الباب الثاني السيـــــكرومتـــــــــري
PSYCHROMETRICS
مقدمة
2-1
خواص الهواء
2-2
)Psychrometric tables(
جداول السيكرومتري
2-3
)Psychrometric chart(
خريطة السيكرومتري
2-4
أهمية السيكرومتري
2-5
مسائل
2-6
)Introduction( )Properties of atmospheric air(
)Importance of psychrometric( )Problems(
19
البــــــاب الثانــــي السيــــكرومتــــــري 2ـ 1
مقــــــدمة
PSYCHROMETRICS
)(Introduction
السيكرومتري هو عبارة عن العمل الذي يبحث في دراسة وتعييين خيواص الهيواء الجيوي داخل وخارج الماكن المكيفة. الهواء الجوي عبارة عن خليط من الهواء الجاف وبخار الماء. يعطي الجدول )2ي (1تركيب الهواء الجوي.
جدول )2ي (1تركيب الهواء الجوي اسم العنصر
الرمز
الوزن الجزئي
النسبة المئوية بالحجم
أكسجيـــــن
O2
32
20.9476
نيتروجين
N2
28.016
78.084
أرغــــون
Ar
39.944
0.934
ثاني أكسيد الكربون
CO2
44.010
0.031
نيـــــــون
Ne
20.183
0.0018
هليــــــوم
He
4.003
0.0005
هيدروجين
H2
2.016
0.0005
ميثــــــان
CH4
16.043
0.0002
ثاني أكسيد الكبريت
SO2
44.010
0.0001
مكونات أخرى
-
-
0.0003
الهواء القياسي ) (Standard airهو عبارة عن غاز مثالي له المواصفات التالية: )أ( الجاذبية الرضية
)(m/s2 9.807
)ب( الكثافييييييييييييية
)(kg/m3 1.204
)جي( الضغط الجوي عند سطح البحر
)(kpa 101.039
20
)د( درجة الحرارة عند سطح البحر
2 -2خواص الهـــواء الجوي
)(K 288.1
)(Properties of atmospheric air
أ ـ درجــة الحرارة الجافـــــــــة
)(Dry bulb temperature
درجة الحرارة الجافة هي عبارة عن درجة الحرارة التي يعينها الترمومتر الجاف أي الترمومتر الزئبقي العادي الموضح في شكل )2ي 1أ( .يرمز لدرجة الحرارة الجافة ).(d.b ب ـ درجـــة الحــرارة الرطبـــة
)(Wet bulb temperature
درجة الحرارة الرطبة عبارة عن أقل درجة حرارة يعينها الترمومتر الرطب الموضح في شكل )2ي 1ب( .الترمومتر الرطب عبارة عن ترمومتر زئبقي عادي ،بصيلته الزجاجية مغطاة بقطعة من الشاش المبلل ) (Wetted wickبالماء. يرمز لدرجة الحرارة الرطبة بالرمز ).(W.b تعرف درجة الحرارة الرطبة بدرجة التشبع الدياباتي )Adiabatic saturation
(temperatureوذلك لن الحرارة اللزمة لتبخير الماء من قطعة الشاش المبللة تؤخذ كلها من الهواء الجوي المار خللها عندما تصل قراءة الترمومتر الرطب إلى أقل قيمة لها. يمكن تعيين كل من درجة الحرارة الجافة ودرجة الحرارة الرطبة ،في نفس اللحظة، بواسطة جهاز يعرف بالسيكرومتر ) (Psychrometerيوجد نوعان من السيكرومترات: أ ي سيكرومتر سلنيييج
).(Sling
ب ي سيكرومتر عثمان ).(Osman يوضح شكل )2ي (2مكونات السيكرومترات .سيكرومتر سلنج عبارة عن لوحة خشبية مجهزة بيد إدارة ومركب عليها ترمومتر جاف وترمومتر رطب . سيكرومتر عثمان يشتمل علوة على الترمومترات على مروحة تدار بواسطة زنبرك أو بالكهرباء .عند تحريك يد الدارة أو المروحة يتحرك الهواء الجوي خلل بصيلت الترمومترات .تعين قراءة الترمومتر الجاف درجة الحرارة الجافة بينما تمثل قراءة الترمومتر المبلل درجة الحرارة الرطبة. يلحظ أن قراءة الترمومتر المبلل أقل من قراءة الترمومتر الجاف .يتوقف الفرق بين الترمومترين على رطوبة الهواء .
21
)(Dew point temperatuer
)جـ( ـ درجــــة النـــــــدى
درجة الندى عبارة عن درجة الحرارة التي يتكثف عندها بخار الماء المتواجد في الهواء الجوي .يرمز لدرجة الندى بالرمز ) .(d.pحيث أن ضغط بخار الماء يتوقف على درجة تشبعه فإن الضغط الجزئي لبخار الماء ) (pvتعينه درجة الندى للهواء الجوي .أي أن: (Pv = f (d.p يعطى ملحق 1ضغط بخار الماء لدرجات الحرارة العادية. )(Humidity ratio
)د( ـ نسبـــــة الرطوبـــــــة
نسبة الرطوبة هي عبارة عن كتلة بخار الماء المتواجد في الهواء الجوي والمناظر لوحدة الكتلة للهواء الجاف .يرمز لنسبة الرطوبة بالرمز ) (Hومعادلتها: )(1
(kg / kg dry air
(H = mv / ma
تقاس نسبة الرطوبة في نظام الوحدات البريطاني بحبيبات الرطوبة .يحتوي رطل الماء على 7000حبابة ).(Grain يمكن اعتبار الهواء الجاف وبخار الماء غازات مثالية عند الضغط الجوي ودرجات الحرارة العادية.
بتطبيق معادلة الغاز المثالي للهواء الجاف:
P a Va = m a Ra T a
ولبخييار الماء
P v Vv = m v Rv T v
بالتعويض في معادلة )(1 (∴ H = (Pv Vv/Rv Tv) (Ra Ta/Pa Va وحيث أنه تبعا ً لقانون دالتون للضغوط الجزئية: V a = Vv = Vm
Ta = T v = T m ,
B = pa + pv حيث: Tmي درجة حرارة مخلوط الهواء. Vmي حجم مخلييييوط الهييييييواء .
22
Bي الضغط الجوي البارومتري . Pvي الضغط الجزئي لبخار الماء. Paي الضغط الجزئي للهواء الجاف. بالتعويض في المعادلة السابقة: (H = (Ra / Rv ) Х Pv / (B – pv معادلة ثابت الغاز المثاليR = 8.314/µ : ∴ Ra /Rv = µ v / µ
a
µ a =28.9 . , µ v = 18
حيث أن :
( ∴ H = 0.622 pv / (B - pv وحيث أن الضغط الجوي البارومتري ) (Bمقداره ثابت لنفس المكان من الكرة الرضية فإن نسبة الرطوبة ) (Hتكون دالة من الضغط الجزئي لبخار الماء ). (Pv ( H = f ( pv
أي أن:
من العلقات الرياضيية السيابقة ،ينتيج أن نسيبة الرطوبية للهيواء الجيوي تيزداد ميع زييادة الضغط الجزئيي لبخيار المياء المتواجيد فيي الهيواء الجيوي وتكيون أكيبر ميا يمكين .وحييث أن الضغط الجزئي لخار الماء تحدده درجة الندى فإن نسبة الرطوبية للهيواء تكيون أكيبر ميا يمكين عندما تصبح درجة الندى مساوية لدرجة الحرارة الجافة للهواء الجوي . أي أن(H = f (pv) = f (d.p: (Hmax = f (p v,max) = f (d.p max )هـ( ـ الرطوبــــة النسبيـــــة
) (Relative humidity
الرطوبة النسبية هي عبارة عن نسبة الضغط الجزئي لبخار الماء ) (Pvالمتواجد في الهواء الجوي والمناظر لدرجة الندى إلى أعلى ضغط جزئي لبخار الماء ) (P v,maxالمناظر لدرجة الحرارة الجافة للهواء الجوي . أي أن(R.H = Pv/P v,max = f (d.p) / f (d.b: )و( ـ الرطوبـــــة المئويــــة
) (Percentage humidity
23
الرطوبة المئوية عبارة عن كمية الرطوبة الحقيقييية فييي الهييواء الجييوي والمنيياظرة لدرجيية الندى إلى أكبر كمية رطوبة يمكن للهواء الجوي أن يحتويها والمناظرة لدرجيية الحييرارة الجافيية للهواء الجوي . أي أن(ψ = H/Hmax = f (d.p) / f (d.b: وبالتعويض بالمعادلة ): (2 ])ψ = (pv / pv,max) [(B - pv,max) / (B – pv
وحيث أن قيمة الضغط الجزئي لبخار الماء صغيرة جداً بالنسبة لقيمة الضغط الجوي فإن: ψ = pv/pv,max = R.H
أي أن الرطوبة المئوية تساوي الرطوبة النسبية عدديا ً بالتقريب . )ع( النثــالبيــا النـوعيــة
)(Specific enthalpy
النثالبيا النوعية عبارة عن المجموع الجبري للنثالبيا النوعية للهواء الجاف ولبخار الميياء المتواجد معه محسوبا ً من درجة الصفر المئوي .أي أن:
i = ia + iv = ] )Cp,a (t = O) + H [L + C p,v (t = O = [Cp,a + H.C p,v] t + HL
i = Cp t + HL الحرارة النوعية للهواء الجاف (Cp,a = 1.005 (kJ/Kg.k الحرارة النوعية لبخيار الميياء (Cp,a = 1.805 (kJ/Kg.k الحرارة النوعية للهواء الجوي (Cp = 1.047 (kJ/Kg.k الطاقة الكامنة لتبخير الماء) L = 2501 ( kj / kg
)( t=0
tي درجة الحرارة الجافة Hي نسبة الرطوبة )غ( الحجــــــم النــوعــــي
)(Specific Volume
الحجم النوعي عبارة عن الحجم النييوعي للهييواء الجيياف الييذي يعييبر عيين الحيييز المشييغول بالهواء والذي يمكن تعيينة بواسطة المعادلة التالية للغاز المثالي: (v = Ra Ta / Pa = Ra (t+273)/(B-Pv
24
2ـ 3جــداول السيـكرومتـــري
) (Psychrometric tables
عبارة عن جداول تعطي لقيمة معينة للضغط الجوي ) (Bالخواص التالية: درجية الحيرارة الجافية )(d.bي ،درجية الحيرارة الرطبية )، (w.bالرطوبية النسيبية )(R.Hي ، الضغط الجزئي لبخار الماء )(Pvي ،نسبة الرطوبيية )(Hي ،النثالبيييا النوعييية )(Iي ،والحجييم النوعي ). (v يعطي ملحق ) (2خواص الهواء عند ضغط 76سنتيمتر زئبق . يلحظ أن الجدول يعطي قيم كل من نسبة الرطوبة ،النثالبيا النوعية والحجم النوعي لكيلوجرام واحد من الهواء الجاف . 2ـ 4خريطــــة السيـكرومتــري
) (Psychrometric dhart
عبارة عن وسيلة على هيئة تمثيل بياني تسهل تعيين خييواص وحييالت الهييواء عنييد قيميية معينيية للضغط الجوي ) ، (Bوهي على هيئة حذاء وتعطي الخطوات التالية:
)أ( خـــــط التشبــــع
)(Saturation
لرسم خط التشبع،اختار قيمة معينة لدرجة الحرارة ) (tعين قيميية الضييغط الجزئييي لبخييار الماء ) (Pvمن جدول البخار )ملحق ي (1حدد نقطة ) (aفيي شييكل ))2يي (3كييرر العمليية لقيييم أخرى لدرجة الحرارة ) (tالمحل الهندسي لنقطة ) (aسوف يمثل خط التشبع . )ب( خطـــوط ثبات درجــة الحرارة الجافـة )(Constant dry bulb temperatuer lines الخطوط الرأسية في شكل ) (3-2تمثل خطوط ثبات درجة الحرارة الجافة )(t=c )جـ( خطــوط ثبات نسبــة الرطوبــة
)(Constant humidity ratio lines
من المعادلة ) (2ينتج أنه لقيمة معينة للضغط الجوي ) (Bتكون نسبة لرطوبة ) (Hدالة من الضغط الجزئي لبخار الماء ) (Pvوبالتالي يمكن أن يمثل المحور الرأسي نسبة الرطوبة ) (Hالخطوط الفقية في شكل ) (3-2تمثيل خطوط ثبات نسبة الرطوبة ). (H )د( خطــوط ثبات الرطوبــة النسبيــة
)(Constant relative humidity lines
لرسم خطوط ثبات الرطوبة النسبية،اختار قيمة معينة لدرجة الحرارة ). (t
25
قسم المسافة الرأسية المحصورة بين الخط الفقي ) (R.H = 0وخط التشبع ) (R.H=1إلى عشرة أجزاء متساوية .كرر العملية لقيم مختلفة لدرجة الحرارة ) .(tصل النقط المتناظرة نحصل على خطوط ثبات الرطوبة النسبية ) (H = Cفي شكل ). (4-2 )هـ( خطــوط ثبات النثالبيـا النوعيــة
ْ)(C0nstant specific enthalpy lines
لرسم خط ثبات النثالبيا ،اختار قيمة معينة لدرجة الحرارة ) .(tعين قيمة نسبة الرطوبة ) (Hمن المعادلة) (4حدد نقطة ) (aفي شكل ) .(5-2كرر العملية لقيم مختلفة لدرجة الحرارة ) .(tالمحل الهندسي لنقطة ) (aسوف يمثل خط ثبات النثالبيا ) (I = cيلحظ أن خطوط ثبات النثالبيا مستقيمة ،ماثلة ومتوازية وتزداد قيمتها مع زيادة درجة الحرارة الجافة ).(t )و( خطوط ثبات درجة الحرارة الرطبة)(Constant wet bulb temperature lines حيث أن درجة الحرارة الرطبة تمثل درجة التشبع الدياباتي فإن خط ثبات النثالبيا ،في شكل ) (5-2سوف يمثل خط ثبات درجة الحرارة الرطبة .نقطة تقاطع خط ثبات النثالبيا مع خط التشبع ) (aتحدد قيمة درجة الحرارة الرطبة .يمثل خط ) (a'aفي شكل ) (5-2خط ثبات درجة الحرارة الرطبة ). (ta = c )(Constant specific volume lines
)ز( خطــوط ثبـات الحجــم النوعـــي
لرسم خطوط ثبات الحجم ،اختار قيمة معينة للضغط الجزئي لبخار الماء ).(pvعين قيمة درجة الحرارة ) (tمن المعادلة ) .(5حدد نقطة ) (aفي شكل ) (6-2كرر العملية لقيم مختلفة للضغط الجزئي لبخار الماء .المحل الهندسي لنقطة ) (aسوف يمثل خط ثبات الحجم النوعي ) .(v=cيلحظ أن خطوط ثبات الحجم النوعي عبارة عن خطوط مستقيمة مائلة ومتوازية وتزداد قيمتها مع زيادة درجة الحرارة الجافة. يوضح شكل ) (7-2طريقة تعين خواص الهواء المختلفة لو عرفت أي خاصيتين على القل مثل ) (d.b & w.bأو ) (d.b & R.Hلتحديد نقطة ) (5على خريطة السيكرومتري. يعطي ملحق) (3خريطة السيكرومتري بنظام الوحدات العالمي ) . (SI 2ـ 5أهمية السيـــكرومتـــــري
)( Importance of psychrometry
يعبر تعبير الهواء تكييف الهواء للراحة عن حالة تكييف الهواء الذي يوفر ويحقق حالة الراحة ) (Comfort conditionللنسان .تحقق بعض التوليفات من الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة الجافة حالة الراحة المهشرة في شكل ). (8 -2
26
يفضل شتاءاً أن تكون الرطوبة النسبية في الحدود من) (%35 - 30ودرجة الحرارة الجافة في الحدود)ْ (24ْ -22م بينما صيفا ً يفضل أن تكون الرطوبة النسبية في الحدود ) -45 (%50ودرجة الحرارة الجافة في الحدود من )ْ (26ْ -24م . باستخدام خريطة السيكرومتري )ملحق ي (3يمكن معرفة وتحديد ما يجب إجراءه للهواء الخارجي قبل تغذيته للمكان المراد تكييفه لتحقيق وحفظ توليفة الرطوبة ودرجة الحرارة الجافيية الكثر راحة. تستخدم خاصية الرطوبة النسبية لتعين حالة الراحة للنسان وليست الحالة التي عندها يتكثف بخار الماء ،المتواجد في الهواء الجوي ،على السطح الباردة . يمكن منع تكثيف بخار الماء على الشبابيك باستخدام لوح زجاجي حراري)(Thermo-pane تركيب لوحين من الزجاج ) (Double glass paneأو بدفع هواء دافئ على السطح الباردة . تلعب درجة الندى دور هام في تحديد الشروط اللزمة لمنع تكثيف البخار على السطح الباردة في الماكن الغير مكيفة مثل مواسير تكييف الهواء الناقلة للماء المثلج )Chilled
(waterصيفًا. تمثل نقطة ) (sفي شكل ) (9-2درجة حرارة السطح الخارجي لمواسير التكييف بينما نقطة ) (Iتعبر عن حالة الهواء المحيط بالمواسير .لو كانت درجة الندى للهواء المحيط ،نقطة ) (d.pفي شكل ) ،(10-2أعلى من درجة حرارة السطح الخارجي لماسورة الهواء ) (sفإن بخار الماء يتكثف على السطح الخارجي لماسورة الهواء . لمنع تكثيف بخار الماء على أسطح المواسير المتواجدة في الماكن الغير مكيفة عادة نستخدم العوازل الحرارية ،كما هو موضح في شكل ) ،(9-2لرفع حرارة السطح الخارجي )(s بحيث تصبح أعلى من درجة الندى للهواء المحيط بالماسورة . يوضح شكل ) (10-2ماسورة تكييف هواء مغطاة من الخارج بطبقة من المادة العازلة حراريا ً وطبقة من العازل المائي لمنع تكثيف بخار الماء على السطح الخارجي للماسورة ونفاذه إلى العازل الحراري .الماسورة مبطنة من الداخل بطبقة ماصة للصوت. 2-6مسائــــــــل
)(Problems
1ي غرفة حالة الهواء فيها ْ24م جافة و %60رطوبة نسبية. عين بدون استخدام خريطة السيكرومتري: أ ي نسبة الرطوبة
ب ي النثالبيا النوعية
27
د ي الحجم النوعي
ج ي درجة نقطة الندى
2ي هواء حالته الصلية ْ15م جافة و ْ10م رطبة سخن إلى ْ 27م جافة بدون إضافة مياه. عين باستخدام خريطة السيكرومتري : أ ي الرطوبة النسبية للحالة الصلية. ب ي درجة حرارة الندى . ج ي الرطوبة النسبية النهائية.
3ي استخدم خريطة السيكرومتري وأكمل الجدول التالي : V
i
R.H
H
m3/kg
KJ/kg
%
Kg/kg
d.p
W.b
ْC
0.85 13 21 95 0.85
d.b
26
A
21
B
38
C D
40 0.01
W 4
70
State
F
16
G
16 27
27
H
4ي ماسورة مياه تنقل ماء مثلج درجة حرارته ْ10م خلل غرفة درجة حرارة هوائها ْ21م.
28
ما هي أعلى رطوبة نسبية في الغرفة تمنع تكثيف بخار الماء على الماسورة ؟ 5ي مروحة تسحب 500لتر/ثانية هواء خارجي خواصه ْ30م جافة و %60رطوبة نسبية. عين معدل سريان المروحة بالوحدات كيلوغرام /ثانية .
29