водою, що має температуру 20±2°С. Після досягнення найнижчої температури вологого термометру (приблизно через 3-5 хвилин роботи вентилятора) визначають температуру спочатку вологого термометру t_в, а потім температуру сухого термометру t_с, з похибкою 0,1°С. За найнижку температуру вологого термометру приймають температуру, яка не змінюється протягом 1 хвилини. Показання обох термометрів простого психрометра знімають з найбільшої відстані, яку дозволяє зір. Спочатку визначають десяті долі градуса, а потім цілі градуси.

Випарювання вологи з поверхні тканини пов’язане з витратами теплоти пароутворення, воно призводить до охолодження резервуара вологого термометру. Чим інтенсивніше випаровування вологи, тим більшою є різниця показників сухого та мокрого термометрів. На інтенсивність випаровування впливають вологість та швидкість оточуючого повітря. Чим менша відносна вологість повітря та більша швидкість руху повітря, тим більш інтенсивно проходить процес випаровування та знижуються показання вологого термометра. При 100% вологості повітря, незалежно від наявності або відсутності його руху, втрати теплоти за рахунок випаровування вологи відсутні, а показники термометрів однакові.

У ГОСТ 10681 наведені таблиця та номограма для визначення відносної вологості повітря аспіраційним психрометром, які не враховують зміну атмосферного тиску. З метою більш точного визначення відносної вологості повітря по температурі сухого t_с та вологого t_в термометрів за таблицею 1.1 визначають відповідні значення тиску насиченої водяної пари у Па. Для аспіраційного психрометру спочатку визначають тиск водяної пари атмосфери P_d (Па) при температурі t_с:

, (1.2)

де P_в – тиск насиченої водяної пари при температурі t_в, Па; (t_с-t_в) – психометрична різниця, °C; В – атмосферний тиск, який вимірюється в приміщенні під час дослідження, ГПа. Потім за формулою (1.1) визначають відносну вологість повітря.

Для простого психрометрувідносну вологість повітря φ, [%] визначають за формулою:

(1.3)

де А – коефіцієнт, який залежить від швидкості руху повітря, визначається за формулою:

(1.4)

У приміщенні лабораторії швидкість повітря мала і близька до 0,2 м/с, тому, згідно формулі (1.4) А=0,09875.

 

Приклад

Припустимо, що показання аспіраційного психрометру складають t_с =21°C; t_в =17°C; тиск повітря В =1000 гПа (750мм. рт.ст.). Необхідно визначити відносну вологість повітря.

За таблицею 1.1 знаходимо значення Р_t=2488, Па; Р_в=1938, Па. Тоді, за формулою (1.2): ;

після цього знаходимо значення відносної вологості повітря за формулою (1.1):

Одночасно з показаннями аспіраційного психрометру були зняті показання простого психрометру: t_с =21,0°C; t_в =17,4°C. Необхідно визначити коефіцієнт А за формулою (1.3) та швидкість повітря біля простого психрометру за формулою (1.4): За формулою (1.4) отримаємо швидкість руху повітря:

 

Таблиця 1.1

t	0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
Значення Р, Па

 

На практиці відносну вологість повітря визначають за показниками сухого та вологого термометрів за допомогою психометричних таблиць, які були складені з урахуванням швидкості руху повітря у приміщенні. Відносну вологість визначають по таблиці 1.3 за показниками, які знаходяться на перетині показників сухого та вологого термометрів. Наприклад, Т_с =21 °С, Т_м=17°С, тоді φ=65%.

Крім того, відносну вологість повітря можна визначати за номограмами. Відносна вологість повітря, яка визначається простим психрометром, на номограмі вказується похилою лінією у осях координат температури сухого та мокрого термометрів (рис. 1.3 а). Наприклад, при Т_с =19 °С, Т_м=16,5°С, тоді φ=76%, або при Т_с =22 °С, Т_м=22 °С, тоді φ=100%. Номограми для аспіраційних термометрів складені з урахуванням швидкості руху повітря у аспіраторі (рис. 1.3 б). Точність психометричного методу визначається, головним чином, похибкою вимірювань температур сухого та вологого термометрів.