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Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes feuchter Gase
Zur Messung
der Zustandsgrößen von feuchten Gasen, im besonderen von feuchter Luft, bedient
man sich des bekannten Psychrometers. Es enthält zwei Thermometer, von denen das
eine mittels eines Mullbausches feucht gehalten wird, während das andere trocken
bleibt. An beiden wird das Gas in parallelem Strom vorbeigeführt, dessen Feuchtigkeitsgehalt
beispielsweise durch Angabe des Sättigungsgrades bestimmt werden soll. Dabei werden
die Temperaturen am trocknen und am feuchten Thermometer abgelesen. Deren sog. psychrometrische
Differenz gestattet, nach der allgemein angewendeten Sprungschen Formel den Dampfteildruck
im Gas und damit den Sättigungsgrad sowie den Feuchtigkeitsgehalt zu berechnen.
Für die Anwendung dieser Formel ist eine in ihr auftretende Konstante vorgegeben.
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Die Anwendung dieses üblichen Psychrometers bedingt jedoch die Einhaltung
einer bestimmten Betriebsweise, und selbst dann ist sie sehr beschränkt. Wegen Wärmeeinstrahlung
auf das feuchte Thermometer und wegen Wärmeleitung muß das Gas mit einer Geschwindigkeit
an letzterem vorbeiströmen, die über 2 m/s liegt. Dabei gelingt es, genügend genau
zu messen, solange die Gastemperatur nieder ist. Die Höchsttemperatur beträgt bei
feuchter Luft etwa 30 ° C. Diesem Nachteil der Anwendungsbeschränkung auf niedrige
Temperaturen suchte man für das Gebiet höherer Temperaturen durch Einführung eines
Gütefaktors in die Sprungsche Formel zu begegnen. Dieser Faktor aber hängt ab von
der Konstruktion des Instruments und von seinem Zustand. Letzterer ändert sich,
indem unter anderem die blanken Metall-
flächen, welche auch das
feuchte Thermometer umgeben, mit der Zeit matt und von der atmosphärischen Luft
angegriffen werden. Von diesem Gütefaktor ist beispielsweise in dem bekannten Buch
von G. Wünsch und H. Rühle, Verlag Springer, Berlin I936, auf S: 300 oben gesagt:
"Für andere Bauarten von Psychrometern gelten etwas andere Zahlen. Auch die Konstante
in der Sprungschen Formel kann eine wesentlich abweichende Größe bekommen". Auch
diese Aussage bestätigt den Tatbestand, daß das bekannte und sehr einfach zu handhabende
Psychrometer nicht gestattet, den Zustand feuchten Gases höherer Temperatur mit
genügender Genauigkeit zu messen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, welche grundsätzlich
auch ein Psychrometer mit einem feuchten und mit einem trocknen Thermometer darstellt,
das aber so beschaffen ist, daß es auch für hohe und über 300 C liegende Temperaturen
den Dampfgehalt des Gases genau zu messen gestattet.
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Die baulichen Maßnahmen dieses Instruments der Erfindung ergeben sich
zwangsläufig aus der theoretischen Erkennfnis, daß das nasse Thermometer die konstant
bleibende Temperatur (theoretische Beharrungstemperatur) der sog. Kühlgrenze annimmt,
solange keine Wärmeeinstrahlung auf dieses und keine Wärmeleitung stattfindet. Diese
Beharrungstemperatur des feuchten Thermometers ist aber auf Grund anderer theoretischer
Erkenntnisse nur von den physikalischen Größen des feuchten Gases abhängig.
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Diese legen das Zahlenverhältnis der Wärmeübergangszahl a zwischen
Gas und feuchtem Thermometer einerseits und Verdunstungszahl a andererseits fest.
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Es hat für das Stoffpaar Luft-Wasser und für turbulente Strömung den
Wert 0,2II5 kcal/kg" C. Für laminare Strömung ist diese Zahl etwas kleiner. Diese
theoretischen Zusammenhänge gestatten, zu den am Psychrometer abgelesenen Temperaturen
am trocknen und am feuchten Thermometer den Sättigungsgrad und den Dampfgehalt (in
kg Feuchtigkeit je kg trocknes Gas) vorauszuberechnen. Die Ergebnisse für das Gemisch
Luft-Wasser sind in Bild I graphisch wiedergegeben. Auf der Abszisse ist die Temperatur
des trocknen Thermometers und auf der Ordinate die Temperatur des feuchten Thermometers
aufgetragen, während Linien gleichen Sättigungsgrades cp und gleichen Dampfgehalts
x eingetragen sind. Beispielsweise liest man gemäß dem gestrichelt gezeichneten
Linienzug für eine Temperatur des trocknen Thermometers von 60" C und für eine Temperatur
des feuchten Thermometers von 36,7" C einen Sättigungsgrad von p = 0,25 und einen
Dampfgehalt von X = 0,03I5 ab.
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Zu einem bestimmten Luftzustand mit den physikalischen Werten t,
(p und x zeigt ein Psychrometer auch bei hohen Gastemperaturen und bei jeder beliebigen
Gasgeschwindigkeit nur dann die theoretische Beharrungstemperatur am feuchten Thermometer
an, wenn gemäß der Erfindung das feuchte Thermometer gegen jeden Wärmezugang geschützt
wird. Dies ist dadurch möglich, daß das feuchte Thermometer allseitig von Wänden
umgeben wird, welche ebenfalls die theoretische Beharrungstemperatur annehmen.
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Ferner ist das feuchte Thermometer über die ganze von Gas bespülte
Schaftlänge vom feuchten Mullbausch bedeckt. Die Wände, welche das feuchte Thermometer
umgeben, sind ebenfalls mit Mullstoff bespannt.
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Man gelangt so beispielsweise zu einem Instrument, wie es Bild 2 zeigt:
Durch das Rohr I strömt die Luft zu, deren Zustand zu messen ist. Sie teilt sich
in zwei Ströme. Der eine gelangt durch den Rohrbogen 2 in das zylindrische Meßrohr
3, und der andere strömt durch den Rohrkrümmer 4 dem Rohr 5 zu. Innerhalb des Rohres
3 befindet sich ein Schutzrohr 6 und in diesem das trockne Thermometer 7. Die Luft,
welche sowohl in dem Ringraum zwischen den Rohren 3 und 6 als auch ins Rohr 6 sich
bewegt, wird durch Rohr 8 abgesaugt.
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In das Rohr 5 ist gut passend das Rohr 9 eingeschoben.
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In diesem ist das Schutzrohr 10 untergebracht, in dessen Mitte das
feuchte Thermometer II angeordnet ist. Die Luft, welche dieses im Rohr 10 umspült
und auch in dem Ringraum zwischen den Rohren g und 10 sich bewegt, verläßt das Instrument
durch Stutzen 12.
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Dieser und Stutzen 8 werden zweckmäßigerweise in ein gemeinsames Abzugsrohr
zusammengeführt. Damit das Thermometer auch von unten gegen Wärmeeinstrahlung geschützt
ist, sind die Schutzwände 13 und I4 vorgesehen. Alle Teile, welche die Beharrungstemperatur
annehmen sollen, sind mit Mullstoff überzogen, welcher durch gestrichelt gezeichnete
Linien gekennzeichnet ist. Er saugt sich mit Feuchtigkeit voll, wenn das Rohr 9,
an dem die Wände 13 und 14 befestigt und mit welchem das Rohr I0 und das feuchte
Thermometer II über den Einsetzklotz 9a zu einem zusammenhängenden Teil verbunden
ist, aus dem Rohr 5 herausgezogen und in destilliertes Wasser getaucht wird. Nach
dem Befeuchten wird das Rohr 9 mit den übrigen Teilen I0, II, I3 und 14 wieder in
das Rohr 5 hineingeschoben. Wird Luft hindurchgeleitet, so stellt sich am feuchten
Thermometer bald die lange Zeit konstant bleibende theoretische Beharrungstemperatur
ein. Bei den durchgeführten Versuchen blieb diese selbst bei sehr großen Luftgeschwindigkeiten
von 8 m!s etwa 10 Minuten vollkommen gleich.
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Erst danach und bei beginnender Austrocknung stieg die am Thermometer
II ablesbare Temperatur an.
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Mit dem geschilderten Instrument wurden zur Nachprüfung seiner Brauchbarkeit
viele Versuche mit dem Gemisch Luft-Wasser von verschiedenem Zustand und mit hohen
Lufttemperaturen, z. B. 1000 C, durchgeführt. Dabei wurden die Temperaturen des
trocknen sowie des feuchten Thermometers abgelesen und zu diesen aus Bild I die
Sättigungsgrade und Dampfgehalte abgegriffen. Sie stimmten immer genau mit den Werten
überein, welche getrennt unter Verwendung einer umfangreichen Einrichtung zuverlässig
ermittelt wurden. Diese Übereinstimmung wurde auch dann erzielt, wenn die Luft am
feuchten Thermometer mit einer Geschwindigkeit von nur einigen Zehntelmetern je
Sekunde vorbeiströmte. Damit ist die Brauchbarkeit und Zuverlässigkeit des neuen
Instruments bewiesen.
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Bei besonders hohen Temperaturen besteht die Gefahr, daß das feuchte
Thermometer so rasch abtrocknet, daß nicht genügend Zeit zur Ablesung zur Verfügung
steht. In diesem Fall wird das Gas, welches
zum feuchten Thermometer
strömt, über dieselbe Flüssigkeit geleitet, deren Dampf im Gas vorhanden ist. Das
Gas kühlt sich dabei wohl ab. Die sog.
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Kühlgrenztemperatur bleibt aber dieselbe. Diese theoretische Erkenntnis
gibt die Möglichkeit, die Beharrungstemperatur bei erniedrigter Gastemperatur zu
bestimmen.