Категории сайта

Приборы контроля атмосферы танков

Суда-газовозы транспортируют опасный химический груз – сжиженный газ. Безопасность погрузки-разгрузки, хранения, перевозки таких веществ требует строгого соблюдения всех мер безопасности.

В данном материале подробно рассмотрена работа различных приборов, которые позволяют измерить давление в танке, определить взрывоопасную концентрацию газов и т. п. А также схематично продемонстрирован процесс действия некоторых приборов.

Типы приборов контроля атмосферы

В связи с такими процессами, как инертизация, продувка и вентиляция грузовых танков, зачастую возникает необходимость контроля атмосферы в грузовых помещениях и ограниченных (закрытых) пространствах или даже на грузовой палубе.

При этом производимые замеры должны определить наличие:

В настоящее время для производства замеров используются самые разнообразные приборы с различными принципами действия. Минимальный перечень приборов, которые используются для контроля за атмосферой на судах-газовозах, следующий:

Все эти приборы должны быть на судне в количестве не менее 2-х каждого типа. Однако при транспортировке некоторых газов требуется также наличие специальных приборов для контроля содержания паров этих газов в атмосфере помещений. Например, при перевозке Винилхлорида требуется наличие на судне специального прибора, позволяющего производить постоянные замеры малых концентраций VCM в течение всего рабочего дня (Long term measuring).

Любая измерительная аппаратура дает информацию о концентрации кислорода, взрывоопасных газов или токсичных газов, только в определенном месте и в определенное время. Однако общее состояние атмосферы в танке может намного отличаться от места, где произведен замер, это состояние может также меняться со временем. Поэтому, для того, чтобы определить действительное состояние атмосферы в танке, замеры необходимо производить в нескольких точках и также производить повторные замеры в тех же точках через определенные интервалы.

Более того, все измерительные приборы откалиброваны на какой-то один газ, и при измерении содержания других газов, необходимо использовать корректировку. Иначе замеры будут произведены с большими ошибками, а в некоторых случаях и с негативными последствиями.

Приборы для измерения взрывоопасных концентраций газов

Принцип действия таких приборов зависит от диапазона измеряемой концентрации. Для измерения небольших концентраций, находящихся ниже нижнего предела взрываемости, обычно используется метод каталитического сжигания или сгорания газа. Измерение же концентрации более высокого порядка производится на основе замера скорости потери тепла или на измерении показания преломления света (рефракции).

Приборы с каталитической нитью накаливания

Рассмотрим принцип действия наиболее популярного эксплозиметра, определяющего концентрацию газов в процентах от НПВ (рис. 1). Следует помнить, что такой прибор годен только для замеров концентрации газов в воздушной атмосфере, с содержанием кислорода не ниже 10,8 % по объёму и таким содержанием паров углеводородов, когда смесь еще не представляет пожароопасности. Шкала прибора разбита на деления от 0 до 100 % НПВ.

Схема работы эксплозиметра
Рис. 1 Принцип работы эксплозиметра с каталитическим сенсором

Работа прибора основана на каталитическом взаимодействии нагретой платиновой нити и газов. Платиновая нить нагревается электрическим током 200–320 мА до температуры 450 °С. Смесь паров углеводородов и воздуха, попадая на раскаленную нить, сгорает в присутствии катализатора и тем самым увеличивает температуру нити.

Горение – это реакция окисления с образованием углекислого газа, воды и выделением теплоты. Например, для метана процесс горения можно записать так:

CH4 +2 O2 + 450 °C + катализатор  CO2 + 2 H2O + 800 кДж

В некоторых приборах платиновая нить заменена керамическим шариком, но принцип действия прибора тот же самый. Увеличение температуры платиновой нити повлечет за собой увеличение сопротивления в цепи, что и будет индицировать прибор.

Схема прибора представляет собой мостик Уитстона с чувствительным элементом в виде каталитической нити накаливания, образующей одно из плеч мостика. Индикатор приводится в состояние готовности в процессе балансировки мостика с каталитической нитью накаливания при температуре, соответствующей требованиям завода-изготовителя, путем контакта нити с пробой чистого воздуха, в результате балансировки определяется «0».

Увеличение сопротивления нити, вызываемое её окислением, нарушает равновесие мостика и вызывает отклонение показаний прибора на величину пропорциональную концентрации газа. Шкала прибора градуируется от 0 до 100 % НПВ.

Некоторые приборы содержат дополнительную электрическую схему для снятия показаний в диапазоне 0-10 % НПВ.

Для получения устойчивых показаний прибора, напряжение в мостике должно поддерживаться постоянным, при помощи, предусмотренной в приборе регулировки.

Другое плечо мостика содержит вторую некаталитическую (вольфрамовую) нить накаливания (компенсирующую), идентичную чувствительной нити, причем обе они расположены в приборе очень близко друг к другу (размер сенсора в целом не превышает нескольких миллиметров).

Вторая нить постоянно находится в контакте с чистым воздухом, такое устройство автоматически компенсирует влияние изменения температуры окружающей среды и влажности на показания прибора.

Регулировочные сопротивления в плечах мостика выполнены из материала, сопротивление которого не зависит от температуры.

Измерения атмосферы такими приборами следует производить в полном соответствии с требованиями завода-изготовителя.

Проба газа закачивается в прибор при помощи ручной или механической помпы. На входе смесь проходит через фильтр, задерживающий микрочастицы, и пламегаситель, предотвращающий попадание пламени, образующегося при сгорании углеводородов, в атмосферу. Такой же пламегаситель установлен и на выходном патрубке. После того как стрелка прибора перестает двигаться по шкале, снимаются показания прибора.

Несбалансированность напряжения на приборе пропорциональна концентрации углеводородов и в 2-3 раза превышающих НПВ, хотя показание прибора не может выходить за пределы 100 % от НПВ.

Если измеряемая концентрация в 2 раза превышает НПВ, кислорода в смеси недостаточно для полного сгорания паров углеводорода. На такую концентрацию прибор реагирует следующим образом: стрелка прибора сначала отклоняется до максимальной отметки, а затем вновь падает до нуля. Поэтому при замерах атмосферы помещений с неустановленным содержанием углеводородов следует внимательно наблюдать за показанием прибора, с тем, чтобы не пропустить вышеупомянутое его реагирование.

Продолжительная эксплуатация прибора в атмосфере с повышенным содержанием углеводородов приводит к отложению углерода на нити накаливания и изменяет чувствительность прибора. По той же причине неполного сгорания смеси углеводородов и воздуха прибор не позволяет произвести замеры содержания паров углеводородов в инертной среде или в атмосфере с недостаточным содержанием кислорода (менее 11 % по объёму).

На заводе-изготовителе такие приборы калибруются специальными газовыми смесями (рис. 2), содержание которых должно быть указано на бирке прибора. Чувствительность прибора следует контролировать перед каждым его использованием.

Принцип калибровки приборов
Рис. 2 Зависимость показаний прибора от вида калибровочного газа

Калибровка прибора производится, в зависимости от требований компании каждые два месяца, при помощи специального калибровочного набора. В это же время производят, обычно, и проверку линии отбора проб прибора на герметичность. Для чего сжимают грушу и закрывают газозаборное отверстие. Если протечек нет, то груша остается в сжатом состоянии. И, наконец, не реже чем один раз в год, прибор должен быть откалиброван в лабораторных условиях с выдачей соответствующего сертификата.

На точность измерения в значительной степени влияют резкие перепады температур и избыточное давление в контролируемой атмосфере, приводящее к высокоскоростному потоку пробы газа.

На точность показаний пробора в значительной степени влияет содержание в пробе различных примесей и газов, которые могут оказать пагубное воздействие на каталитический сенсор. Например, присутствие в пробе газов или веществ, содержащих соединения серы, фосфора, свинца и кремния вызывают коррозию сенсора. Присутствие же в пробе газа галогеноуглеводородов, вызывает возникновение на поверхности сенсора налета, который снижает его чувствительность. Такие газы, как VCM, бутадиен, стирол и др. вызывают формирование на поверхности сенсора слоя полимеров, чем значительно снижают время жизни сенсора.

Как правило, для тех продуктов, которые имеют температуру вспышки в пределах температуры окружающей среды (±5 – 10 °С), приборы такого типа дают весьма точный результат. Но иногда они могут показывать содержание в атмосфере концентраций углеводородов, хотя на самом деле их в атмосфере нет.

Ниже приведена таблица газов, вызывающих отклонение показаний прибора от нулевой отметки.

Таблица 1. Газы, влияющие на показания эксплозиметра
Наименование продуктаПоказания прибора
% НПВ (L. E. L)
Аргон35-60
Хлорэтан20-30
Фреон 1145
Фреон 220-30
Азот5
Трихлорэтилен10
Окись серы30

 

Приборы с некаталитической нитью накаливания

Для измерения концентраций углеводородов, находящихся в пределах выше НПВ, обычно используются приборы с нагреваемой некаталитической нитью накаливания (принцип действия прибора точно такой же, как описано выше).

Скорость потери тепла нитью накаливания, и, следовательно, её температура и сопротивление определяются в зависимости от состава газа. Чувствительная нить образует одно из плеч мостика Уитстона и уравновешивается в нулевом положении в момент первоначальной установки прибора. Компенсирующая нить выполняет те же функции, что и в приборе с каталитической нитью накаливания.

При попадании углеводородов на раскаленную нить накаливания происходит потеря тепла нитью накаливания за счет поглощения части тепла молекулами углеводородов и, соответственно, изменение её сопротивления регистрируется прибором. Зависимость потери тепла нитью представляет собой нелинейную зависимость концентрации углеводородов в смеси. Эта зависимость отображается на шкале прибора. Прибор показывает непосредственное содержание углеводородов (НС) в процентах по объёму.

Принцип работы эксплозиметра
Рис. 3 Эксплозиметр, основанный на принципе поглощения углеводородами инфракрасного излучения

На некаталитическую нить не влияет концентрация газа, поэтому, при превышении концентрации газа рабочей шкалы прибора, прибор «зашкалит» и останется в таком положении, пока присутствуют пары углеводородов.

Измерения следует производить в строгом соответствии с указаниями завода-изготовителя. Прокачка пробы производится до тех пор, пока стрелка прибора не займет устойчивое положение (обычно 15-20 раз). Важно, чтобы в момент измерения, газ был неподвижен в приборе и имел атмосферное давление.

Прибор калибруется специальными углеводородосодержащими смесями на основе азота или углекислого газа. Точность измерений таким прибором во многом зависит от состава замеряемой газовой смеси (она не должна отличаться от смеси, которой откалиброван прибор), давления в помещении. Даже небольшое отклонение от атмосферного давления приводит к значительным отклонениям в показаниях прибора. Поэтому при замерах концентрации газов в помещении с избыточным давлением, после отбора проб необходимо отсоединить пробоотборную линию и дать возможность давлению пробы сравняться с атмосферным.

Общее название приборов с некаталитическим сенсором – Углеводородомеры (HC-meter), GASSCOPE, TANKSCOPE.

Измеритель показателя преломления

Данный прибор представляет собой оптическое устройство, показания которого зависят от разности значений показателей преломления пробы газа и пробы воздуха.

В приборе такого типа луч делится на две составляющих, которые затем опять совмещаются в окуляре (рис. 4). Совмещенные лучи образуют интерференционную картинку, состоящую из большого числа темных и цветных линий.

Прибор Riken
Рис. 4 Внешний вид и принцип действия интерферометра Riken

Одна световая дорожка проходит через камеру, заполненную воздухом, а вторая через камеру, куда закачивается проба газа. Предварительно обе камеры заполняются воздухом, и прибор настраивается так, чтобы одна из темных линий (только правая) совпадала с нулевой отметкой. Затем в измерительную камеру закачивается проба газа и за счет изменения показателя преломления воздуха и газа, происходит смещение темных линий на величину, пропорциональную показателю преломления. Это смещение измеряется путем отметки нового положения темной полосы относительно нулевой отметки.

Градуировка шкалы прибора может быть произведена как в процентных единицах концентрации, так и произвольно. Такой прибор будет давать точные измерения только для измерений концентраций газа, на который отградуирована его шкала.

На показания прибора оказывает влияние, если в инертной атмосфере присутствует углекислый газ. При проведении измерений в такой атмосфере, рекомендуется использовать специальный фильтр с натровой известью в качестве поглотителя и производить корректировку показаний.

Перед использованием прибора в азотной атмосфере необходимо выставить «0» прибора на азот, поскольку разница в показаниях «0» по воздуху и по азоту составит около 0,5 %.

Измерение концентрации кислорода

Анализаторы кислорода обычно используются для того, чтобы определить, является ли атмосфера в помещении (например в танке) в достаточной мере инертной и безопасной для входа.

Стационарные анализаторы используются для постоянного контроля содержания кислорода в вытяжном канале котла и в магистрали инертного газа.

Наиболее часто для измерения содержания кислорода в атмосфере используются:

Кислород, в отличие от других газов, является сильным парамагнетиком. Благодаря этому свойству, его легко можно обнаружить в самых различных газовых смесях.

Наиболее часто используется прибор, в котором в камере для отбора проб помещена легкая чувствительная рамка, подвешенная свободно в магнитном поле на торсионной нити.

Парамагнитные датчики

Когда пробу газа прокачивают через камеру (рис. 5), вращающаяся рамка подвергается воздействию момента, пропорционального по величине магнитной восприимчивости данного газа. Равные по величине, но противоположные по направлению моменты, возникают в результате действия электрического тока, проходящего через обмотки катушки, окружающей корпус. Уравновешенный ток и является мерой магнитной силы, пропорциональной содержанию кислорода в пробе. Перед использованием прибор тарируется на ноль с использованием азота или углекислого газа, а максимальное значение устанавливается в воздухе, с содержанием кислорода 21 %.

Принцип работы кислородомера
Рис. 5 Принцип работы кислородомера “SERVOMEX”

Следует помнить, что показания прибора, прямо пропорциональны давлению в измерительной камере. Поэтому прибор рекомендуется использовать при регламентированном атмосферном давлении.

Кислородомер SERVOMEX
Рис. 6 Внешний вид кислородомера “SERVOMEX”

На пробоотборнике устанавливается специальный фильтр, для предотвращения попадания в прибор механических примесей. Необходимо проверять чистоту и влажность такого фильтра, поскольку при снижении его пропускной способности, давление в приборе снижается и происходят ошибки в измерениях.

Электролитические датчики

Определение содержания кислорода с помощью анализаторов такого типа производится путем снятия показаний на выходе газа из электролитической камеры (рис. 7).

Электролитический датчик
Рис. 7 Схема работы электролитического датчика

В большинстве приборов, где используются электролитические датчики, кислород диффундирует в камеру через специальную мембрану, вызывая при этом возникновение тока между специальными электродами, разделенными жидкостью или электролитом в виде геля. Сила тока зависит от концентрации кислорода в пробе, а шкала градуирована таким образом, что дает непосредственно процентное содержание кислорода в пробе. При этом датчик, или, как его называют, сенсор, может быть расположен в отдельном корпусе, независимо от прибора и соединяться с измерительным устройством посредством электрического кабеля.

Такой способ используется во множестве современных приборов (рис. 8), используемых на судах в настоящее время:

Недостаток такого сенсора в том, что многие газы могут влиять на его чувствительность и стать причиной искажения показаний. Наличие в атмосфере двуокиси серы и окислов азота вызывают ошибки в показаниях, если их концентрация выше, чем 0,25 % по объёму.

Прибор «Drager Multiwarn»
Рис. 8 Прибор «Drager Multiwarn» позволяющий производить замеры 4-х параметров одновременно

Сероводород может вывести сенсор из строя, если его содержание в атмосфере более чем 1 % по объёму. Причем такие повреждения проявляются не сразу, а постепенно, после чего тарировка датчика становится невозможной и необходимо произвести его замену. Стоимость датчиков в зависимости от типа прибора колеблется в пределах 200–400 долларов.

Химические жидкости избирательного поглощения

В анализаторах такого типа определенный объём образца газовой смеси вводят в контакт с жидкостью, которая поглощает кислород, что в свою очередь приводит к изменению объёма жидкости. Отношение изменения объёма жидкости к её первоначальному объёму служит мерой содержания кислорода в пробе. Использование такого вида приборов ограниченно из-за сильного воздействия углеводородов на реагенты.

Так как использование всех вышеупомянутых приборов имеет жизненно важное значение, то за ними следует установить тщательный технический уход и регулярно производить тестирование и калибровку.

Прибор ORSAT

Этот классический инструмент основан на очень простом принципе действия – на способности некоторых газов полностью растворяться в той или иной жидкости. Каждый газ будет полностью растворяться только в строго определенной жидкости.

С помощью простейших подсчетов, зная температуру и давление газа в пробе, отобранной в сосуд с фиксированным объёмом (рис. 9), мы можем определить общий объём вещества, в котором газ будет растворяться.

Измерительный прибор ORSAT
Рис. 9 Внешний вид и принцип работы прибора ORSAT

В настоящее время этот прибор используется для определения концентраций в атмосфере танка аммиака или же VCM. Принцип определения концентраций основан на том, что аммиак 100 %-но растворяется в воде, а VCM – в циклогексане. Причем, объём воды или циклогексана, займет точно такой же объём, что и пары данных газов.

Принцип проверки атмосферы танка состоит в следующем. Производится отбор пробы газа из танка в пробоотборник ORSAT при открытых клапанах. Пробоотборник необходимо продуть азотом перед отбором проб и как следует просушить. После чего клапана на пробоотборнике закрываются, и нижний конец его помещается в сосуд, содержащий необходимую для определения концентрации газа, жидкость. Затем, при закрытом верхнем клапане, открывается нижний клапан и пробоотборник встряхивается, с тем, чтобы жидкость из сосуда попала в пробоотборник, и началось растворение газа в жидкости.

Поскольку газ будет растворяться, то в пробоотборнике возникнет вакуум, за счет которого жидкость начнет заполнять сосуд. Заполнение сосуда будет продолжаться до тех пор, пока весь газ полностью не растворится в жидкости. После чего, зная объём пробоотборника, определяем процентное содержание газа в пробе по процентному заполнению пробоотборника жидкостью.

Измерение концентрации токсичных газов

Если известна только объёмная или процентная концентрация токсина в воздухе, трудно определить действительную степень опасности. Например, сигаретный дым содержит более 800 различных компонентов в своём составе и соотношение концентраций компонентов в дыме и физическое состояние курильщика совместно определяют токсичный эффект воздействия дыма на организм. Для измерения таких незначительных концентраций токсина в воздухе используются самые различные устройства и приборы:

Наиболее удобным и популярным оборудованием для замера очень низких концентраций токсичных газов на борту танкера, являются химические индикаторные трубки. Такой прибор (рис. 10) состоит из небольшого ручного насоса с фиксированным объёмом всасываемого газа, и набора запаянных стеклянных трубок (рис. 11) со специальным наполнителем, который реагирует с изменением цвета при соприкосновении с тем или иным токсичным веществом.

Прибор измерения концентрации газов
Рис. 10 Детектор токсичных газов. Правила работы с детектором.
1 – обломать концы индикаторной трубки; 2 – вставить индикаторную трубку во всасывающий патрубок; 3 – сжать грушу насоса до упора

Величина объёма просасываемого газа через индикаторную трубку напрямую зависит от типа вещества, присутствие которого определяется. При этом происходит изменение цвета наполнителя в трубке, а протяженность участка с изменившимся цветом, показывает концентрацию данного вещества в пробе (обычно определяется в миллионных долях – ррм).

Индикаторная трубка
Рис.11 Внешний вид индикаторной трубки

Соотношение между процентной концентрацией токсина и его концентрацией, выраженной в ррм, можно выразить следующим образом:

1 % объёма = 10 000 ррм

Иногда токсины присутствуют в атмосфере в виде пыли (дыма) или мельчайших капель (аэрозолей), поэтому объёмная концентрация токсина в атмосфере довольно не даст полного представления о его реальном количестве. Для определения количественных значений концентрации таких веществ используются весовые характеристики – обычно г/л, мг/л, мг/м3 или же мл/л, мл/м3, л/м3. Значения концентрации токсина приводятся для стандартных условий атмосферы – давления 1 013 мбар и температуры 20 °С.

Детектор токсичных газов
Рис.12 Внешний вид детектора токсичных газов с электрохимическим сенсором

Перевод концентраций, выраженных в мг/м3, в ррм осуществляется следующим образом:

c(ррм) = Молярный объём (24,144 л)Молярная масса (г) ·с(мг/м3)

Пример 1:

Определим объёмную концентрацию бутана в воздухе, если известно, что его весовая концентрация составляет 876 мг/м3.

Решение:

с(ррм) = (24,1 : 58,1) · 876 = 363 ррм (или мл/м3)

Перевод объёмных концентраций, выраженных в ррм, в весовые осуществляется следующим образом:

c(мг/м3) = Молярная масса (г) Молярный объём (24,1 л) ·с(ррм)  

Пример 2:

Решим обратную задачу. По известной объёмной концентрации 364 ррм токсина (Бутана) в воздухе, определим его весовое соотношение в атмосфере.

Решение:

c (мг/м3) = (58,1 : 24,1) · 363 = 876 мг/м3 

Всегда следует использовать только трубки, предназначенные для данной ручной помпы, поскольку изготовителей таких приборов много, и каждый из них производит соответствующие индикаторные трубки только для своих приборов. Следует также помнить, что индикаторные трубки предназначены для измерения содержания токсических веществ в воздухе.

При наличии в атмосфере танка целого ряда токсичных веществ, в показаниях прибора могут быть ошибки.

Для измерения общей дозы токсина, полученной работником в течение рабочего дня также используются приборы с индикаторными трубками химического реагирования. Приборы такого типа (рис. 13) получили общее название LONG TERM TOXIC GAS DETECTOR.

Прибор измерения дозы токсина
Рис.13 Прибор для продолжительного замера токсичных концентраций “Drager Polymer

Измерение точки росы

Понятие «воздух» мы используем для определения смеси газов, составляющих атмосферу земли. Состав этой смеси различных газов практически не изменяется с местоположением или высотой, исключая количество паров воды, содержащихся в воздухе, которое может меняться значительно.

Состав сухого воздуха можно определить следующим образом:

Определение состава сухого воздуха
Название газа Соотношение в %
Азот78,09 %
Кислород20,93 %
Аргон0,93 %
Углекислый газ0,03 %
Другие газы0,02 %
Всего: 100 % объёма

 

Над поверхностью земли плотность воздуха составляет примерно 1,3 кг/м3, причем плотность воздуха уменьшается с увеличением расстояния от земли. На высоте 5 000 м плотность воздуха уже составит 0,7 кг/м3, а на высоте 10 000 м его плотность будет 0,4 кг/м3.

Наличие паров воды в воздухе

В воздухе всегда присутствует некоторое количество воды в форме паров. Причем её наличие в воздухе может меняться от практически ничтожного количества до 40 г/м3, что составляет около 3 % от всей массы воздуха. Содержание паров воды в атмосфере Земли постоянно поддерживается за счет испарения воды с поверхности рек, озер, морей и т. д.

Выделим условно один кубометр воздуха при фиксированной температуре, который нижней стороной контактирует с поверхностью воды. Испарение воды с её поверхности будет продолжаться до тех пор, пока содержание паров в воздухе не достигнет некоторой максимальной величины, при которой наступит равновесное состояние между водой и её парами. Причем с увеличением температуры, содержание паров воды в объёме воздуха будет увеличиваться (давление насыщенных паров).

При охлаждении воздуха, насыщенного парами воды, произойдет его перенасыщение с образованием маленьких капелек воды с диаметром около 0,01 мм, которые будут формировать туман, дымку или же снег.

Теория измерения

Разница между фактической температурой атмосферы танка и температурой точки росы дает нам число градусов, на которое мы можем охладить атмосферу танка до того, как в ней начнет образовываться водный туман. Большая разница между этими температурами говорит о том, что воздух в танке сухой, а небольшая разница температур, что воздух слишком влажный. При насыщении и значение температуры точки росы, и фактическая температура атмосферы танка падают.

Поскольку низкая точка росы атмосферы танков требуется при перевозке многих сжиженных газов, важно понять методы определения температуры точки росы, также как и правильно использовать приборы для её измерения. Прежде всего, необходимо тщательно изучить инструкцию завода-изготовителя по правилам эксплуатации данного прибора. Принцип действия таких приборов допускает их использование также в атмосфере инертного газа и азота без каких либо поправок.

Точка росы

Точка росы – это температура, при которой пары жидкости достигают насыщения и начинают конденсироваться.

На графике (рис. 14) изображена кривая плотности насыщенных паров воды в зависимости от температуры воздуха.

График насыщенных паров воды
Рис. 14 Зависимость плотности насыщенного водяного пара от температуры

В точке В воздух достигнет насыщения после охлаждения до температуры Е.

Насыщенным называется такой пар, который находится в динамическом равновесии с жидкостью, то есть число молекул, покидающих поверхность жидкости в единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость.

Ненасыщенным или перегретым, называется такой пар, плотность и давление которого меньше, чем плотность и давление насыщенного пара при данной температуре.

Содержание водяного пара в воздухе характеризуется его влажностью. Абсолютная влажность воздуха измеряется массой водяного пара, находящегося в 1 м3 воздуха (его плотностью). Практически такое измерение осуществить довольно сложно, кроме того, зная абсолютную влажность воздуха, нельзя определить, насколько он сух или влажен, поскольку это зависит от температуры воздуха.

Для оценки влажности воздуха важно знать как водяной пар, находящийся в нем, близок или далек от состояния насыщения. С этой целью вводится понятие относительной влажности.

Относительная влажность воздуха – это величина характеризующая отношение фактического содержания водяных паров в 1 м3 к количеству пара, необходимого для насыщения 1 м³ воздуха при той же температуре.

φ = ρфρн

где:

В метеорологии относительной влажностью называют отношение парциального давления водяного пара при данной температуре к давлению насыщенных водяных паров при той же температуре.

Пример 1:

Воздух имеет температуру +20 °С, какое максимальное количество паров воды он может содержать?

Ответ:

Из таблицы 2 выбираем значение максимального содержания паров воды в воздухе при данной температуре = 17,7 г/м3.

Пример 2:

Воздух при температуре +30 °С содержит 13 г/м3 паров воды. До какой температуры необходимо охладить воздух, чтобы началась конденсация паров и сколько свободной воды образуется при охлаждении воздуха до -10 °С.

Ответ:

Из таблицы 2 выбираем значение температуры, соответствующее данному содержанию насыщенных паров в воздухе = 15 °С. Далее находим максимальное содержание паров воды при температуре -10 °С (из таблицы) = 2,15 г/м3.

Для определения количества воды, которое может образоваться при охлаждении воздуха с заданной влажностью, определяем разницу между значением влажности воздуха при заданной температуре и содержанием паров при температуре охлаждения:

13 г/м3  2,15 г/м3 = 10,85 г/м3

т. е. из каждого кубометра воздуха образуется 10,85 грамм воды.

Пример 3:

Масса воздуха при +10 °С содержит 5 г/м3 паров воды. Определить относительную влажность воздуха.

Решение:

Из таблицы 2 находим, что при температуре +10 °С максимальное содержание паров воды в воздухе равно 9,3 г/м3. Значит относительная влажность составит:

(5 г/м3 · 100 %)  : 9,3 г/м3 = 53,8 %

Пример 4:

Атмосфера танка объёмом в 1 000 м3 при +25 °С имеет относительную влажность 75 %. Какое количество свободной воды образуется в танке при его охлаждении до -40 °С.

Решение:

При +25 °С максимальное содержание паров в воздухе, выбранное из таблицы 2 составит 23,5 г/м3, следовательно при относительной влажности 75 % содержание паров воды будет:

(23,5 г/м3 · 75 %) : 100 % = 17,625 г/м

далее из таблицы находим максимальное количество паров воды при температуре -40 °С = 0,120 г/м3.

Определяем содержание свободной воды при температуре -40 °С:

17,625 г/м3  0,120 г/м3 = 17,505 г/м3

всего же в атмосфере танка образуется свободной воды:

17,505 г/м3 · 1 000 м3 = 17 505 г = 17,5 кг

Пример 5:

Температура точки росы в танке объёмом 5 000 м3 определена как -20 °С. В танк должен быть погружен пропан при температуре -41 °С. Сколько льда образуется в танке после погрузки?

Решение:

Всего образуется льда:

0,81 г/м3 · 5 000 м3 = 4 050 г = 4,0 кг.

Таблица 2. Таблица зависимости плотности насыщенного водяного пара от температуры
Cρ, 10-3кг/м³t, °Cρ, 10-3кг/м³t, °Cρ, 10-3 кг/м³
-500,038-191,01+1210,60
-490,43-181,10+1311,34
-480,048-171,20+1412,14
-470,055-161,30+1513,00
-460,061-151,40+1613,88
-450,068-141,52+1714,79
-440,075-131,66+1815,73
-430,084-121,81+1916,70
-420,094-111,97+2017,70
-410,106-102,15+2118,80
-400,119-92,34+2219,90
-390,132-82,54+2321,00
-380,145-72,75+2422,20
-370,162-62,97+2523,50
-360,180-53,20+2624,80
-350,200-43,46+2726,30
-340,220-33,74+2827,80
-330,245-24,04+2929,30
-320,275-14,38+3031,00
-310,30504,70+3132,80
-300,340+15,07+3234,80
-290,380+25,46+3336,90
-280,420+35,87+3439,10
-270,460+46,30+3541,50
-260,510+56,75+3643,70
-250,560+67,22+3745,90
-240,610+77,71+3848,10
-230,670+88,22+3950,30
-220,750+98,75+4052,50
-210,830+109,30+4567,00
-200,920+119,92+5083,00
Открыть таблицу в новой вкладке

 

Типы приборов для измерения точки росы

Для измерения температуры насыщения воздуха, когда в нем начинают образовываться капельки воды (точки росы), используются различные методы. Самый простой из них (и значит самый дешевый) основан на использовании сосуда со смесью ацетона и сухого льда. Когда температура сосуда опустится до определенного значения, на наружных его стенках начнется выпадение влаги.

Используя термометр можно определить температуру сосуда. Эта температура и будет определять точку росы атмосферы, в которой находится сосуд.

В некоторых приборах для определения точки росы используется фреон (R22) для охлаждения сосуда. Когда начинается образование влаги на поверхности сосуда, определяется его температура. Приборы такого типа наиболее часто используются на газовозах.

Существуют также и электронные приборы для определения (рис. 15) температуры точки росы, однако их стоимость намного выше, чем их точность.

Приборы, определяющие точку росы
Рис.15 Современные приборы для определения температуры точки росы

Все приборы, определяющие точку росы, используются для определения температуры атмосферы танка, при которой в ней начнется образование свободной воды из насыщенных водных паров.

Таблица 3. Зависимость температуры точки росы, давления насыщенных паров и плотности водяного пара
Dewpoint
(°C)
Vapour pressure
(mmHg)
Relative Humidity
(% H2O)
ppmvDewpoint
(°C)
Vapour Pressure
(mmHg)
Relative Humidity
(% H2O)
ppmvDewpoint
(°C)
Vapour pressure
(mmHg)
Relative Humidity
(% H2O)
ppmv
-1507·10(-15)3.9·10(-14)9.2·10(-12)-74,0010476,005971,378-22,64223,66845,00
-1403·10(-10)1.7·10(-9)3.9·10(-7)-72,0014275,008141,878-20,77904,441025,00
-1307·10(-8)4.0·10(-8)9.2·10(-6)-70,001933,01102,543-18,94215,371239,61
-1209·10(-8)5.4·10(-7)1.2·10(-4)-68,002603,01483,425-161,1366,481494,74
-118,00000015,0000009,00020-66,003483,01994,583-141,3657,781796,05
-116,00000025,0000014,00033-64,004635,02646,099-121,6369,332152,63
-114,00000041,0000023,00054-62,006135,03508,072-101,95611,152573,68
-112,00000066,0000038,00087-60,008076,046110,626-82,33113,293067,11
-110,00000107,0000061,00141-58,010576,060313,916-62,77115,803646,05
-108,00000169,0000096,00222-56,013780,078618,132-43,28518,734322,37
-106,00000266,000015,00350-54,01787,101923,513-23,88422,155110,53
-104,00000413,000024,00543-52,02305,13130,32904,58126,126027,63
-102,00000636,000036,00837-50,02961,16938,96125,29230,186963,16
-100,00000968,000055,0127-48,03786,21649,81646,09934,788025,00
-98,00001459,000083,0192-46,04819,27563,40867,01239,999226,32
-96,00002178,00012,0287-44,06108,34880,36888,04545,8810585,53
-94,00003224,00018,0424-42,07709,440101,43109,20952,5212447,10
-92,00004729,00027,0622-40,09691,553127,511210,51859,9813839,47
-90,00006879,00039,0905-38,12133,692159,641411,98868,3715773,68
-88,00009924,00057,1305-36,15133,863199,121613,63577,7617940,79
-86,00014205,00081,1869-34,18801,07247,371815,47888,2720365,79
-84,0002018,00115,2655-32,23281,33306,322017,535100,0023072,37
-82,0002844,00162,3742-30,28711,64377,76
-80,0003981,00227,5238-28,35292,01464,34
-78,0005533,00316,7280-26,43232,47568,82
-76,0007638,004361,005-24,52773,01694,34
Примечание: показатели взяты из ежегодных сборников стандартов ASTM
Открыть таблицу в новой вкладке

 

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Декабрь, 08, 2022 185 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ