Nowoczesne, zaawansowane technologie wymagają unikalnych rozwiązań zarówno w zakresie kształtowania optymalnych warunków realizacji procesów jak i kontroli mikroklimatu w celu uzyskania żądanych parametrów oraz wskaźników techniczno-ekonomicznych produktu.
Jako przykład można tu wskazać m.in. problemy doboru warunków pracy komór do długotrwałego przechowywania owoców, kwiatów, ryb wielu innych produktów spożywczych w taki sposób, by poza okresem normalnej wegetacji spełnić normy jakościowe i sanitarno-biologiczne dostarczanych konsumentom produktów [1]. Dotyczy to także odpowiedniego ich zabezpieczenia w przypadku konieczności transportu na duże odległości. 

     Jedną z metod długoterminowego przechowywania łatwo psujących się produktów jest zastosowanie tzw. „atmosfery kontrolowanej”, tj. warunków obniżonego ciśnienia powietrza (komora hipobaryczna o ciśnieniu 30÷50kPa), lub wzbogacenie jej przez gazy neutralne (np. argon). Dzięki temu, niższa zawartość tlenu w atmosferze komory wpływa hamująco na procesy degradacji biologicznej przechowywanych produktów.
     Inne istotne z punktu widzenia praktyki zagadnienia związane z warunkami, w których wskazane jest użycie powietrza zawierającego znaczny ładunek wilgoci (tym razem w warunkach wysokich ciśnień), to coraz bardziej popularne systemy kogeneracji, które pracują w tzw. cyklu HAT („humid air turbine”) lub też instalacje sprężonego powietrza [1, 9, 11].
     Jak łatwo wnioskować, nie tylko zachowanie się powietrza wilgotnego może stanowić poważny problem z punktu widzenia praktyki inżynierskiej. Problematyka gazów wilgotnych dotyczy też kwestii zachowania się mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku spalinowym, spalin (kotły kondensacyjne) i szeregu innych.
     Zwykle w przypadku analizy procesów wentylacji i klimatyzacji stosujemy prosty model powietrza wilgotnego oparty o założenie stałej wartości referencyjnego ciśnienia powietrza atmosferycznego (1Atm lub 100 kPa), nie zawsze pamiętając o korektach obliczeń związanych z uwzględnieniem wpływu wysokości nad poziom morza.
     Szereg opracowanych wykresów lub kalkulatorów (dostępnych także on-line) ułatwia typowe obliczenia inżynierskie, ale tylko w przypadku najczęściej spotykanych warunków mikroklimatu, tj. w dość wąskim zakresie zmian temperatury i ciśnienia powietrza (-20÷60⁰C, 900÷1100 hPa).
     Oznacza to, że koniecznym i uzasadnionym jest opracowanie metod oraz narzędzi obliczeniowych służących ocenie zachowania się mieszanin psychrotropowych w warunkach znacznie odbiegających od standardowych warunków atmosferycznych.

Modele właściwości powietrza wilgotnego
     W większości przypadków wystarczającym jest opis właściwości powietrza wilgotnego w postaci mieszaniny gazów idealnych (z możliwą przemianą fazową jednego ze składników). Taki model jest praktycznie użyteczny w obliczeniach systemów wentylacji i klimatyzacji, suszarnictwie oraz w odniesieniu do naturalnych procesów występujących w atmosferze ziemskiej. W tym przypadku dysponujemy dużą liczbą danych eksperymentalnych bądź obliczeniowych dla powietrza wilgotnego oraz informacją o wartościach parametrów i stałych fizycznych

(gęstość, współczynnik dyfuzji, przewodność, lepkość, pojemność cieplna, itp.).
     Dla warunków silnie odbiegających od typowych warunków otoczenia (wysoka temperatura i ciśnienie gazu wilgotnego) korzystanie z tej samej bazy danych jest już zbyt dużym uproszczeniem i może prowadzić do znacznych błędów obliczeniowych. Z tego powodu korzysta się z bardziej złożonych modeli gazu rzeczywistego do których należą m.in.:
I - model opisywany wirialnym równaniem stanu (zawierający drugi i trzeci współczynnik wirialny dla powietrza i pary wodnej),
II - równania stanu bazujące na modelu van der Waalsa (np. Redlicha-Kwonga), patrz [4],
III - półempiryczne bądź empiryczne zależności dla opisu poszczególnych wielkości (np. ciepła właściwego, lepkości, współczynnika dyfuzji, przewodności cieplnej).

Opis algorytmu i programu do symulacji właściwości powietrza wilgotnego
(...)

Przykładowe rezultaty i aplikacje programu
     Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wyznaczono położenie linii granicznych ϕ =1 dla różnych ciśnień mieszaniny oraz wartości liczbowe charakteryzujące stan powietrza wilgotnego (gęstość, zawartość wilgoci, ciepło właściwe, entalpię). 

     Dodatkowe parametry określone dla wilgotnego powietrza obejmowały obliczenia liczby Prandtla Pr, współczynnika dyfuzji D, lepkości μ i przewodności cieplnej λ oraz liczby Schmidta Sc. Każdy z wymienionych odgrywa istotną rolę w procesach transportu ciepła, masy i pędu. Dzięki temu możliwe jest dysponowanie w szeregu zagadnień obliczeniowych bardziej wiarygodnymi danymi w stosunku do informacji podawanych w ogólnodostępnych poradnikach fizyko-chemicznych. Na rys. 3 pokazano przebieg zmian współczynnika dyfuzji D dla powietrza nasyconego wilgocią w ciśnieniach zbliżonych do atmosferycznego.
     Opracowany program komputerowy [8], pozwala obliczać parametry powietrza wilgotnego według dwóch wariantów, tj. dla zadanych dwóch parametrów: temperatury termometru suchego t oraz wilgotności względnej ϕ lub zawartości wilgoci x (przy czym ciśnienie p mieszaniny jest wstępnie zadane).
     Liczbowe wartości współczynników transportu dla powietrza nasyconego wilgocią przy ciśnieniach p = 50 i 1000 kPa zestawiono w tabeli. Łatwo tu zauważyć bardzo istotny wpływ ciśnienia na współczynnik dyfuzji D pary wodnej w powietrzu przy analogicznych wartościach temperatur, co uwidacznia jego znaczący wpływ na procesy transportu wilgoci w warunkach hipobarycznych (tj. obniżonych ciśnień).

Podsumowanie i wnioski
     Dla znacznie podwyższonych lub obniżonych ciśnień i temperatur powietrze wilgotne nie zachowuje się jak gaz idealny, zaś obliczenia jego stałych oraz zmian parametrów termodynamicznych w typowych przemianach muszą być korygowane w oparciu o bardziej złożone metody.
     Zastosowanie współczesnych narzędzi obliczeniowych umożliwia bardziej precyzyjne wyznaczenie podstawowych właściwości gazów, w tym parametrów termodynamicznych i współczynników charakteryzujących transport masy i ciepła dla powietrza wilgotnego.
     Opracowany program komputerowy służy do określania najbardziej istotnych wielkości charakteryzujących powietrze wilgotne w szerokim zakresie wartości temperatury i ciśnienia. Może być użyty w obliczeniach różnego typu zagadnień inżynierskich nie tylko z zakresu wentylacji i klimatyzacji.
     Wykorzystanie własnych oraz narzędziowych procedur obliczeniowych w środowisku MATHCAD®, pozwala określać z większą precyzją takie wielkości charakteryzujące powietrze wilgotne jak m.in.: ρ, h, x, λ, μ, D, c_p, Pr, Sc.
     Ze względu na brak danych literaturowych, szereg obliczanych wartości współczynników i parametrów dla powietrza wilgotnego w warunkach odbiegających od standardowych nie da się bezpośrednio zweryfikować, jednak zmiana ciśnie nia ma niepomijalny wpływ na ich przebieg. 

wydanie 12/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE