DD284282A5 - Verfahren und vorrichtung zur messung der verdunstung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Verdunstungs-Massestromdichte an der Oberflaeche kondensierter Phasen, die frei oder kapillar gebunden vorliegen. Grundlage fuer eine solche Messung bildet die Anreicherung eines Traegergases mit dem Dampf der verdunstenden Phase, wobei die Zielgroesze ueber die Kontinuitaetsgleichung der Kontinuumsmechanik mit der Zustandsaenderung des Traegermediums verbunden ist. Fig. 3{Verdunstungs-Massestromdichte; Verdunstungsmessung; Transpirationsmessung; Evapo-Transpirationsmessung; Sublimationsmessung; kondensierte Phase; Kapillarfluessigkeit}

Description

Hierzu drei Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft diejenigen Aufgaben der Meßtechnik, welche die Messung der Verdunstung kondensierter Phasen bei Evaporations-, Evapo-Transpirations-, Transpirations- und Sublimationserscheinungen zum Gegenstand haben. Insbesondere erschließt die Erfindung Anwendungsgebiete in der Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Meteorologie, im Bauwesen und in der Verfahrenskontrolle der Holz-, Papier-, Textil- und Lebensmittelindustrie.

Charakteristik der bekannten Lösungen

Bei den bisher bekannten Lösungen werden zur Bestimmung der Verdunstung entweder Eigenschaften der verdunstenden Phase oder, mit dem Verdunstungsprozeß gekoppelte, physikalische Größen untersucht.

Damit sind die bisherigen technischen Verfahren an bestimmte Modellvorstellungen über die Beschaffenheit der verdunstenden Phase, wie etwa Aggregatzustand, chemische Zusammensetzung oder physikalischer und chemischer Bindungszustand, und des ablaufenden Verdunstungsmechanismus zur Quantifizierung der Transportgrößen gebunden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die in-situ-Messung der Verdunstungs-Massestromdichte über kondensierten freien oder gebundenen Phasen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, unabhängig von der P'.schaffenheit der verdunstenden Phase und außerhalb derselben durch Messung einer direkt den Verdunstungsmechanismus kennzeichnenden physikalischen Größe, den Verdunstungsprozeß quantitativ zu erfassen.

Treten an der Oberfläche kondensierter Phasen Verdunstungserscheinungen auf, so resultiert daraus ein Dampfstrom in die Umgebung des Meßobjektes.

Erfindungsgemäß wird eine gasförmige Trägerphase verwendet, welche die Oberfläche der verdunstenden Phase überströmt, diesen Dampfstrom aufnimmt und dabei definiert ihren thermodynamischen Zustand ändert.

Durch verfolgen der Zustandsänderung des Trägermediums unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung der Kontinuumsmechanik für die Verdunstungs-Massestromdichten läßt sich eine Vorschrift für die Bestimmung der Verdunstung ableiten:

a) - nachdem integrierenden Verfahren

In das definiert konstante Volumen V_m des Trägergases ist über die Vei unstungsfläche A_v die Verdunstungs-Massestromdichte jy gerichtet (Bild 1)

Es gilt die Kontinuitätsgleichung in der Form:

Ao Av

-JjTpM

Werden zu den Zeiten t' und t' + At die Zustandsvariablen T und φ des Trägermediums gemessen, so ergibt sich daraus unter Berücksichtigung von

bzw. durch Verwendung der Zustandsgieichung idealer Gase und mit t' = 0, At = t_m

Durch eine, dementsprechende Meßanordnung läßt sich also aus der Temperatur T und der relativen Dampfsättigung φ des Trägermediums zu den Zeiten t = 0 und t = t_m unter Verwendung der spezifizierten Kontinuitätsgleichung der Kontinuumsmechanik die Verdunstungs-Massestromdichte bestimmen, b) - nach dem differentiellen Verfahren

In der Meßzeit t_m überströmt ein definiertes Volumen des Trägermediums V_n, = v< Ir) Ak (r) tm die Verdunstungsfläche A_v und nimmt dabei den Dampfstrom j_v auf (Bild 2).

Die Kontinuitätsgleichung (1) nimmt für diesen Fall unter der Bedingung pd = pd (r) die Form

Ae Av A*

β'j*

dT - 0 W

Daraus folgt mit j = j(t) und j,,, = v< p„,, sowie der Zustandsgieichung idealer Gase

1'-^P-⁰T -*- *^1

Te bzw. mit Ac = A, = Ak

Vl·- Γ Λ. ir I to ίο - /*T- ) <fi- 1

Aus der Messung der Zustandsvariablen des Trägermediums (Temperatur T und relative Dampfsättigung φ) vor und nach der Verdunstungsfläche in Richtung der konvektiven Trägerströmung ist die Verdunstungs-Massestromdichte bestimmt.

Die Vorrichtung zur Messung der Verdunstungs-Massestromdichte nutzt die oben beschriebenen Meßverfahren (einzel oder kombiniert). Sie besteht aus folgenden Funktionseinheiten:

- Vorbereitungseinheit

- Meßeinheit

- Auswerteeinheit.

Die Vorbereitungseinheit enthält das Trägergasreservoir mit den notwendigen Baugruppen zur Dosierung und Temperierung der Trägerphase.

Die Meßeinheit besteht aus der Eingangs- und der Ausgangsmischkammer, sowie dem Strömungskanal mit der Meßfläche. Die Auswerteeinheit beinhaltet alle notwendigen elektronischen Steuer- und Meßbaugruppen einschließlich eines Meßcomputers.

In der Vorbereitungseinheit erfolgt die Bereitstellung eines bestimmten Volumens des Trägermediums mit definierten thermodynamischen Eigenschaften. Dabei kann das Trägergas als Vorrat in der Meßvorrichtung ständig mitgeführt werden oder aber auch in besonderen A lwendun^sfällen aus der Umgebung stammen. Beim Auslösen der Messung strömt das Meßvolumen aus der Vorbereitungseinheit in die Meßeinheit, wo der Kontakt zwischen Trägergas und Verdunstungsdampfstrom hergestellt wird.

Die Zustandsänderung des Trägermediums wird dabei unter Anwendung des integrierenden Verfahrens zu den Zeiten t und t + t_m in der Eingangsmischkammer gemessen, wobei das konstante Trägergasvolumen in der Zeit t_m im Strömungskanal zirkuliert.

Durch Veränderung des Strömungsweges kann nach den differentiellen Verfahren gemessen werden. Dazu wird nach dem Aufbereiten des Meßvolumens in der Vorberei 'ngseinheit und dem Auslösen der Messung das Trägermedium einmalig durch die Meßeinheit über die Ver'Junstungsfläche und dann in die Umgebung geführt. Nach Stabilisierung des Strömungszustandes wird in der Eingangs- und Ausgangsmischkammer der Trägergaszustand gemessen. Die Auswerteeinheit übernimmt die Steuerung des Meßregimes und nach Auslösen der Messung alle anfallenden Meßdaten. Entsprechend Gleichung (3) bzw. (6) wird anschließend vom Meßcomputer der für die Meßbedingungen gefundene Wert der Verdunstungs-Massestromdichte ermittelt.

Bild 1 bzw. Bild 2 veranschaulichen das Meßprinzip zur Bestimmung der Verdunstungs-Massestromdichte nach dem integrierenden bzw. differentiellen Verfahren.

Bild 3 stellt eine Vorrichtung dar, bei der durch Umlenkung der Strömungswege sowohl nach der integrierenden, als auch nach der differentiellen Variante gemessen werden kann. Die Vorbereitungseinheit VE enthält das Trägergasreservoir mit dem Ladeventil V1 und dem Dosierventil V2. Des weiteren ist zur Temperierung des Trägermediums eine Heizung H vorgesehen. In der Meßeinheit ME sind die Mischkammern MK1 und MK 2 mit den Temperatur- und Dampfsensoren zur Messung des Trägergaszustandes, der Strömungskanal SK mit der Kontaktfläche Ay und der über die Ventile V3 und V5 realisierten Rückführung untergebracht. Des weiteren befinden sich am Eingang von MK 2 ein zweites Dosierventil V4 und am Ausgang der Meßeinheit das Ausströmventil V6. Die Auswerteeinheit AE besteht aus den Baugruppen zur Ventilsteuerung, Trägergastemperierung, sowie aus den Temperatur- und Dampfkonzentrationsmeßschaltungen und dem Meßcomputer. Beim Starten des Meßvorganges wird das zuvor über V1 geladene oder in VE ständig sich befindende Trägergasvolumen nach entsprechender Temperierung über das steuerbare Dosierventil V2 in die Mischkammer MK 1 geleitet. Bei integrierender Messung wird hier der Anfangs-, bei differentieller Messung der Eingangszustand festgestellt. Anschließend passiert das Trägergas den Strömungskanal SK, reichert sich über Ay mit dem Dampfstrom der verdunstenden Phase an, gelangt über V4 in die Mischkammer MK 2 und danach beim integrierenden Verfahren über V5 in die Rückführung (V6 geschlossen) bzw. beim differentiation Verfahren über V6 in die Umgebung (V5 geschlossen). Der rückgeführte Trägergasstrom wird beim integrierenden Meßverfahren über das nur bei dieser Variante geöffnete Ventil V3 wieder in die Mischkammer MK 1 eingespeist. V2 wird jetzt geschlossen, und über A, bildet sich während der Meßzeit eine Zirkulation aus. Nach Ablauf der Meßzeit wird von den Sensoren in MK 1 der Endzustand bestimmt. Die Sensoren in MK 2 sind in der gesamten Zeit deaktiviert. Beim differentiellen Verfahren wird vor dem Ausströmen des Trägergases in die Umgebung von den Sensoren in MK 2 der Ausgangszustand festgestellt. Alle Meßdaten werden zur weiteren Verarbeitung an die Auswerteeinheit AE übergeben.

Bild 4 zeigt eine Meßvorrichtung für den operativen Einsatz im 3auwesen. Der Verdunstungsmesser dient zur Bestimmung der Verdunstungs-Massestromdichte des in porösen Baustoffen gebundenen Kapillarwassers und ist für die Messung am Realbauwerk vorgesehen. Als Trägermedium wird Umgebungsluft verwendet. Die Vorrichtung arbeitet nach dem differentiellen Verfahren. Das Meßgerät wird mit der Meßfläche Ay auf die Oberfläche des Baustoffes aufgesetzt. Naun dem Einschalten erfolgt die Auswahl der Betriebsarten:

- Automatik/konstant

- Automatik/variabel

- manuell.

In der Betriebsart „Automatik" übernimmt der Meßcomputer die Steuerung des Meßvorganges. Während der Vorbereitungsphase regelt der Prozessor eine durch einen Elektromotor M getriebene Luftschraube LS zur Erzeugung der Zwangskonvöktion auf die niedrigste Drehzahl. Die daraus resultierende Strömungsgeschwindigkeit v_k im Querschnitt Ak des Strömungskanals entnimmt der Rechner aus einer gespeicherten Kalibrierfunktion für Motorleistung und Konvektionsgeschwindigkeit. Der über die Eingangsdüse E angesaugte Luftstrom wird im Ansaugkanal aufgeteilt. Erst vor der Luftschraube werden beide Teilströme wieder vereinigt, so daß eine Störung des weiteren Strömungsverlaufs durch andere Luftbewegungen ausgeschlossen ist. Anschließend passiert der Luftstrom ein Heizgitter, stabilisiert sich und wird über eine

scharfe Kante turbulent in die Mischkammer MK 1 geführt. Hier messen ein Gasfeuchte- und ein Temperatursensor die

Eingangsgrößen bevor der Luftstrom die Verdunstungsfläche überstreicht. Entlang der Meßflärhe verringert sich der Kanalquerschnitt, und die Strömungsgeschwindigkeit steigt. Damit kann teilweise eine Meßwertverfälschung durch die Feuchteanreicherung des Luftstromes kompensiert werden. Eine scharfe Kante am Ende der Meßf lache lenkt den Luftstrom zur Ausgangswertbestimmung in die Mischkammer MK 2 und danach über die Ausströmdüse A ins Freie. Nach einer wählbaren Stabilisierungszeit für den Meßzustand wird die Messung ausgelöst. Der anschließend entsprechend Gleichung (6) berechnete Wert der Verdunstungs-Massestromdichte wird durch Vergleich mit der Meßwertauflösung auf seine Verwertbarkeit geprüft. Bei positivem Vergleichsergebnis wird jetzt das eigentliche Meßprogrammm gestartet, d. h. es wird eine Meßreihe aufgenommen unter gleichbleibenden Meßbedingungen (Betriebsart konstant) bzw. unter frei wählbaren,

veränderlichen Bedingungen (Betriebsart variabel). Das Meßergebnis wird sofort oder nach einer statistischen Aufbereitung der

Daten angezeigt und in einem Speicher abgnegt. Bei negativem Vergleichsergebnis wird vor dem Meßprogramm der Luftzustand so verändert, daß sich die auch davon abhängige Verdunstung des Kapillarwassers erhöht (zuerst durch Steiget ung

der Konvektionsgeschwindigkeit, anschließend durch Erhöhung der Lufttemperatur). Der Meßcomputer gestattet dabei die

Umrechnung des Meßergebnisses auf den Anfangsluftzustand. In der Betriebsart „manuell" werden Konvektionsgeschwindigkeit und Lufttemperatur, sowie der Ablauf des Meßprogramms

vom Bediener gewählt.

Um Kondensationserscheinungen auszuschließen, werden alle Kanalummantelungen wärmeisolierend ausgeführt. Die Abdichtung der Meßfläche gegen die Umgebung erfolgt mit einem Weichgummisaum. Alle elektronischen Funktionsgruppen sind oberhalb des Strömungskanals untergebracht und werden über das Stauertableau

auf der Geräteoberseite bedient.

Das Blockschaltbild der Steuer- und Auswerteschaltungen ist in Bild 5 dargestellt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Messung der Verdunstung mittels Messung thermodynamischer Zustandsgrößen gekennzeichnet dadurch, daß die physikalische Größe - Verdunstungs-Massestromdichte - über die Zustandsänderung eines gasförmigen Trägermediums unter Ausnutzung der Kontinuitätsgleichung aus der Kontinuumsmechanik bestimmt wird, wobei das Trägermedium die vom Dampfstrom der verdunstenden Phase durchsetzte Meßfläche tangential überstreicht. Dabei wird die Zustandsänderung des Trägermediums entweder gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten oder zu zwei verschiedenen Zeiten an einem Ort der Meßfläche gemessen.

2. Vorrichtung zur Messung der Verdunstung gekennzeichnet dadurch, daß eine Vorbereitungseinheit zur definierten Änderung des thermodynamischen Zustandes eines gasförmigen Trägermediums und zur Ausbildung eines definierten Strömungszustandes desselben und anschließend eine Meßeinheit, bestehend aus dem Strömungskanal zur Aufnahme des Dampfstromes der verdunstenden Phase und aus jeweils einer dem Strömungskanal vor- und nachgeordneten Mischkammer zur Messung der Zustandsänderung des Trägermediums, sowie eine Auswerteeinheit angeordnet sind.