VLAŽAN VAZDUH
Atmosferski vazduh, pored osnovnih komponenata (kiseonik, azot i male količine vodonika, ugljendioksida i plemenitih gasova), može sadržati i promenljivu količinu vodene pare. U procesima koji se tiču vlaženja i sušenja materijala ili kondicioniranja prostorija, ova njegova karakteristika je bitna, pa takav vazduh nazivamo vlažnim, za razliku od suvog vazduha koji ne sadrži vodenu paru. Navedena terminologija ističe činjenicu da se u pomenutim procesima sastav vazduha menja samo zbog promenljive količine vodene pare u njemu, dok ostale komponente zadržavaju konstantan međusobni odnos. Stoga i doslovce možemo smatrati da se u ovom smislu vlažan vazduh sastoji iz samo dve komponente: vodene pare i suvog vazduha. Količina vodene pare koju vlažan vazduh sadrži, izražava se kao tzv. apsolutna vlažnost, tj. kao broj kilograma vodene pare koji dolaze na jedan kilogram suvog vazduha, dakle kao maseni odnos dve komponente: ⎛ kg vodene pare ⎞ ⎟⎟ H ⎜⎜ ⎝ kg suvog vazduha ⎠ Pomenuti način izražavanja, iako na prvi pogled neuobičajen, ima praktičnu vrednost koja ga opravdava. Naime, pri procesima kondicioniranja (podešavanja temperature i vlažnosti) vazduha, na primer, u nekoj hali gde radnici obavljaju određene radne operacije, količina suvog vazduha je nepromenljiva veličina određena biološkim zahtevima, dok su količina vlage u njemu i temperatura faktori komfora i mogu se menjati u određenim granicama. Stoga se i u proračunu sve svodi na količinu suvog vazduha, kao ključnu. Količina vodene pare koju može u sebe da primi 1 kg suvog vazduha nije neograničena. Ako suv vazduh dovedemo u kontakt sa slobodnom površinom vode, ona će isparavati u njega, sve dok parcijalni pritisak pare nad vodom ne dostigne njen napon pare. Napon pare, tj. parcijalni pritisak pare koja se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži s tečnom vodom je rastuća, eksponencijalna funkcija temperature sistema (slika 79), što znači da i apsolutna vlažnost zasićenog vazduha raste s temperaturom na sličan način. Vazduh u kojem je parcijalni pritisak pare jednak naponu pare sadrži maksimalnu količinu pare pri datoj temperaturi i naziva se zasićenim, za razliku od nezasićenog vazduha, u kojem je parcijalni pritisak pare niži od napona pare. Treba reći da je pod određenim uslovima moguće da vazduh sadrži i više pare nego što odgovara vlažnosti u stanju zasićenja i tada vazduh nazivamo presićenim. Takva stanja su, međutim, metastabilna, pa mali poremećaj u sistemu dovodi do nagle kondenzacije viška vodene pare koja se pojavljuje kao magla ili rosa, a vazduh se vraća u stabilno stanje zasićenja. Podatak o apsolutnoj vlažnosti nekog vazduha jednostavno izražava količinu pare u njemu, ali ostaje nepoznato u kojoj meri je takav vazduh zasićen. Naime, pri istoj brojnoj vrednosti
144
VLAŽAN VAZDUH
apsolutne vlažnosti vazduh može biti nezasićen, zasićen ili presićen, što zavisi od njegove temperature. Dakle, podatak o apsolutnoj vlažnosti nam ne saopštava ono što je značajno s tehničkog aspekta: da li takav vazduh uopšte može da primi u sebe vodenu paru i koliko nje ako ga upotrebimo za sušenje nekog vlažnog materijala. Da bi se prevazišla ovakva nedoumica, uveden je još jedan način izražavanja vlažnosti vazduha u obliku relativne, odnosno procentualne vlažnosti. Relativna vlažnost vazduha, pri određenoj temperaturi se definiše kao odnos njegove apsolutne vlažnosti i apsolutne vlažnosti zasićenog vazduha pri istoj temperaturi: ⎛ H ⎝ Hz
ϕ = ⎜⎜
⎞ ⎟⎟ ⎠
t = const.
Ako relativnu vlažnost izrazimo kao procentualni deo vlažnosti pri zasićenju, dobijamo procentualnu vlažnost: ⎛ H ⎝ Hz
ϕ (%) = ⎜⎜
⎞ ⎟⎟ ⋅100 ⎠
t = const.
Dakle, ako kažemo da je neki vazduh 50% zasićen, to znači da on u sebe pri istoj temperaturi može da primi još toliko vodene pare koliko već sadrži. Merenje vlažnosti vazduha se može vršiti na više različitih načina. Među najpopularnije i široko rasprostranjene uređaje namenjene za ovu svrhu spadaju razne vrste higrometara. Svi se oni baziraju na principu uspostavljanja ravnoteže između vlage iz vazduha i vlage nekog standardizovanog higroskopnog materijala čije se određene osobine mere. Možda je najpoznatiji tzv. higrometar s dlakom. On sadrži prirodnu dlaku ili nit od veštačkog materijala, zategnutu oprugom između dva fiksirana oslonca. Izduženje niti koje je proporcionalno vlažnosti meri se pogodnim mehanizmom. Drugi, savremeniji uređaj sadrži foliju od higroskopnog materijala smeštenu između dve metalne pločice, tako da ceo sklop predstavlja električni kondenzator. S promenom vlažnosti higroskopne folije menja se i kapacitet kondenzatora koji se registruje električnim putem. Iako popularni, opisani uređaji imaju ozbiljne nedostatke. Osobine higroskopnih materijala se mogu znatno i nepovratno izmeniti pod uticajem različitih isparenja koja se adsorbuju na njima, zbog čega ove uređaje treba često proveravati (baždariti) ako se koriste u uslovima gde su takva isparenja moguća. Stoga će u daljem tekstu biti opisane dve fundamentalne metode koje istovremeno predstavljaju i referentne metode za kalibrisanje svih drugih uređaja za merenje vlažnosti vazduha. One se u industriji i dalje često koriste jer su jednostavne i jeftine. U cilju razumevanja principa ovih metoda i načina njihovog korišćenja, neophodno je da se upoznamo s dijagramom stanja vlažnog vazduha ili psihrometrijskim dijagramom (ψυχρος – grčki, hladan) koji je prikazan na slici 85.
VLAŽAN VAZDUH
145
Slika 85 Psihrometrijski dijagram je pravougli koordinatni sistem u kome svakoj tački odgovara jedno stanje vlažnog vazduha određeno s dve koordinate: temperaturom (apscisa) i apsolutnom vlažnošću (ordinata). U dijagramu postoje četiri grupe linija koje povezuju neka karakteristična stanja vlažnog vazduha i olakšavaju praćenje različitih procesa u njemu. Vertikalne linije su izoterme; one povezuju stanja vazduha iste temperature, a različite apsolutne vlažnosti. Horizontalne linije povezuju stanja vazduha iste apsolutne vlažnosti, ali različite temperature; to su linije konstantne apsolutne vlažnosti. Dakle, horizontalno kretanje kroz dijagram odgovara procesima promene temperature vazduha pri istoj apsolutnoj vlažnosti, a kretanje po vertikali odgovara vlaženju ili sušenju vazduha pri konstantnoj temperaturi. Linije iz treće grupe (eksponencijalnog oblika) povezuju stanja vazduha s konstantnom relativnom vlažnošću (npr. 30%, 40% itd.). Jedna od njih (ϕ = 100%) se naziva linija zasićenja. Ona deli dijagram na područje nezasićenog i područje presićenog vazduha. Četvrta grupa kosih linija predstavlja linije tzv. pseudo-adijabatskog zasićavanja vazduha ili kratko pseudo-adijabate čija će uloga kasnije biti objašnjena. Stvarni dijagram vlažnog vazduha sadrži i druge parametre, ali je on na ovom mestu pojednostavljeno prikazan u cilju lakšeg razumevanja. Metoda tačke rose Tačka rose vazduha je parametar koji se koristi u inženjerskoj terminologiji pri poređenju uzoraka vazduha različite vlažnosti. To je po definiciji ona temperatura pri kojoj u procesu hlađenja vazduh upravo postaje zasićen. U tom trenutku počinje izdvajanje vlage u vidu magle ili rose na okolnim čvrstim površinama. Što je niža tačka rose vazduha, on je suvlji (nezasićeniji). Na slici 86 je uprošćeno prikazan psihrometrijski dijagram, pri čemu je tačkom A označen vazduh apsolutne vlažnosti HA i temperature tA. Njegova procentualna vlažnost je određena odnosom:
⎛ HA ⎞ ⎟⎟ ⋅100 H ⎝ z ⎠t
ϕ = ⎜⎜
A
VLAŽAN VAZDUH
146
Kada takvom vazduhu snižavamo temperaturu (A → B), njegova aktuelna apsolutna vlažnost (HA) se ne menja, dok hipotetička vrednost apsolutne vlažnosti pri zasićenju (Hz) opada. Shodno tome, procentualna vlažnost vazduha (ϕ) raste sve do zasićenja (tačka B), kada pri nekoj temperaturi (tB) aktuelna apsolutna vlažnost postaje jednaka vlažnosti pri zasićenju (HA = HB = Hz). Ta temperatura predstavlja tačku rose vazduha. Treba zapaziti da tačka rose ni u kom slučaju nije jedina temperatura pri kojoj vlaga kondenzuje iz vazduha jer ako bismo Slika 86 hlađenje nastavili (B → C) krećući se duž linije zasićenja, vlaga bi i dalje kondenzovala, a vazduh, iako stalno zasićen, u apsolutnom smislu bi sadržavao sve manje vodene pare. Uočimo da je, na osnovu eksperimentalno izmerene temperature vazduha i njegove tačke rose moguće da se u psihrometrijskom dijagramu odredi tačka koja predstavlja njegovo prvobitno stanje, a to znači, da se odredi i njegova vlažnost. Postupak je obrnut onom, opisanom pri hlađenju vazduha: od tačke rose (tB) na apscisi se krećemo uvis po izotermi do preseka s linijom zasićenja (B), a zatim horizontalno udesno do preseka sa izotermom koja odgovara početnoj temperaturi vazduha (tačka A, tA). Uređaji za eksperimentalno određivanje tačke rose Neposredni zadatak ovakvog merenja je da se vazduh ohladi u blizini neke čvrste površine do tačke rose i da se u momentu orošavanja pomenute površine registruje njegova temperatura. Jedan od najjednostavnijih uređaja koji to omogućuje je prikazan na slici 87.
Slika 87
U metalnom sudu (A) se nalazi neka lakoisparljiva tečnost (D), najčešće etar, u koju su uronjeni termometar (B) i cev (C). Spoljna površina suda je posrebrena i polirana. Tokom merenja kroz cev (C) se uduvava vazduh koji, prolazeći u mehurovima kroz etar, odnosi njegove pare u okolinu, prinuđujući ga tako na neprestano i brzo isparavanje. Pošto je proces brz, toplota potrebna za isparavanje se uzima od tečnosti, zbog čega se ona hladi, hladeći istovremeno i termometar, sud i tanak sloj vazduha uz spoljnu površinu suda (E). Kada se taj sloj vazduha ohladi do tačke rose, na uglačanoj spoljnoj površini suda će se pojaviti zamagljenje. Temperatura na termometru tada odgovara tački rose.
Komentar: U opisanom eksperimentu se podrazumeva da je temperatura kugle termometra jednaka temperaturi tankog sloja vazduha uz spoljnu površinu suda, što je tačno samo ako su toplotni otpori između te dve tačke zanemarljivi. Stoga je jasno da sud mora biti od materijala visoke toplotne provodljivosti, dakle od metala. U praksi se i pored toga javljaju male temperaturne razlike, pa se zbog povećanja pouzdanosti merenja eksperiment izvodi više puta, najpre hladeći uređaj do pojave zamagljenja, a potom puštajući ga da se spontano zagreje do nestanka zamagljenja, uvek registrujući odgovarajuće temperature, iz kojih se izračunava srednja vrednost.
VLAŽAN VAZDUH
147
Metoda suve i vlažne kugle (psihrometrijska metoda) Kada se preko slobodne površine vode kreće struja nezasićenog vazduha, voda će isparavati u njega težeći da ga zasiti. Intenzitet tog isparavanja u prvom redu zavisi od stepena nezasićenosti vazduha: što je vazduh suvlji, isparavanje je intenzivnije i obrnuto. Pri isparavanju se, međutim, troši toplota, tako da se istovremeno odvijaju dva procesa: transport toplote iz okoline na površinu vode i isparavanje s vodene površine u vazduh. Na početku je pogonska sila za transport toplote (razlika temperatura vazduha i vode) minimalna, a pogonska sila za transport mase (razlika koncentracija vodene pare nad površinom vode i u vazduhu) maksimalna), pa se praktično sva nedostajuća toplota potrebna za isparavanje oduzima od same vode, zbog čega se ona hladi, a s njom i tanak sloj vazduha uz samu površinu. Sa opadanjem temperature tog sloja vazduha raste i stepen njegovog zasićenja, što smanjuje brzinu transporta mase (isparavanja), sve dok on ne postane potpuno zasićen. U tom trenutku se brzina dotoka toplote iz okoline upravo izjednačava s brzinom isparavanja, pa temperatura vode prestaje da opada jer se dalje isparavanje odvija uravnoteženo – isključivo na račun toplote dovedene iz okoline. Ovakav proces je pseudo-adijabatski jer se, barem u opisanoj početnoj fazi odvija skoro bez razmene toplote sa okolinom.
Slika 88
Slika 89
Na slici 88 je prikazan opisani proces u uprošćenom psihrometrijskom dijagramu. Vazduh A i vazduh B u početku imaju istu temperaturu (tsk), pri čemu je vazduh B zasićeniji (HB > HA). Oni se u procesu pseudo-adijabatskog zasićavanja hlade do temperatura twk(a) i twk(b), pri čemu se uočava da se kod suvljeg vazduha A javlja veća temperaturna depresija jer je u njemu i isparavanje intenzivnije. Temperature tsk (temperatura vazduha) i twk (temperatura vazduha posle pseudo-adijabatskog zasićavanja) su eksperimentalno merljive veličine, te se na osnovu njih, uz pomoć psihrometrijskog dijagrama, može odrediti početno stanje vlažnog vazduha. Na primer (slika 88), polazeći od twk(a) penjemo se izotermom do preseka s linijom zasićenja, a onda se vraćamo pseudo-adijabatom do preseka sa izotermom temperature tsk (tačka A). Psihrometar sa suvom i vlažnom kuglom On se sastoji od dva termometra (slika 89), od kojih jedan meri aktuelnu – osetnu temperaturu vazduha (tsk), a kugla drugog je umotana u vlažnu gazu, tako da on meri sniženu temperaturu izazvanu isparavanjem vode (twk). Za ispravne rezultate vazduh treba da struji nekom minimalnom brzinom oko vlažne kugle. Stoga, ako se ovakav psihrometar koristi za povremeno određivanje vlažnosti vazduha u nekoj prostoriji, onda se termometri smeštaju na pogodan ram s ručkom, kao na slici 89, tako da se u trenutku merenja on može brzo okretati, obezbeđujući potrebno strujanje vazduha.
