Κατανομή Υγρασίας σε τοιχώματα Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Μάθημα: Έλεγχος Περιβάλλοντος Αγροτικών Εγκαταστάσεων Διδάσκων:

Παρουσίαση με θέμα: "Κατανομή Υγρασίας σε τοιχώματα Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Μάθημα: Έλεγχος Περιβάλλοντος Αγροτικών Εγκαταστάσεων Διδάσκων:"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Κατανομή Υγρασίας σε τοιχώματα Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Μάθημα: Έλεγχος Περιβάλλοντος Αγροτικών Εγκαταστάσεων Διδάσκων: Δρ. Ν. Κατσούλας

2 Ψυχρομετρία Η ψυχρομετρία ασχολείται με τις μεταβολές θερμοκρασίας και υγρασίας που λαμβάνουν χώρα στον ατμοσφαιρικό αέρα. Πρόκειται για αδιαβατικές μεταβολές της κατάστασης του αέρα (σταθερή πίεση, μεταβλητός όγκος) που διέπονται από τις αρχές της θερμοδυναμικής και τους νόμους των ιδανικών αερίων και οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή σε όλες της εφαρμογές θέρμανσης - ψύξης κτιρίων.

3 Υγρασία-Ορισμοί Σε ορισμένο χώρο ο αέρας ανάλογα με τη θερμοκρασία περιέχει μια ορισμένη ποσότητα νερού σε μορφή ατμού. Εάν ο αέρας περιέχει τη μέγιστη ποσότητα νερού τότε λέγεται κορεσμένος. Κάθε περίσσεια νερού σε μορφή ατμού σε κορεσμένο χώρο συμπυκνώνεται σε σταγόνες νερού.

4 Υγρασία-Ορισμοί Απόλυτη υγρασία (h) είναι η περιεκτικότητα κατά όγκο υδρατμών στον αέρα και μετράται σε μονάδες μάζας υδρατμών (M) ανά μονάδα όγκου αέρα (V) (π.χ. g cm -3 ή g m -3 ) h=M/V

5 Υγρασία-Ορισμοί Μερική τάση υδρατμών (e) είναι η μερική πίεση των ατμών νερού στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η πίεση ενός αερίου μίγματος ιδανικών αερίων ισούται με το άθροισμα των μερικών πιέσεων των αερίων που το συνιστούν.

6 Υγρασία-Ορισμοί Οι μερικές πιέσεις των αερίων διέπονται από τον νόμο Boyle - Gay Lussac από όπου προκύπτει η ακόλουθη σχέση μεταξύ μερικής τάσης ατμών και απόλυτης υγρασίας: n, ο αριθμός γραμμομορίων (mole) R, η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών αερίων (8.31 J mole -1 K -1 ) Τ, η θερμοκρασία του αέρα (K) Η μάζα (Μ) του αέρα ισούται με το γινόμενο του αριθμού μορίων (n) επί το γραμμομοριακό βάρος (m): Μ = n m  n = M/m. R W η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών αερίων (8.31 J mol -1 K -1 ) διαιρεμένη με το γραμμομοριακό βάρος του νερού (m = 18 g mol -1 )

7 Υγρασία-Ορισμοί Η Σχετική Υγρασία (RH) σε ένα χώρο με δεδομένη θερμοκρασία εκφράζει τη σχέση του βάρους νερού που υπάρχει σε μορφή ατμών προς το μέγιστο βάρος νερού που είναι δυνατόν να αποκτήσει ο χώρος μέχρι να κορεσθεί. ή Σχετική υγρασία, είναι ο λόγος της μερικής πίεσης των υδρατμών στον ατμοσφαιρικό αέρα (e) με την μερική τάση κορεσμού των υδρατμών στην ίδια θερμοκρασία και πίεση (e * ). Αποτελεί ένδειξη του βαθμού κορεσμού του αέρα σε υδρατμούς και συνήθως εκφράζεται σε ποσοστό επί τις εκατό. Η (e * ) εξαρτάται από τη θερμοκρασία και αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος του νερού.

8 Υγρασία-Ορισμοί Πίνακας θερμοκρασίας – πίεσης ατμών στον κορεσμό

9 Υγρασία-Ορισμοί Η εξάρτηση του (e * ) από την θερμοκρασία στην περιοχή από 0 έως 100°C, υπολογίζεται επίσης και από εμπειρικές σχέσεις όπως αυτή που ακολουθεί: e * = 0.611 x Exp[17.269 x T/(273+T-36)] (kPa)

10 Υγρασία-Ορισμοί Άλλη εμπειρική σχέση δίνει την μερική πίεση ατμών του αέρα: e = 0.611*EXP[17.27*(T-273)/(T-36)]*(RH/100) (kPa)

11 Ορισμοί Ειδική υγρασία (h W ), είναι η περιεκτικότητα κατά βάρος υδρατμών στον αέρα. Ισούται δηλαδή με το λόγο μάζας υδρατμών (Μ w ) προς μάζα αέρα (Μ a ). Σχετίζεται με την απόλυτη υγρασία με την ακόλουθη σχέση: h w = h/ρ όπου ρ η πυκνότητα του αέρα (ρ = Μ a /V a )

12 Ορισμοί Έλλειμμα κορεσμού του αέρα (D), είναι η διαφορά μεταξύ της μερικής τάσης των ατμών στον αέρα (e) με την μερική τάση ατμών στον κορεσμό (e*) στην ίδια θερμοκρασία. Ισχύει δηλαδή η ακόλουθη σχέση: D = e* - e

13 Ορισμοί Θερμοκρασία δρόσου (Τ dew ), είναι η θερμοκρασία στην οποία ο ατμοσφαιρικός αέρας με μια συγκεκριμένη υγρασία γίνεται κορεσμένος. Αντιστοιχεί δηλαδή στη θερμοκρασία στην οποία η μερική τάση ατμών στον κορεσμό (e*) γίνεται ίση με την μερική τάση των ατμών στον αέρα (e). Δηλαδή: Τ dew = T e*(T) = e

14 Υγρασία-Ορισμοί Συμπύκνωση γίνεται όταν στο χώρο ή στις εσωτερικές επιφάνειες ενός χώρου η θερμοκρασία της επιφάνειας ή του χώρου είναι μικρότερη μιας κρίσιμης θερμοκρασίας, της θερμοκρασίας δρόσου.

15 Ψυχρομετρία Την ευρεία διάδοση και πρακτική εφαρμογή αυτών των αρχών βοήθησαν δύο ευρήματα: το ψυχρόμετρο ξηρού - υγρού βολβού το διάγραμμα Mollier (στην Ευρώπη) ή ψυχρομετρικό διάγραμμα ή διάγραμμα Carrier (στις ΗΠΑ)

16 Ψυχρόμετρο ξηρού - υγρού βολβού Το ψυχρόμετρο ξηρού υγρού βολβού είναι ένα όργανο το οποίο αποτελείται από δύο αισθητήρες θερμοκρασίας. Ο ένας από τους δύο αισθητήρες είναι περιτυλιγμένος με διαβρεγμένο ύφασμα και καλείται υγρός βολβός ενώ ο άλλος είναι άμεσα εκτεθειμένος στον αέρα. Οι δυο αισθητήρες βρίσκονται συνήθως στο εσωτερικό ενός σωλήνα, για να προστατεύονται από την ηλιακή ακτινοβολία, ο οποίος αερίζεται με ανεμιστήρα.

17 Ψυχρόμετρο ξηρού - υγρού βολβού Το ψυχρόμετρο ξηρού υγρού βολβού μετράει δύο θερμοκρασίες, τη θερμοκρασία ξηρού βολβού (Τ d ) και τη θερμοκρασία υγρού βολβού (Τ w ). Η πρώτη αντιστοιχεί στην αισθητή θερμότητα του αέρα, ενώ η διαφορά μεταξύ της Τ w και της Τ d αντιστοιχεί στην ενέργεια που θα απορροφούνταν από τον αέρα για να κορεστεί πλήρως με υδρατμούς.

18 Ψυχρομετρικό διάγραμμα

19 Μετατόπιση Υδρατμών

20 Μετατόπιση υδρατμών από χώρο σε χώρο Οι υδρατμοί που παράγονται σε ένα χώρο και μετατοπίζονται σε έναν άλλο χώρο, υπάρχει περίπτωση να συμπυκνωθούν, όταν η θερμοκρασία στον νέο χώρο είναι χαμηλή.

21 Μόνωση Θα πρέπει να σημειωθεί ότι μόνωση δεν γίνεται μόνο για μείωση των ενεργειακών απωλειών. Αν ένας τοίχος είναι μονωμένος, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του είναι μεγαλύτερη απ’ ότι στις εξωτερικές του επιφάνειες κατά τη διάρκεια κρύου καιρού. Με τον τρόπο αυτό δεν έχουμε προβλήματα από συμπύκνωση στο εσωτερικό τους.

22 Τριχοειδής συμπύκνωση Ορισμένα υλικά έχουν πολύ μικρή διάμετρο πόρων και έτσι η συμπύκνωση μπορεί να γίνει πριν ακόμα οι υδρατμοί φθάσουν στον κορεσμό. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στις επιφανειακές τάσεις που επικρατούν στους πόρους. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι οι υδρατμοί συμπυκνώνονται ευκολότερα σε λεία επιφάνεια απ’ ότι σε ανώμαλη με μεγάλους πόρους.

23 Συμπύκνωση σε επιφάνεια τοίχου Αν έχουμε συμπύκνωση οι επιφάνειες του τοίχου είναι υγρές και αυξάνονται οι πιθανότητες εμφάνισης παθογόνων οργανισμών στις επιφάνειες αυτές. Η επαρκής μόνωση προλαμβάνει τη συμπύκνωση στην επιφάνεια ενός τοίχου. Παρόλα αυτά δεν θα ήταν πρακτικό η μόνωση να αποτρέπει πλήρως τη συμπύκνωση. Κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών συνθηκών (κρύο), θα μπορούσε να επιτραπεί κάποια συμπύκνωση. Η μόνωση στα παράθυρα ή τις πόρτες δεν είναι ποτέ επαρκής ώστε να αποτρέψει τη συμπύκνωση.

24 Συμπύκνωση σε παράθυρα Σε κτηνοτροφικά κτήρια, κατά την περίοδο παρατεταμένων διαστημάτων με χαμηλή θερμοκρασία, είναι συχνό το φαινόμενο της εμφάνισης πάγου στην εσωτερική πλευρά των παραθύρων. Στα θερμοκήπια είναι επίσης πολύ συχνό το φαινόμενο της συμπύκνωσης στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Η συμπύκνωση και το σημείο δρόσου έχουν άμεση εξάρτηση με την κατάσταση της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα στο εσωτερικό ενός χώρου.

25 Οριακές συνθήκες συμπύκνωσης Αν σε έναν τοίχο είναι r i η αντίσταση εσωτερικού αέρα-επιφάνειας και R η συνολική αντίσταση του τοίχου, συμπεριλαμβανομένης και της r i, τότε η απαιτούμενη αντίσταση προκειμένου να μη γίνει συμπύκνωση στην επιφάνεια του τοίχου, μπορεί να υπολογισθεί συναρτήσει της θερμοκρασίας δρόσου, έτσι ώστε να ισχύει Τ επιφ ≥ Τ δρόσου, από τη σχέση: R ≥ r i [(Ti-To)/(Ti-T δρόσου )]

26 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Λόγω θερμοκρασιακών διαφορών σε ένα τοίχωμα, θερμική ενέργεια μεταφέρεται μέσα από αυτό. Οι υδρατμοί μετακινούνται λόγω διαφορών στη μερική πίεση του αέρα. Όταν έξω υπάρχει κρύο, η μερική πίεση των υδρατμών μέσα σε ένα θερμαινόμενο κτήριο είναι σημαντικά υψηλότερη από ότι έξω. Κατά συνέπεια οι υδρατμοί διαχέονται σταδιακά μέσα από τον τοίχο.

27 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Αντίθετα, σε ένα κτήριο το οποίο ψύχεται στο εσωτερικό του, με θερμό εξωτερικό περιβάλλον οι υδρατμοί θα εισέρχονται στο χώρο.

28 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Η θερμομόνωση ενός τοίχου επηρεάζει τη θερμοκρασία του εσωτερικού του. Περισσότερη μόνωση προκαλεί μείωση των εξωτερικών θερμοκρασιών ενός τοίχου από ότι σε ένα τοίχο με μικρότερη μόνωση.

29 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Το νερό συμπυκνώνεται όταν η μερική πίεση των υδρατμών είναι μεγαλύτερη από την πίεση ατμών στον κορεσμό. Η πίεση ατμών στον κορεσμό είναι χαμηλή για χαμηλές θερμοκρασίες.

30 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Η μόνωση θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι κάνει περισσότερο πιθανή την υγροποίηση κοντά στον πυρήνα του τοίχου και για το λόγο αυτό θα πρέπει να σχεδιάζονται τα κατάλληλα μέσα και να τοποθετούνται στο εσωτερικό του τοίχου προκειμένου να προλαμβάνεται η συμπύκνωση που δεν μπορεί άλλωστε να γίνει εύκολα αντιληπτή. Αυτό σημαίνει την προσθήκη ενός αδιαπέρατου στους υδρατμούς υλικού στη θερμή και υγρή πλευρά του τοίχου (όπου η μερική πίεση των υδρατμών είναι υψηλή).

31 Συμπύκνωση μέσα σε τοίχο Τα μονωτικά υλικά επιβραδύνουν τη διάχυση των υδρατμών μέσα από τον τοίχο και κατά συνέπεια, οι υδρατμοί έχουν το χρόνο να διαχυθούν μέσα από τον τοίχο πριν η μερική πίεση φτάσει σε επίπεδα κοντά στο σημείο κορεσμού.

32 Μετατόπιση υδρατμών μέσα από τοίχους Οι υδρατμοί μετατοπίζονται μέσα από τοίχους από τη θερμή προς την ψυχρή επιφάνεια. Αν στη ζώνη μετατόπισης υπάρχει μία θερμοκρασία στον τοίχο μικρότερη από αυτή του σημείου δρόσου τότε έχουμε συμπύκνωση υδρατμών. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να υπάρχει ένα μέσο συνεχές, αδιαπέρατο από τους υδρατμούς, τοποθετημένο όσο το δυνατόν πιο κοντά στη θερμή επιφάνεια.

33 Διάχυση υδρατμών Η διάχυση των υδρατμών διέπεται από το νόμο του Fick: w = - μ (de/dx) όπου: w είναι η ποσότητα του νερού που διαχέεται ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου, μ είναι η περατότητα του υλικού στη διάχυση της υγρασίας και de/dx είναι η διαφορά της μερικής πίεσης ατμών.

34 Διάχυση υδρατμών Για σταθερές συνθήκες η προηγούμενη σχέση γίνεται: w = - μ (e1 –e2)/L όπου: L είναι το πάχος του τοιχώματος το οποίο διαπερνούν οι υδρατμοί και e η μερική πίεση των ατμών.

35 Αντίσταση υλικών στη μετατόπιση υδρατμών Η διαπερατότητα μ είναι ένα μέγεθος που έχει άμεση σχέση με το είδος του υλικού ενώ ο συνδυασμός μ/L είναι μία ευρύτερη έννοια. Οι μονάδες της περατότητας «μ/L» είναι: ng/(s m 2 Pa) (ή perms). Η αντίσταση στη ροή των υδρατμών R H2O είναι το αντίστροφο της περατότητας (L/μ) με μονάδες: ΤPa m 2 s / kg (ή reps)

36 Αντίσταση υλικών στη μετατόπιση υδρατμών Θα πρέπει να σημειωθεί η υπάρχουσα αναλογία μεταξύ της ροής θερμότητας και της ροής υδρατμών και μεταξύ της διαφοράς θερμοκρασίας με τη διαφορά πίεσης. Επιπλέον, η περατότητα είναι ανάλογη της θερμικής αντίστασης. Τέλος, οι αναλογίες των αντιστάσεων σε σειρά ή παράλληλα βρίσκουν εφαρμογή και στην περίπτωση της διάχυσης των υδρατμών όπως στην περίπτωση της θερμότητας.

37 Ρυθμός συμπύκνωσης Είναι γεγονός ότι υπάρχει σχεδόν πάντα ροή υδρατμών μέσα από ένα τοίχο όταν υπάρχει διαφορά πίεσης ατμών, εκτός εάν υπάρχει στον τοίχο κάποιο αδιαπέρατο στους υδρατμούς υλικό. Το αν θα υπάρξει συμπύκνωση υδρατμών μέσα στον τοίχο ή όχι εξαρτάται από την πραγματική πίεση ατμών και την πίεση ατμών στον κορεσμό σε κάθε σημείο μέσα στον τοίχο.

38 Ρυθμός συμπύκνωσης Το αν η πραγματική πίεση ατμών είναι μεγαλύτερη από την πίεση ατμών στον κορεσμό εξαρτάται από τη διάχυση θερμότητας και υδρατμών μέσα στον τοίχο. Μία μέθοδος πρόβλεψης της συμπύκνωσης είναι η γραφική μέθοδος με την οποία σχεδιάζονται οι καμπύλες της πραγματικής πίεσης και της πίεσης ατμών στον κορεσμό κατά μήκος μιας κάθετης τομής του τοίχου.

39 Ρυθμός συμπύκνωσης Η πίεση των υδρατμών σε κάθε σημείο του τοίχου μπορεί να υπολογιστεί συναρτήσει της αντίστασης του τοίχου στη διάχυση των υδρατμών. Για παράδειγμα…

40 Ρυθμός συμπύκνωσης Αν ξεκινήσουμε από την εσωτερική επιφάνεια του τοίχου, όπου η πίεση ατμών είναι e i, η πίεση ατμών σε σημείο x μέσα στον τοίχο e x, εξαρτάται από την ολική αντίσταση του τοίχου στη διάχυση των υδρατμών R H2O, tot, την αντίσταση του τοίχου στη διάχυση των υδρατμών μέχρι το σημείο x R H2O,x, και την πίεση ατμών στην εξωτερική επιφάνεια του τοίχου e o.

41 Ρυθμός συμπύκνωσης Η σχέση που δίνει την ex είναι: ex= ei + (R H2O,x /R H2O, tot ) (e o – e i ) Η πίεση ατμών στον κορεσμό είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και η θερμοκρασία σε σημείο x μέσα στον τοίχο δίνεται από τη σχέση: Tx =Ti + (R thermal,x /R thermal,tot ) (To – Ti)

42 Ρυθμός συμπύκνωσης Η συνήθης πρακτική ελέγχου υγροποίησης σε κάθε σημείο αλλαγής-επαφής των διαφορετικών υλικών του τοίχου είναι ο έλεγχος εάν η πραγματική-μερική πίεση ξεπερνά την πίεση ατμών στον κορεσμό σε οποιαδήποτε από τις επιφάνειες. Η μεταβολή της πίεσης από τη μία πλευρά ενός υλικού προς την άλλη υποτίθεται ότι είναι γραμμική.