Feuchtefibel. Fibel/Lexikon. Messtechnik und Kalibrierung. Testo Industrial Services Mehr Service, mehr Sicherheit. 3. Auflage

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1 Feuchtefibel Messtechnik und Kalibrierung 3. Auflage Fibel/Lexikon Testo Industrial Services Mehr Service, mehr Sicherheit. 1

2 Vorwort 2

3 Vorwort Mit Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt in der Luft bzw. eines anderen Stoffes. Wie bei der Temperatur hat der Mensch auch ein Gefühl für extrem feuchte oder trockene Luft. Allerdings ist es im Gegensatz zur Schätzung der Lufttemperatur viel schwieriger, dem Feuchtegehalt der Luft einen ungefähren Wert zuzuweisen. Unter anderem liegt das daran, dass die Luftfeuchte im alltäglichen Gebrauch weniger verbreitet ist. Aus diesem Grund möchten wir auf die Hintergründe etwas genauer eingehen und zum besseren Verständnis beitragen. Die Feuchtemessung ist gegenüber vielen anderen physikalischen Messgrößen (Temperatur, Druck, etc.) sehr komplex. Insbesondere die unterschiedlichen Einflüsse von Zustandsänderungen auf die Feuchtekenngrößen erschweren die Beurteilung der Messergebnisse und deren Aussagekraft. Die Erfassung und Bestimmung der Messgröße Feuchte (vorwiegend relative Feuchte ) ist von großer Bedeutung für viele Industrieprozesse. Durch direkte Kontrolle der relativen Feuchte werden Qualitätskriterien für die verschiedensten Produkte und Anlagen (Automobil-, Pharma-, Lebensmittel-, Stahl-, Kunststoffindustrie etc.) eingehalten. Industrial Services über das Wissen und die Ausrüstung, die aktuellen Qualitätsforderungen mit Ihnen erfolgreich umzusetzen. In dieser Fibel geben wir Ihnen einen Überblick über die Eigenschaften verschiedener Feuchtemessgeräte und -fühler wie elektronische Hygrometer, Datenlogger, verschiedene Feuchtesensoren sowie viele Tipps und Anleitungen zur Umsetzung bzw. Realisierung von Kalibrierung und Prüfmittelüberwachung. Des Weiteren wird auf die verschiedenen Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung eingegangen. Hierbei werden verschiedene Kalibriereinrichtungen (Klimakammern, Generatoren...) vorgestellt und deren Eigenschaften und Anwendungsbereiche genauer erläutert. Diese Fibel soll eine Hilfe zur Realisierung der Kalibrierung im Rahmen der Qualitätssicherung sein. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die hier genannten Ratschläge können auch keine Allgemeingültigkeit besitzen. Sie sind vielmehr eine Sammlung von Erfahrungen und Eindrücken aus vielen Kundenbesuchen und Testo-Kalibrierseminaren. Für weitere Hinweise und Anregungen sind wir dankbar. Als führender Dienstleister auf dem Gebiet der Mess- und Kalibriertechnik verfügt Testo Ihr Testo Industrial Services Team 3

4 Inhaltsverzeichnis Inhalt 6 1 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Was ist eigentlich Feuchte? Einheiten und Kenngrößen der Feuchte Beispiele/Hintergründe aus dem Leben Ermittlung von Feuchtekenngrößen theoretische Rechenbeispiele 47 2 Messverfahren/Sensorik Übersicht Haarhygrometer Faserhygrometer Psychrometer Feuchtesensoren Taupunktspiegelhygrometer Infrarotabsorption 67 3 Testo-Feuchtemessgeräte im Überblick Messgeräte für verschiedene Anwendungen 4

5 70 4 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Überblick Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen-Methode Fixpunktzellen/Salztöpfchen Zwei-Mengen-Generatoren Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck-Generatoren Drucktaupunktanlage Wichtige Punkte, die zu beachten sind 87 5 Messunsicherheitsbestimmung nach GUM Ermittlung der Messunsicherheiten Beispiel Messunsicherheitsabschätzung (im Huminator II) 89 6 Quellen/Literatur 90 7 Testo Industrial Services Ihr kompetenter Dienstleister 5

6 Grundlagen der Feuchtemesstechnik 1 Grundlagen der Feuchtemesstechnik 1.1 Was ist eigentlich Feuchte? Luft Wasser Luft Mit Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt in der Luft bzw. eines Stoffes (z. B. Luftfeuchte, Materialfeuchten, Holzfeuchte). Die am meisten verbreitete Feuchte ist die Luftfeuchte. Wie jeder andere Stoff hat auch Luft nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser. Diese Grenze nennt man Sättigung. Unterhalb der Sättigung ist feuchte Luft für das Auge nicht von trockener zu unterscheiden, oberhalb der Sättigung fällt der überschüssige Wasseranteil als Nebel in Form feiner Wassertröpfchen (Kondensat) aus. Ist die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasser erschöpft, kondensiert der überschüssige Wasserdampf. Die aufgenommene Wassermenge bei Sättigung ist temperaturabhängig und steigt stark progressiv mit ihr an. Bei 0 C beträgt die Sättigung 4,8 Gramm Wasser/Volumen feuchte Luft [Einheit: g/m 3 ], bei 20 C sind es bereits 17,3 Gramm Wasser/ Volumen feuchte Luft [Einheit: g/m 3 ]. Die absolute Feuchte [f abs ] wird demnach aus folgender Formel berechnet: Gewicht des in der Luft enthaltenen Wassers [Masse Wasser]/Rauminhalt der betrachteten Luftmenge [Volumen feuchte Luft]. f abs = Masse Wasser [g] Volumen feuchte Luft [m 3 ] Mit dem Begriff der relativen Luftfeuchte beschreibt man folgendes Verhältnis: Momentan tatsächlich enthaltene absolute Luftfeuchte [f abs ] zur maximal möglichen absoluten Feuchtigkeit [f max ] (in einem bestimmten Raum bei gleicher Temperatur). U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 6

7 Nun gibt es einen sehr wichtigen Sachverhalt: 70 % relative Luftfeuchte sind nicht gleich 70 % relative Luftfeuchte?!? Wie erwähnt, ist die Sättigung für 0 C bei 4,8 g/m 3 erreicht. 70 % entsprechen also 4,8 g/m 3 0,7 = 3,36 g/m 3. Bei 20 C liegt die Sättigung bei 17,3 g/m 3, 70 % sind demnach 17,3 g/m 3 0,7 = 12,11 g/m 3. In beiden Fällen ist eine relative Luftfeuchte von 70 % vorhanden. Nur einmal sind rund 3,4 g Wasser/m 3, das andere Mal rund 12 g Wasser/m 3 Luft enthalten. 1.2 Einheiten und Kenngrößen der Feuchte Feuchtemaße Der Wassergehalt der Luft kann durch verschiedene sogenannte Feuchtemaße angegeben werden. Diese Feuchtemaße können wiederum über verschiedene Kenngrößen und Parameter angegeben werden: Feuchtekenngrößen Temperaturkenngrößen Druckkenngrößen Sonstige Kenngrößen Dampfkonzentration Dampfdruck Feuchtegrad Sättigungsdampfdruck Spezifische Enthalpie Absolute Feuchte Wassergehalt Taupunkttemperatur Frostpunkttemperatur Relative Feuchte Wasserdampfpartialdruck Feuchtkugeltemperatur Die Feuchtemessung ist nicht zuletzt aufgrund vieler unterschiedlicher Einheiten sehr komplex. Die Wahl der Einheit des dargestellten Feuchtemesswertes wird durch den zu untersuchenden Prozess und die betreffenden Randbedingungen definiert. In der Klimatechnik werden überwiegend die Einheiten relative Feuchte [%rf] und Taupunkt- 7

8 Grundlagen der Feuchtemesstechnik temperatur [ Ctd] verwendet, während bei verfahrenstechnischen Prozessen eher in Volumenanteilen gedacht wird Feuchtekenngrößen Die absolute Feuchte f abs [g/m 3 ] Die absolute Feuchte gibt an, welche Masse Wasser in einem Volumen feuchter Luft als Dampf enthalten ist. Bei gleichbleibendem Luftvolumen ist die absolute Luftfeuchte temperatur- und druckunabhängig. Verringert sich aber das Volumen aufgrund äußerer Druckeinwirkung oder einer Abkühlung bei gleichbleibendem Wassergehalt, so steigt die absolute Feuchte entsprechend. Um also Messwerte der absoluten Feuchte bei unterschiedlichen Luftdrücken oder Temperaturen miteinander zu vergleichen, muss dieser Sachverhalt berücksichtigt werden. Die absolute Feuchte wird in g/m 3 angegeben: f abs = Masse Wasser [g] Volumen feuchte Luft [m 3 ] Sättigungsfeuchte/maximale Feuchte f max [g/m 3 ] Sättigungsmenge von Wasserdampf in der Luft Die Sättigungsfeuchte ist ebenfalls eine absolute Feuchte (angegeben in g/m 3 ). Darunter versteht man die bei einer bestimmten Temperatur in einem Kubikmeter Luft maximal mögliche Wasserdampfmenge. Das Feuchteaufnahmevermögen der Luft steigt mit ansteigender Temperatur. Wird die maximale Feuchte überschritten, so schlägt sich der überschüssige Wasserdampf in Form von Kondensat (Tröpfchenbildung) nieder. 8

9 Relative Feuchte U [%rf] Unter der relativen Feuchte [%rf] versteht man das Verhältnis der tatsächlich enthaltenen zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft. Die relative Feuchte wird üblicherweise in Prozent angegeben. Es gilt: Temperatur Sättigungsfeuchte 0 C 4,8 g/m 3 5 C 6,8 g/m 3 10 C 9,4 g/m 3 15 C 12,8 g/m 3 20 C 17,3 g/m 3 25 C 23,0 g/m C 597,7 g/m 3 U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 Beispiele der Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit der Temperatur Die relative Feuchte setzt den Feuchtegehalt in Bezug zur Sättigung und ist daher ein Maß für das Sättigungsdefizit der Luft. Da die relative Feuchte druck- und temperaturabhängig ist, kann sie auch über den Wasserdampfdruck berechnet werden: U = Wasserdampfdruck e w (t) [hpa] Sättigungsdampfdruck e s (t) [hpa] e w e s 100 % = 100 % Die relative Feuchte ist also auch definiert, als das in Prozent angegebene Partialdruck-Verhältnis zwischen dem herrschenden Wasserdampfdruck e w und dem Sättigungsdampfdruck e s. Im Sättigungsfall (U = 100 %rf) ist e w (t)/e s (t) = 1. D. h. der Wasserdampfdruck ist gleich dem Sättigungsdampfdruck. Somit zeigt die relative Feuchte an, wieviel Prozent der maximal möglichen Wasserdampfmenge momentan in der Luft vorhanden sind. Die relative Feuchte wird auch in der Meteorologie (z. B. bei Wettervorhersagen) angegeben. 9

10 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Spurenfeuchte Ein wasserfreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit 0 bis 4 Volumenprozent vergleichsweise sehr stark schwankt. Beeinflusst wird die Luftfeuchtigkeit vor allem durch die Verfügbarkeit von Wasser, die Temperatur und den Grad der Durchmischung der Atmosphäre. Höhere Lufttemperaturen befähigen die Luft dabei, mehr Wasserdampf aufzunehmen. Bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf in der Luft bezeichnet man die Luftfeuchtigkeit auch als Spurenfeuchte Temperaturkenngrößen Taupunkttemperatur t d [ C, F, K] Die Taupunkttemperatur ist definiert als die Temperatur, bei welcher der aktuelle Wasserdampfgehalt in der Luft (100 % relative Luftfeuchtigkeit) maximal ist. D. h. der herrschende Wasserdampfdruck e w ist dann gleich dem Sättigungsdampfdruck e s. Die Taupunkttemperatur ist damit eine von der aktuellen Temperatur unabhängige Größe. Eine Möglichkeit die Taupunkttemperatur zu messen ist das Abkühlen von Metall bis sich die Oberfläche mit Wasserdampf beschlägt. Dann ist die Temperatur des Metalls die Taupunkttemperatur. Dieser Effekt wird auch bei verschiedenen Mess- und Kalibrierverfahren genutzt (siehe Feuchter-Strumpf-Methode ; Taupunktspiegelhygrometer ). Maximale Feuchte in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur Aus Umgebungstemperatur und relativer Luftfeuchte lässt sich die Taupunkttemperatur bestimmen bzw. aus Umgebungs- und 10

11 Taupunkttemperatur die relative Luftfeuchte. Zudem lässt sich daraus die absolute Feuchte der Luft berechnen. Relative Feuchte in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur bei einer Lufttemperatur von t = +20 C Man kennt das Phänomen des Taupunkts, wenn z. B. Brillenträger aus kalten in warme Räume wechseln, oder an kalten Weinflaschen, die vom kühlen Keller in die Wohnung gebracht werden. Die Taupunkttemperatur ist höher als die Temperatur der Flasche/der Brillengläser und das Wasser kondensiert bzw. die Brille beschlägt. Es stellt sich ein durch die Glastemperatur definiertes Sättigungsgleichgewicht ein. Erwärmt sich das Glas wieder auf Raumtemperatur, so verdunstet das kondensierte Wasser. 11

12 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Frostpunkttemperatur t f [ C, F, K] In manchen Fällen spricht man bei Taupunkttemperaturen unter 0 C von der Frostpunkttemperatur. Andere Bezeichnungen sind auch Taupunkttemperatur über Eis bzw. Gefrierpunkt Reifpunkttemperatur t r [ C, F, K] siehe Frostpunkttemperatur Taupunktdifferenz ΔT f [K] Die Taupunktdifferenz ist die Differenz zwischen Taupunkt und Temperatur. Im Sättigungsfall ist T d = 0. ΔT d = T T d = t t d Taupunktdetektion Der Taupunkt wird mit Hilfe von sogenannten Tauspiegelhygrometern detektiert. Diese Messgeräte arbeiten nach einem optischen System zur Erkennung des Taupunktes. Nähere Informationen siehe Kapitel Messverfahren/Sensorik, Thema Taupunktspiegelhygrometer (S. 64) Feuchtkugeltemperatur t F [ C, F, K] Als Feuchtkugeltemperatur t F bezeichnet man bei der psychrometrischen Messung die von dem mit einem Stoffüberzug versehenen Thermometer (Aspirationspsychrometer) ausgegebene 12

13 chen Die Feuchtkugeltemperatur [ C; F] wird gemeinhin mit Hilfe eines Psychrometers erfasst. Dieses misst zudem die Trockenkugeltemperatur (= Prozesstemperatur). innt, k p m- ls n. er ö- Klassischer Aufbau (Psychrometer): Dazu ist die Messspitze des Feuchtkugel-Thermometers mit einem Textil (z.b. Filz) überzogen und wird mit destilliertem Wasser befeuchtet. Beide Thermometer befinden sich in einem Luftstrom und sind vor Strahlungswärme abgeschirmt. Durch die Umströmung verdunstet Wasser, die Temperatur fällt. Diese Feuchtkugeltemperatur ist zusammen mit der Trockentemperatur ein Maß für die Luftfeuchte. Mit Hilfe einer Psychrometer-Tafel angezeigte kann man Temperatur. die Luftfeuchtigkeit Aufgrund bestimmen. der Verdunstungskälte (siehe Tabelle) bzw. liegt Beispiel: diese Das Temperatur Trockenkugel-Thermometer in Abhängigkeit misst von 22 der C, relativen gleichzeitig Luftfeuchte das Feuchtkugel-Thermometer unterhalb der Lufttemperatur, 19 C. Daraus die folgt, von dass dem die trockenen misst psychrometrische Differenz 3 K beträgt, und somit die relative Vergleichsthermometer (Trockenkugeltemperatur) angezeigt Luftfeuchtigkeit bei 75 %rf liegt. wird. Die Temperaturdifferenz ist dabei umso größer, je trockener die umgebende Luft ist. Psychrometer-Tafel relative Luftfeuchtigkeit in % Trockenes Thermometer C Psychrometrische Differenz in K 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3, ,5 6 6, , Mit Hilfe einer Psychrometertafel kann man die Luftfeuchtigkeit bestimmen. (Angabe der relativen Feuchte in %) Beispiel: das Trockenkugelthermometer misst 22 C, gleichzeitig misst das Feuchtkugelthermometer 19 C. Daraus folgt, dass die psychrometrische Differenz 3 K beträgt und somit die relative Luftfeuchtigkeit bei 75 %rf liegt. Anwendung: In Klimakammern/-schränken sowie herkömmlicher Messtechnik 13

14 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Drucktaupunkt [ Ctpd] Drucktaupunkt [ Ctpd] ist die Temperatur, auf die verdichtete Luft abgekühlt werden kann, ohne dass Kondensat ausfällt. Der Drucktaupunkt ist abhängig vom Prozessdruck. Bei sinkendem Druck sinkt auch der Drucktaupunkt. Bei Systemen unter Druckbelastung ist immer der Drucktaupunkt, nicht aber der atmosphärische Taupunkt relevant Unterschied Drucktaupunkt atmosphärischer Taupunkt Drucktaupunkt oder atmosphärischer Taupunkt? Atmosphärische Luft ist in der Lage, mehr Wasserdampf zu speichern als komprimierte Luft. Wird die komprimierte Luft abgekühlt, so erreicht sie schon bei höheren Temperaturen ihren Taupunkt (Drucktaupunkt), während die atmosphärische Luft tiefer abgekühlt werden kann, bis erstmals Kondensat ausfällt (atmosphärischer Taupunkt). Für die Überwachung von Druckluftanlagen auf Restfeuchte spielt nur der Drucktaupunkt eine Rolle, da dieser anzeigt, wie weit die Gefahrenschwelle (= Taupunkt) entfernt ist. 14

15 1.2.4 Druckkenngrößen Dalton sches Gesetz Betrachtet man feuchte Luft als eine Mischung von trockener Luft mit Wasserdampf, dann besagt das Gesetz von Dalton, dass der gesamte Luftdruck die Summe der Partialdrücke der trockenen Luft und des Wasserdampfes ist. Es gilt also: p ges = p tr + p e Wobei p tr der Partialdruck der trockenen Luft und p e der Wasserdampfdruck [hpa], also der Partialdruck des Wasserdampfes, ist. Dieser beschreibt also den tatsächlichen (im Moment vorherrschenden) Wasserdampfdruck in feuchter Luft. John Dalton * 6. September 1766 in Eaglesfield, Cumberland 27. Juli 1844 in Manchester war ein englischer Naturforscher und Lehrer. 15

16 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Dampfdruck e w [hpa] Wärme lässt sich physikalisch durch die Bewegung von Molekülen veranschaulichen. Je höher die Temperatur, desto stärker die Bewegungen der Teilchen. Treffen diese Teilchen an die Behälterwand, wird diese Bewegung auch als Druck fühlbar. Jedes einzelne Teilchen leistet also seinen Beitrag zum Gesamtdruck. Teilt man nun den Gesamtdruck auf die durch die Wasser- und Luftteilchen erzeugten Drücke auf, erhält man die jeweiligen Teil- oder Partialdrücke. Der Anteil des Wasserdampfdrucks am Gesamtdruck ist somit ein Maß für die Anzahl 1.12 Sensorik Temperatursensor ( NTC = Negative Temperature Coefficient) Wasserteilchen und für die vorhandener Luftfeuchte. Stationary_1_Klima.qxd :01 Seite 46 Der hygrotest 600 benutzt einen NTC-Thermistor für die Temperaturmessung. Heißleiter (NTC) sind Halbleiterwiderstände, die temperatur- Betrachtet abhängig sind. Sie leiten man bei die höheren feuchte Temperaturen Luft besser als bei eine niedrigeren Temperaturen, wodurch sich der Widerstand bei höheren Mischung aus trockener Temperaturen Luft und verkleinert. Wasserdampf, Sie haben einen negativen so Temperatur-koeffizienten und werden deshalb auch Negative Temperature Coefficient - nimmt der Wasserdampf mit Widerstände genannt. Sie eignen sich besonders zum Einsatz bei dem Molekulargewicht m w = 18,016 kg/kmol in einem Luftpaket Feuchte-Messum-formern, da sie eine gute Genauigkeit mit einer schnellen Ansprechzeit verbinden. feuchter Luft mit der Temperatur T einen bestimmten Partialdruck etemperatursensor w, den Dampfdruck (Pt 1000 oder Klasse Wasserdampfpartialdruck, A) an. Der hygrotest Dampfdruck 650/650 HP benutzt ist sozusagen einen Platinwiderstand ein Pt Maß 1000 für die Menge an Wasserdampstände, die temperaturabhängig im Luftpaket. sind. Sie Der leiten bei Dampfdruck höheren Temperaturen liegt zwischen 0 hpa Klasse A für die Temperaturmessung. Widerstandssensoren sind Wider- schlechter als bei niedrigeren Temperaturen, wodurch sich der Widerstand (trockene bei höheren Temperaturen bzw. wasserdampffreie vergrößert. Sie haben einen positiven Luft) Temperaturkoeffizienten. Sie eignen sich besonders zum Einsatz bei Feuchte- und 30 hpa. Die Obergrenze Messumformern, ist da durch sie eine den sehr gute Sättigungsdampfdruck Genauigkeit mit einer schnellen bestimmt. Ansprechzeit und großem Temperaturbereich verbinden. Zudem sind sie, da eindeutig genormt, austauschbar. Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Trockene Luft 1.13 Physikalische Grundlagen setzt sich wie folgt zusammen: Wasserdampf-Partialdruck Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Trockene Luft setzt sich wie folgt zusammen: Volumenanteile in % Stickstoff N2 78,03% Argon Ar 0,93% Weitere 0,05% Kohlendioxid Kohlendioxid CO2 CO2 0,03% restliche Bestandteile Neon, Helium, Krypton 0,02 % 16 Stickstoff N2 75,47 % Sauerstoff O2 20,99% Gewichtsanteile in % Argon Ar restliche 1,28 % Be Bestandteile Natürlich weiteren Wasserd besonde gebungs in gering Gewichts liegt bei e dieser ge in der Lu Wohlbefi die Quali zesse in tegehalt

17 Stickstoff N2 78,03% Argon Ar 0,93% Weitere 0,05% Kohlendioxid Kohlendioxid CO2 CO2 0,03% restliche Bestandteile Neon, Helium, Krypton 0,02 % Stickstoff N2 75,47 % Sauerstoff O2 20,99% Gewichtsanteile in % Argon Ar 1,28 % Weitere 0,05 % restliche Be Bestandteile Ne Neon, Helium, Krypton 0,01 % Natürlich enthält feuchte Luft als weiteren wichtigen Bestandteil Wasserdampf; dieser spielt eine besondere Rolle. In der Umgebungsluft ist Wasserdampf nur in geringer Menge vorhanden. Der Gewichtsanteil des Wasserdampfes liegt bei etwa 0,1% bis 2%. Trotz dieser geringen Wassermenge, die in der Luft vorhanden ist, sind das Wohlbefinden des Menschen und die Qualität vieler technischer Prozesse in hohem Maße vom Feuchtegehalt abhängig. Sauerstoff O2 23,20% % Kohlendioxid CO2 0,04% Sättigungsdampfdruck e s [hpa] 46 Weitere Infos unter Der Sättigungsdampfdruck ist der Wasserdampfdruck bei Sättigung. Dieser ist nur durch die Lufttemperatur bestimmt und luftdruckunabhängig. Die Partialdrücke hängen aber direkt vom Gesamtdruck ab. Unter dem Sättigungsdampfdruck e s (t) versteht man den maximal möglichen Druck des Wasserdampfes bei einer bestimmten Temperatur. Man spricht in diesem Fall von einer Sättigung des Gases. Im folgenden Diagramm ist Im Sättigungsfall ist der Taupunkt der Sättigungsdampfdruck des Wassers in Abhängigkeit von gleich der Temperatur. Der Reifpunkt bezieht sich auf Sättigung der Temperatur dargestellt. Der Wasserdampfpartialdruck e w (t) variiert zwischen 0 hpa (trockene Luft) und 30 hpa. über Eis. 1 1 Zum Beispiel herrscht ein Sättigungsdampfdruck von Pa (entspicht 199 hpa) bei 60 C vor. Berechnungsbeispiele nach Magnus (siehe Punkt 1.4.5: Berechnung Sättigungsdampfdruck) Sättigungsdampfdruck e s (t) in Abhängigkeit von der Temperatur 17

18 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Der Sättigungsdampfdruck ist nur von der Temperatur abhängig. Er ist ein Ausdruck für das Gleichgewicht zwischen flüssigem und dampfförmigem Aggregatzustand. Stoff ohne Anomalie Das Phasendiagramm Das Phasendiagramm veranschaulicht in der (p,t)-ebene, unter welchen Bedingungen der Wassergehalt Phasenumwandlungen unterworfen ist, bzw. welchen Aggregatzustand das Wasser annimmt. p [hpa] Stoff mit Anomalie (z. B. Wasser) 1013,25 Normaldruck flüssig fest Phasendiagramm eines gewöhnlichen Stoffes und Phasendiagramm von Wasser 6,107 0 Tripelpunkt gasförmig 0, t [ C] Sättigungsdampfdruckkurve über flüssigem Wasser Sättigungsdampfdruckkurve über Eis Sättigungsdampfdruckkurve über unterkühltem Wasser Schmelzdruckkurve Koordinaten des Tripelpunktes von Wasser: pt = 610,78 Pa = 6,1078 hpa Tt = 273,16 K = 0,01 C Auf den jeweiligen Dampfdruckkurven existiert ein Sättigungsgleichgewicht zwischen den jeweiligen Phasen. 18

19 1.2.5 Sonstige Größen Spezifische Enthalpie [kj/kg] Unter spezifischer Enthalpie versteht man die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Gases (oder Gasgemisches) bei konstantem Druck von einer Temperatur auf eine andere zu erhöhen Spezifische Feuchte [g/kg] Die spezifische Feuchte q ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes M w zur Gesamtmasse M der feuchten Luft des betrachteten Volumens, bzw. das Verhältnis der Dichten (ρ w zu ρ): M w ρ r q = = w = M ρ r + 1 Die Größe wird meist in [g/kg] (g/kg = 0,001) ausgedrückt. r ist das Mischungsverhältnis. Die spezifische Feuchte ändert sich nicht bei Druck- und Temperaturveränderungen der feuchten Luft Feuchtegrad X oder Mischungsverhältnis [g/kg] Der Feuchtegrad X bzw. das Mischungsverhältnis ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse der trockenen (wasserdampfreien) Luft des gleichen Volumens: M w r = = M l ρ w ρ l 19

20 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Auch das Mischungsverhältnis ändert sich, wie die spezifische Feuchte, bei Temperatur- und Druckänderungen der feuchten Luft nicht und es gilt: q r = l - q m w e = p - e m l mit dem Molekulargewicht des Wasserdampfes m w = 18,016 kg/kmol und dem Molekulargewicht der trockenen Luft m l = 28,96 kg/kmol, deren Verhältnis m w zu m l = 0,622 ist. Da der Dampfdruck in der Atmosphäre nur wenige Prozent des Gesamtdruckes ausmacht, kann man in der vorherigen Gleichung den Dampfdruck im Nenner gegenüber dem Gesamtdruck vernachlässigen und näherungsweise schreiben: r 0,662 e p Zustandsänderungen Sättigung Zur Veranschaulichung der Sättigung betrachte man einen abgeschlossenen Behälter mit Wasser und Luft. In diesem Behälter findet ein ständiger Austausch von Wassermolekülen zwischen dem Wasser und der Luft statt (siehe Abbildungen). Die Moleküle aus der Wasseroberfläche werden durch die Wärmebewegung der Moleküle herausgelöst und gehen in den Wasserdampf in der Luft über, gleichzeitig gehen aber auch Wassermoleküle vom Wasserdampf in das Wasser über. Sind die Ströme der Moleküle aus dem Wasserdampf in das Wasser und der Moleküle aus dem Wasser in den Dampf gleich 20

21 groß, so ist der Wasserdampf gesättigt. In diesem Zustand ist das System im Gleichgewicht und der Wasserdampf hat als Partialdruck den Sättigungsdampfdruck e s. Der Sättigungsdampfdruck ist also ein Ausdruck für einen Gleichgewichtszustand zwischen dem Wasser und dem Wasserdampf. Ist der Strom von der Wasseroberfläche größer als der Strom zur Wasseroberfläche, so ist der Wasserdampf ungesättigt und es findet Verdunstung statt. Umgekehrt ist der Wasserdampf übersättigt, wenn mehr Wassermoleküle vom Dampf in das Wasser gehen als vom Wasser in den Dampf. Das heißt, der Dampfdruck ist größer als der Sättigungsdampfdruck und der Wasserdampf kondensiert. Strom der Wassermoleküle bei ungesättigtem, gesättigtem und übersättigtem Wasserdampf: Wasserdampf Wasser e w < e s e w = e s e w > e s ungesättigt gesättigt übersättigt Kondensation Als Kondensieren bezeichnet man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Kondensation bzw. physikalische Kondensation, das Produkt als Kondensat. Dieser Prozess erfolgt unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen, die man als Kondensationspunkt bezeichnet. Bei der Kondensation muss der Dampfdruck über dem Sättigungsdampfdruck liegen. 21

22 Grundlagen der Feuchtemesstechnik In der Atmosphäre findet Kondensation nur unter Einbeziehung von Kondensationskernen statt, da zur homogenen Kondensation, der direkten Tropfenbildung aus der Gasphase, Übersättigungen nötig sind, die in der Atmosphäre nicht vorkommen. Die latente Verdampfungswärme, d. h. der Energiebetrag, der zur Verdampfung eines kg Wassers aufgebracht werden muss, beträgt: L = 2, J/kg. Diese Energie wird bei der Kondensation von Wasser frei Verdunstung An einer freien Wasseroberfläche, die flüssiges Wasser vom darüber liegenden Luftvolumen trennt, treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Prozentsatz von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden, die Wasseroberfläche zu verlassen und in das Luftvolumen überzugehen, also zu verdunsten. Die Verdunstungsrate hängt vom Prozentsatz derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. 22

23 1.2.7 Abhängigkeiten Druck- & Temperaturabhängigkeit der Feuchtegrößen Feuchtegröße druckabhängig temperaturabhängig Wassergehalt/ Volumenanteil Atmosphärischer Taupunkt Feuchtegrad nein nein Sättigungsdampfdruck nein ja Drucktaupunkt ja nein Wasserdampfpartialdruck Relative Feuchte Absolute Feuchte ja ja Druckabhängigkeit von Feuchtekenngrößen Nachfolgend soll untersucht werden, wie sich eine Druckänderung auf einzelne Feuchtekenngrößen auswirkt. Hierzu betrachten wir das Beispiel, wenn vollkommen abgeschlossene Luft komprimiert wird. Die Druckänderung soll bei konstanter Temperatur erfolgen, d. h. die Kompression führt nicht zu einer Temperaturänderung. Dies ist nur eine Näherung an reale Situationen, da normalerweise bei Kompression auch eine Erwärmung der Luft stattfindet. 23

24 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Wir betrachten eine Volumenhalbierung also eine Druckverdopplung ausgehend von 1000 hpa und 30 %rf bei 25 C. Entspannt: p 1 = 1 bar U 1 = 30 %rf t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2 bar t = 25 C U 2 =? f abs =? t d =? Druckabhängigkeit der relativen Feuchte U: Es gilt: e w1 e w2 = p 1 p 2 [1] Daraus folgt: U 1 U 2 = p 1 p 2 [2] Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C U 2 = U 1 p 1 p 2 [3] 2000 hpa = 30 %rf 1000 hpa = 60 %rf 24

25 Der Wasserdampfteildruck ist proportional zum vorliegenden Umgebungsdruck. Das bedeutet, dass das Verhältnis aus Dampfdruck und Umgebungsdruck für alle Zustände gleich groß ist (s. Gleichung [1]). Gleichzeitig ist die Luftfeuchtigkeit U dem Dampfdruck proportional, so dass sich daraus Gleichung [2] ableiten lässt. Die Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit bei Druckänderung errechnet sich also direkt aus dem Druckverhältnis [3]. Eine Volumenhalbierung, also eine Druckverdopplung erhöht die relative Feuchte um den Faktor 2. Druckabhängigkeit der absoluten Feuchte f abs : Es gilt: f 1 = m und f 2 = m [1a, 1b] V 1 V 2 Daraus folgt: f 1 f 2 V 1 p = = 1 V 2 p 2 [2] Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t = 25 C f s = 23,04 g/m 3 * Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C f 2 = f 1 p 1 p 2 [3] f 1 = U % f s = 6,9 g 2000 hpa 1000 hpa mit f abs = 23,04 g m 3 = 13,8 m 3 g m 3 f 1 = 6,9 g m 3 * Sättigungsfeuchte 25

26 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Die Absolutfeuchte errechnet sich aus dem Verhältnis der Masse Wasser zu dem Volumen der feuchten Luft [1]. Dabei ist die Masse des enthaltenen Wassers druckunabhängig immer die gleiche. Das Luftvolumen verhält sich aber umgekehrt proportional zum Druck [2]. Die Änderung der Absolutfeuchtigkeit bei Druckänderung errechnet sich also (wie bei %rf) direkt aus dem Druckverhältnis [3]. Druckabhängigkeit der Taupunkttemperatur t d : Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t d = 6,24 Ctd t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C 2000 hpa U 2 = 30 %rf 1000 hpa = 60 %rf entspricht: 16,7 Ctpd Bei Atmosphärendruck: Atmosphärischer Taupunkt Bei höheren Drücken: Drucktaupunkt Die Änderung der Taupunkttemperatur lässt sich am besten indirekt berechnen. Ausgehend vom Ausgangszustand betrachtet man die Änderung der relativen Feuchte oder der Absolutfeuchte und rechnet die Taupunkttemperatur für Zustand 2 mittels Magnus-Funktion wieder zurück (s. Berechnungsbeispiel Pkt ). 26

27 1.3 Beispiele/Hintergründe aus dem Leben Allgemeines Die Regelung der Luftfeuchte ist überall dort interessant, wo sich Menschen oder feuchteempfindliche Stoffe über längere Zeit in einem Raum befinden. In diesen Räumen findet ein Feuchteaustausch zwischen der Umgebungsluft und der sich darin befindenden Menschen oder Stoffe statt. Hygroskopische Stoffe geben Feuchte an die Umgebung ab oder nehmen selbst Feuchte auf. Sie streben dabei nach einem Gleichgewicht ihres Feuchtehaushaltes mit der Umgebung, d. h. bei Luft mit einem geringen Gehalt an relativer Feuchte, trocknen hygroskopische Stoffe langsam aus; bei hohen relativen Luftfeuchten reichern sich Materialien mit Wasser an. Als Beispiel hierfür: bei geringer Luftfeuchte kommt es zu Materialversprödung und Rissbildung (vor allem in der Heizperiode während des Winters). Bei hoher relativer Luftfeuchte und partiell kühlen Oberflächen beginnen Materialien zu quellen. Es kommt zu Tauwasserbildung oder gar zum Wachstum von Schimmelpilzen. Die treibende Kraft dabei ist der Grad der relativen Luftfeuchte. Für Menschen und hygroskopische Materialien läßt sich dabei ein Bereich optimaler relativer Feuchte definieren. Bei Menschen spricht man in diesem Zusammenhang vom Behaglichkeitsbereich. Dieser liegt bei einer Raumtemperatur von t = +23 C bei einer relativen Feuchte von ca %rf. Der Behaglichkeitsbereich läßt sich in Gebäuden auch auf anderes übertragen, so z. B. Holz, Stoffe, Papier, Tapeten und natürlich die optimale Lagerung von Zigarren. 27

28 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Solange der Zustand der Luft diesen Bereich nicht verlässt, kann man davon ausgehen, dass kein übermäßiger Feuchtetransport stattfindet und sich die Eigenschaften von Stoffen oder Materialien nicht wesentlich verändern Alltag Im Alltag lassen sich zahlreiche Phänomene auf die Luftfeuchte zurückführen. Beobachtet man nasse Gegenstände oder offene Wasserflächen über einen längeren Zeitraum, ohne dass diesen von außen weiteres Wasser zugeführt wird, so nimmt deren Nässe ab bzw. die Wasserfläche trocknet aus. Wäsche wird mit der Zeit trocken, Pfützen verschwinden, Lebensmittel werden hart und ungenießbar. Es kommt zur Verdunstung. Diese ist jedoch nur so lange möglich, wie die Luft ungesättigt ist, die relative Luftfeuchte also unter 100 % liegt. Mit steigender Luftfeuchtigkeit nimmt auch die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der Luft zu, so dass bei konstanter Temperatur der Heizungsoberfläche der Raum schneller erwärmt wird. Betritt man aus der kühleren Umgebung kommend einen geheizten Raum, so stellt man oft fest, dass Brillengläser anfangen zu beschlagen. Gleiches gilt auch für Fensterscheiben. Sind die Scheiben, z. B. eines Pkws, wesentlich kälter als der Innenraum des Fahrzeuges, so beschlagen diese sehr schnell und können damit das Sichtfeld des Fahrers stark einschränken. Den gleichen Effekt gibt es in einem von heißen Dampfschwaden erfüllten Bad, denn hier beschlagen die Spiegel binnen kürzester Zeit. Grund für all diese Effekte sind die kalten Oberflächen, welche die Luft in ihrer unmittelbaren Umgebung abkühlen. Je höher die relative Luftfeuchte der Umgebungsluft 28

29 ist, desto schneller erreicht die Luft beim Abkühlen den Taupunkt und Wasser kondensiert. Je höher der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Umgebungsluft ist, desto stärker kühlt die oberflächennahe Umgebungsluft ab. Aus diesem Grund zeigen sich die beschriebenen Fälle vor allem im Winter und in sehr nassen Räumen. Der Autofahrer behilft sich, indem er ständig warme Luft auf die Scheibe blasen lässt und sie somit aufheizt, damit diese mehr feuchte Luft aufnehmen kann. Sind die Temperaturunterschiede bei einer Außentemperatur von unter 0 C aber besonders stark ausgeprägt und der Luftaustausch nicht sonderlich groß, so kann es auch zur Ausbildung von Eisblumen* 1 kommen. Diese Effekte sind auch für das Vereisen von Gefrierfächern in einem Kühlschrank bei gleichzeitiger Austrocknung unverpackter Kühlware verantwortlich. Deren Wasser verdunstet zunächst, jedoch vergleichsweise langsam, bei Temperaturen zwischen 4 und 8 C. Am kühleren Gefrierfach mit Temperaturen unter 0 C resublimiert* 2 es aufgrund der Abkühlung hingegen zu Eis. Technische Verwendung findet dieser Effekt bei der Gefriertrocknung* 3. Ein weiterer Effekt in diesem Zusammenhang ist die sogenannte Vergaservereisung, wie sie bei Automobilvergasern und vor allem bei Vergasern von Sportflugzeugen auftritt. Durch die Bernoulliverengung im Inneren eines Vergasers wird die Luft über eine kurze Strecke beschleunigt und dabei der Luftdruck und in der Folge die Temperatur abgesenkt. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kommt es dann zu einer Ausfällung von Wasser, das sich bei niedrigen Temperaturen als Eis im Vergaser niederschlägt. 29

30 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Die Veränderung der maximalen Luftfeuchte kann man auch bei Flugzeugen oder schnellen Rennautos beobachten, die nicht selten an scharfen Kanten der Tragflächen oder z. B. eines Spoilers sogenannte Randwirbel bilden. Auch in ihnen sinkt der Luftdruck, die Luftfeuchtigkeit wird zum Teil ausgefällt und zeigt sich als Nebel. Die Ausatemluft ist beim Menschen, aber auch vielen Tieren wesentlich feuchter und wärmer als die Einatemluft. Dies erkennt man daran, dass diese im Winter bzw. bei niedrigen Temperaturen scheinbar sichtbar wird. Die warmfeuchte Ausatemluft wird dabei unter den Taupunkt abgekühlt und es kommt zur Entstehung von Dampfschwaden* 4. Gleiches gilt auch für die Abgase von Fahrzeugen und Kraftwerken, deren winterliche Dampfschwaden oft mit einer zusätzlichen Abgasemission verwechselt werden. Erläuterungen: Eisblumen Stoff ohne Anomalie Phasendiagramm eines gewöhnlichen Stoffes * 1 Eisblumen: Eine Eisblume ist ein Eiskristall, dem wegen seiner Form Ähnlichkeit mit einer Blume zugesprochen wird. Es handelt sich um eine Sonderform von Raureif. * 2 Resublimieren: Als Resublimieren bezeichnet man in der Thermodynamik das unmittelbare Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Resublimation, Desublimation, Solidifikation oder auch Deposition. Bei den Druck- und Temperaturbedingungen, bei denen eine Resublimation auftritt, existiert kein flüssiger Aggregatzustand, wie im Phasendiagramm ersichtlich. Man bezeichnet diese Bedingungen auch unabhängig von der Richtung der Phasenumwandlung als Sublimationsdruck und Sublimationstemperatur bzw. als Sublimationspunkt. 30

31 Jeder Stoff setzt bei seiner Resublimation die so genannte Sublimationswärme frei, die gleich der Summe aus Schmelz- und Verdampfungswärme ist. Stoff mit Anomalie (z. B. Wasser) * 3 Gefriertrocknung: Die Gefriertrocknung oder Lyophilisation oder Sublimationstrocknung ist die Trocknung von Objekten in gefrorenem Zustand, beispielsweise von Obst oder auch Bakterien. Die Gefriertrocknung wird auch Kälte- oder Vakuumtrocknung genannt. Wasserhaltige Objekte, wie z. B. feuchtes Papier, Bio- und sonstige poröse Materialien werden tiefgefroren und kommen anschließend in eine Vakuumkammer. Dort werden sie einem Unterdruck von weniger als 6 mbar ausgesetzt. Unter dem Einfluß dieses Unterdrucks nimmt das eingefrorene Wasser während des gesamten Trocknungsvorganges nicht mehr den Aggregatzustand flüssig ein, sondern geht direkt von Eis in Dampf über. Phasendiagramm von Wasser * 4 Dampfschwaden: Dampfschwaden sind ein Gemisch aus Luft, Wasserdampf und feinsten Tropfen aus Wasser. Sie entstehen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit der umgebenden Luft über Kühltürmen und Kühlteichen durch Kondensation, wobei diese Schwaden umgangssprachlich oft mit Wasserdampf gleichgesetzt werden. Veranschaulichung verschiedener Trocknungsverfahren 31

32 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Ötzi ein gewichtiger Mann: Mumien-Konservierung Ötzi Um Ötzi am Leben zu erhalten ist es äußerst wichtig, dass er unter den exakt gleichen Bedingungen gelagert wird, wie sie an seiner Fundstelle vorzufinden waren. Wichtigste Kenngrößen hierbei sind die Temperatur und die relative Feuchte. Die Temperatur liegt im Mittel bei ca. +6 C und die relative Feuchte bei 98 %rf. Um dies zu gewährleisten, wurden zwei spezielle Klimakammern (eine als Ersatz) gebaut. Von Zeit zu Zeit wird Ötzi herausgenommen und mit Wasser besprüht, damit er kein Gewicht, d. h. Wasser verliert. Gewichtsverlust ist ein Zeichen der Austrocknung und ohne Gegensteuern dieses Effekts, würde sich die Mumie mit der Zeit in Staub verwandeln Zigarren richtig lagern Ein Humidor (humidus: lat. feucht ), ist ein aus Hölzern oder anderen Materialien gefertigter Behälter, in dem Zigarren unter für sie günstigen klimatischen Bedingungen gelagert werden können, die bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 68 % bis 75 % und einer Temperatur von 18 C bis 22 C gegeben sind. Die Luftfeuchtigkeit ist dabei von primärer Bedeutung. Humidor Ein guter Humidor zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er eine konstante (tropische) Luftfeuchtigkeit in seinem Inneren halten kann. So behält der Tabak von Zigarren sein volles Aroma und kann auch über Jahre gelagert werden. Die nicht unbedingt luftdicht schließenden Kisten sind zumeist mit dem Holz der spanischen Zeder (Cedrela odorata) ausgeschlagen, was einerseits die Reifung und die Aromaentwicklung einer Zigarre unterstützt und andererseits Schädlinge wie 32

33 Milben und Tabakkäfer abhält. Schließt ein Humidor sehr gut oder gar luftdicht, muss er in regelmäßigen Abständen gelüftet werden, um Schimmelbildung vorzubeugen Außenwände von Gebäuden In der Bauphysik spielt der in einem gesonderten Artikel behandelte Taupunkt in Form der Taupunktebene eine wichtige Rolle. Unter dieser versteht man die Temperaturfläche innerhalb des Mauerwerks bzw. der Außenwand eines Gebäudes, ab welcher es bei einer weiteren Abkühlung zur Bildung eines Kondensats kommen kann. Hintergrund ist, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte Luft. Bewegt sich warme und mit Feuchtigkeit angereicherte Luft durch Diffusion oder Konvektion innerhalb der Außenwand vom wärmeren zum kälteren Raum, so kommt es zur Kondensation und damit zur Feuchtebildung, sobald der Taupunkt unterschritten wird. Hieraus kann wiederum eine gesundheitsgefährdende Schimmelbildung resultieren. Die Bestrebung geht folglich dahin, den Ort des Taupunktes durch den gezielten Einsatz von Baumaterialien bzw. auch Baumethoden möglichst weit nach außen zu verlagern bzw. überhaupt einen Taupunkt zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist die Wärmedämmung, welche in der Regel an der Außenseite der Wand angebracht wird. Sie kann damit, im Gegensatz zu einer innenliegenden Dämmung, die Schimmelbildung in den Innenräumen einschränken. 33

34 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Ein angenehmes Klima In einem angenehmen Raumklima sind wir leistungsfähiger. Warum sind Heizen, Kühlen, Entfeuchten und Lüften wichtig? In einem angenehmen Raumklima hält man sich nicht nur gerne auf, man ist auch leistungsfähiger. Reine und frische Luft ist dabei äußerst wichtig. Deshalb muss jedes Gebäude mit einem Lüftungssystem ausgestattet sein. In einer angenehmen Umgebung sind Menschen also zu mehr in der Lage. Hierbei spielen folgende Faktoren eine entscheidende Rolle: Temperatur; Turbulenz (Luftgeschwindigkeit); relative Feuchte; CO 2 -Gehalt; Schadstoffkonzentration. Ein wichtiger Bestandteil feuchter Luft ist Wasserdampf. In der Umgebungsluft ist Wasserdampf aber nur in geringer Menge vorhanden. Der Gewichtsanteil des Wasserdampfes liegt bei etwa 0,1 % bis 2 %. Trotz dieser geringen Wassermenge, die in der Luft vorhanden ist, sind das Wohlbefinden der Menschen und die Qualität vieler technischer Prozesse in hohem Maße vom Feuchtegehalt abhängig Behaglichkeitsfeld Mollier-Diagramme sind kompakte Darstellungen der Luftzustände und gelten jeweils bei einer Druckstufe, i. d. R. bei atmosphärischem Druck (Nutzung im Bereich der Klimatechnik). Das unter Pkt dargestellte Mollier-Diagramm gestattet, verschiedenste Feuchtegrößen (relative Feuchte [%rf] und Feuchtegrad [g/kg]) sowie die Temperatur [ C] zueinander ins Verhältnis zu setzen. Das Behaglichkeitsfeld (in diesem Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereich fühlen sich Menschen wohl) befindet sich zwischen 20 bis 26 C und zwischen 30 bis 65 %rf. 34

35 1 Stationary_1_Klima.qxd :01 Seite Physikalische Grundlagen Mollier-Diagramm für Klimaanwendungen Mollier-Diagramm für Klimaanwendungen [ C] zueinander ins Verhältnis zu setzen. (Druck-abhängiges Mollier-Diagramm siehe Kapitel (Nutzung im Bereich der Klimatechnik) ) Mollier-Diagramme sind kompakte Darstellungen der Luftzustände und gelten jeweils bei einer Druckstufe, i.d.r. bei atmosphärischem Druck Das hier dargestellte Mollier-Diagramm gestattet, verschiedenste Feuchtegrößen (relative Feuchte [%rf] und Feuchtegrad [g/kg] ) sowie die Temperatur relative Luftfeuchtigkeit [%rf] 70 1% 5% 10% 15% 20% 66 30% 60 40% 54 50% 60% 48 70% 80% 42 90% 100% Temperatur [ C] Behaglichkeitsfeld C g/kg Feuchtegrad [g/kg] Richard Mollier * 30. November 1863 in Triest 13. März 1935 in Dresden war Professor für angewandte Physik und Maschinenbau in Göttingen und Dresden und ein Pionier der Erforschung physikalischer Daten für die Wärmelehre, insbesondere für Wasser, Dampf und feuchte Luft. Sommerbetrieb (Beispiel) Winterbetrieb (Beispiel) adiabatischer Befeuchter Nach-Erhitzer Vor-Erhitzer Vor- Erhitzer adiabatischer Befeuchter Nach-Erhit- Erhitzer Kühler Nach- Erhitzer Kühler 50 Winterbetrieb: Weitere Infos unter Damit die zu kalte und zu trockene Winterluft an das Behaglichkeitsfeld adaptiert wird, muss während des Winterbetriebes zuerst die Luft erhitzt werden, dann wird die relative Luftfeuchtigkeit beispielsweise mit Hilfe eines adiabatischen* 1 Befeuchters erhöht und gleichzeitig abgekühlt. Letztendlich wird die Luft noch einmal mit einem Nacherhitzer erwärmt und befindet sich somit im Behaglichkeitsfeld (s. Mollier-Diagramm, schwarze Pfeile). 35

36 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Sommerbetrieb: Damit die zu warme und zu feuchte Sommerluft an das Behaglichkeitsfeld adaptiert wird, muss während des Sommerbetriebes zuerst die Luft gekühlt werden. Dabei sinkt zudem die Luftfeuchtigkeit, da Wasser auskondensiert. Dann wird mit Hilfe eines Nacherhitzers die Luft wieder erwärmt und befindet sich somit im Behaglichkeitsfeld (s. Mollier-Diagramm, graue Pfeile). * 1 adiabatisch: Die adiabate Zustandsänderung ist ein Begriff aus der Thermodynamik. Adiabat nennt man eine Zustandsänderung eines thermodynamischen Systems, bei der mit der Umgebung keine Wärme ausgetauscht wird. Dies kann erreicht werden, wenn der Behälter, in dem die Verdichtung oder Ausdehnung stattfindet, sehr gut isoliert ist oder die Zustandsänderung sehr schnell verläuft. Es handelt sich dabei in der Realität praktisch immer um zumindest partiell diabatische Prozesse, der Wärmeaustausch kann jedoch in vielen Fällen und insbesondere bei den meisten Gasen vernachlässigt werden. Vorteil einer solchen Vereinfachung ist die gute mathematische Beschreibbarkeit adiabatischer Prozesse. 36

37 Klima_Fibel_Inhalt.qxd :22 Uhr Seite Messen der relativen Feuchte in Räumen Messen der relativen Feuchte in Räumen Hier gelten im wesentlichen dieselben Regeln wie für die Tempera Die relative Feuchte hängt bei konstanter absoluter Feuchte von d Dabei besteht die Gefahr von Schichtungen und starken Feuchteä Nähe von Oberflächen, deren Temperatur stark von der Lufttempe Der Mindestabstand zur Wand ist dann erreicht, wenn sich trotz Ab die Anzeigewerte von Feuchte und Temperatur nicht mehr ändern. Hier gelten im wesentlichen dieselben Regeln wie für die Temperaturmessung. Die relative Feuchte hängt bei konstanter absoluter Feuchte von der Temperatur ab. Dabei besteht die Gefahr von Schichtungen und starken Feuchteänderungen in der Nähe von Oberflächen, deren Temperatur stark von der Lufttemperatur abweicht. Der Mindestabstand zur Wand ist dann erreicht, wenn sich trotz Abstandsänderung die Anzeigewerte von Feuchte und Temperatur nicht mehr ändern. Im Raum werden zwei prinzipielle Arten von Messungen durchgeführt: Aktuelle Kontroll- oder Stichprobenmessung Eine schnelle Kontrollmessung ist in erster Linie dann interessant, wenn man einen starken oder plötzlichen Luftaustausch vorfindet z. B. bei Klimaanlagen mit hohem Luftwechsel, häufigem Öffnen von Fenstern oder Türen, bei starken Feuchtequellen im Raum selbst wie in Küche und Bad,... Achtung: Der Feuchtefühler muss dieselbe Temperatur annehmen wie die zu messende Luft. Bewegen des Fühlers in stehender Luft verkürzt die Angleichzeiten. Direkte Sonneneinstrahlung muss vermieden werden. Bereits wenige Zehntel Grad Temperaturdifferenz verfälschen das Messergebnis. 70 % rf T OF = 15 C T Raum = 25 C 50 % rf Mindestabstand Wand/Messstelle Wand/Meßstelle für repräsentative Raumklimamessungen Bild 12: relative in Räum Im Raum werden zwei prinzipielle Arten von Messungen durchgefü die aktuelle Kontroll- oder Stichprobenmessung: eine schnelle Kontrollmessung ist in erster Linie dann in wenn man einen starken oder plötzlichen Luftaustausch z. B. bei Klimaanlagen mit hohem Luftwechsel, häufigem Fenstern oder Türen, bei starken Feuchtequellen im Ra Küche und Bad,... Achten Sie darauf, daß der Feuchtefühler dieselbe Temperat annimmt, wie die zu messende Luft. Bewegen Sie den Fühle Sie in stehender Luft messen (die Angleichszeiten können da verkürzt werden). Vermeiden Sie direkte Sonneneinstrahlung. Bereits wenige Z Grad Temperaturdifferenz zwischen Fühlerrohr und Umgebu verfälschen bereits das Meßergebnis. Beobachtende Dauermessung Feuchteeffekte in der Nähe von Oberflächen werden am besten mit Datenspeichergeräten über eine längere Zeitdauer untersucht, da sich mehrere Einflüsse überlagern können (Einfluss der Klimaanlage, Wandtemperatur, periodische Schwankungen: 37

38 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Tag und Nacht, Wochenend-Temperaturabsenkung...). Als Ergebnis erhält man vielseitig interpretierbares Datenmaterial, mit dem man auch komplexe Vorgänge nachvollziehen kann. 1.4 Ermittlung von Feuchtekenngrößen theoretische Rechenbeispiele Einfaches Zahlenbeispiel In einem Raum mit 25 C und einer relativen Luftfeuchte von 80 %rf ergibt sich eine Taupunkttemperatur von 21 ºCtd (s. Mollier-Diagramm). Draußen herrscht eine Temperatur von 0 C. Die Brillengläser haben demnach auch eine Temperatur von 0 ºC. Beschlagene Brille Betrachtet man nun die Abhängigkeit der Sättigungsfeuchte von der entsprechenden Temperatur (s. Punkt ), ergibt sich Folgendes: Die Brillengläser haben bei 0 C die Fähigkeit ca. 4,84 g/m 3 Wasser maximal aufzunehmen. Im Raum mit den Bedingungen 25 C/80 %rf herrscht aber eine absolute Feuchte von ca. 18,43 g/m 3 (s. Formel auch unter Punkt ): U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 Einsetzen der bekannten Zahlenwerte: 80 % = tatsächliche absolute Feuchte g [ ] m % g 23,04 m 3 38