دینامیک گازها و آئروسل ها
مبحث : قوانین گازها و بخارات
بسمه تعالی
سرفصل درس
مقدمه، قوانین گازها، فیزیک گازها، ویژگیهای گاز شامل تئوری سینتیک گازها، سرعت مولکولی، میانگین فاصله آزاد مولکولی، عدد رینولدز، اندازه گیری سرعت، دبی، فشار و…
مقدمه، مشخصات آئروسولها (توزیع سایز، بحث آماری ذرات، شکل و …)
اثرات محیطی آئروسولهای اتمسفری (اثرات جوی، اثرات شیمیائی، اثرات بهداشتی)
فیزیک آئروسولها:
– دینامیک ذرات (قانون استوکس، حرکت براونین، نشست، اثر نیروهای خارجی)
– ترمودینامیک آئروسول ها (اصول پایه، تعادل، اثرات کلوین و …)
– تشکیل هسته ذرات: از خوشه های مولکولی به نانوذرات
– تراکم/تبخیر (انتشار، انتقال جرم و …)
– دینامیک جمعیت آئروسول ها (کوآگولاسیون)
– مدل سازی آئروسول ها (مدل box، مدل 3-D و …)
رفتار آئروسول ها در هوا (رژیم های جریان، حرکت ذرات در مسیرهای مختلف (Straight،Curvilinear)، فاصله توقف، برخورد اینرسیال و …)
منابع درس:
1- Particle Technology, Hans Rumpf
2- Aerosol Technology, William.Hinds
3
هدف: آشنائی با مبانی تئوریک فیزیک و دینامیک آلاینده های هوا (گازها و آئروسولها) بمنظور درک رفتار آلاینده ها در هوا، درک مبانی صحیح نمونه برداری از آلاینده های هوا و کنترل آنها
کمیت ها
کمیت عبارت است از هر مشخصه قابل اندازه گیری، قابل مقایسه و قابل تغییر از یک جسم
انواع کمیت
۱ – کمیت های اصلی یا مستقل: کمیت هایی است که با ابزارهای مخصوصی قابل اندازه گیری هستند، مانند: طول، جرم، زمان، دما، شدت جریان الکتریکی و مقدار ماده
۲ – کمیت های فرعی یا وابسته: کمیت هایی است که ابزار به خصوصی برای اندازه گیری آنها وجود ندارد تا بتوان به طور مستقل عمل کرد. این کمیت ها با استفاده از روابط فیزیکی و کمیت های اصلی محاسبه می شوند، مانند سرعت، شتاب، فشار
هر کمیت می تواند با واحدهای مختلف اندازه گیری یا محاسبه شود، اما برای محاسبه مقدار یک کمیت برحسب واحد دلخواه از یک رابطه فیزیکی، نیاز به هماهنگی واحد پارامترهای مختلف موجود در آن رابطه است. یک مثال ساده، این مطلب را روشن می کند:
یکی از واحدهای نیرو نیوتن است، رابطه فیزیکی محاسبه نیرو به صورت زیر است:
F=ma
این رابطه دارای دو پارامتر جرم و شتاب است و فقط در صورتی که جرم برحسب کیلوگرم و شتاب برحسب متر بر مجذور ثانیه باشد، واحد نیرو نیوتن به دست می آید.
براین اساس، واحدهای اندازه گیری کمیت های مختلف در مجموعه هایی به نام سیستم واحد های اندازه گیری به صورت هماهنگ با هم تعریف می شوند.
انواع رایج سیستم واحدهای اندازه گیری
جهت نام گذاری این سیستم ها، از اولِ نام واحدهای سه کمیت اصلی طول ، جرم و زمان، به ترتیب از چپ به راست، استفاده شده است.
12
کلیات
تعریف مکانیک سیالات: شاخه ای از مکانیک که درباره خواص تعادل و حرکت اجسام سیال بحث می کند.
سیال: اجسامی که می توانند جاری شوند و تحت تاثیر نیروهای کوچک برشی جریان یابند.
تفاوت سیالات و جامدات: اجسام جامد بدلیل فاصله کم مولکولی و نیروی قوی جاذبه مولکولی، اجسامی سفت می باشند اما در سیالات فاصله مولکولی بیشتر و لذا نیروی جاذبه بین مولکولی آنها کمتر است و همین وضعیت باعث سهولت تغییر شکل آنها می شود. در مورد گازها این فاصله مولکولی به قدری زیاد است که می توان از نیروی جاذبه بین مولکولی صرفنظر کرد (مولکولها آزاد می باشند).
13
کلیات
تفاوت عمده دیگر جامدات و سیالات، در نحوه تحمل تنشهای وارده است. جامدات تحت تنشهای مختلف متحمل تغییر شکلهای متفاوتی می شوند. آنها در برابر تنش برشی نیز مقاوم هستند اما در سیالات فقط امکان تنش فشاری میسر است و این اجسام مقاومت کششی ندارند و لذا تحت تاثیر کوچکترین تنش برشی، جریان پیدا می کنند.
اجسام خمیری و مایعات لزج از نظر خواص درحد فاصل سیالات و جامدات قرار دارند.
سیالات عمدتاً به دو دسته مایعات و گازها طبقه بندی می شوند
14
تراکم پذیری سیالات
در مکانیک سیالات با دو نوع سیال تراکم پذیر (گازها) و تراکم ناپذیر (مایعات) سروکار داریم. سیال تراکم ناپذیر سیالی است که طی فرآیندهای مختلف حجم و در نتیجه وزن یا جرم مخصوص آن ثابت می ماند که در عمل چنین سیالی وجود ندارد ولی از آنجا که در مایعات تغییرات حجم آنها در مقایسه با گازها ناچیز است در عمل آنها را تراکم ناپذیر تلقی می کنند.
از سوی دیگر در برخی حالات نیز می توان گازها را به عنوان سیال تراکم ناپذیر تلقی نمود مثلاً در عملیات تهویه صنعتی از آنجا که تغییرات فشار در قسمتهای مختلف مسیر هوا ناچیز است می توان آنرا سیال تراکم ناپذیر تلقی نمود. معمولاً در سرعتهای کمتر از m/s 10 سیال گازی، در نظر گرفتن آنها به عنوان سیال تراکم ناپذیر خطای چندانی ایجاد نمی کند.
15
درجه حرارت بحرانی : Critical Temperature
برای هر گاز درجه حرارتی وجود دارد که در بالاتر از آن هرچه قدر هم که فشار را زیاد کنیم مایع شدن آن گاز غیر ممکن است و مایع نمی شود، زیرا حرکات مولکولها یا اتمها بقدری زیاد است که میلیونها تن فشار نیز قادر به مایع کردن گاز نخواهد بود. به این درجه حرارت دمای بحرانی گویند.
بالاتر از دمای بحرانی فقط یک فاز می تواند وجود داشته باشد.
فشار بحرانی : Critical pressure
فشار بحرانی: کمترین فشار لازم برای مایع کردن یک گاز در دمای بحرانی آن گاز را فشار بحرانی گویند. (بعبارتی فشار معادل درجه حرارت بحرانی)
دما و فشار بحرانی
16
بنابراین بر اساس درجه حرارت بحرانی
گاز ماده ای است که در دمای معمولی محیط در بالای درجه حرارت بحرانی خود قراردارد.
و
بخار ماده ای است که در دمای معمولی محیط پائین تر از درجه حرارت بحرانی خود قراردارد.
می توان نتیجه گرفت که :
برای تبدیل بخار به مایع باید فشار آن را زیاد کرد
برای تبدیل گاز به مایع باید بطور همزمان فشار را افزایش و دما را کاهش داد تا اینکه دما به زیر دمای بحرانی برسد.
17
گازها و بخارات
تعریف گاز و بخار بر اساس شرایط دمایی و فشار
گاز به ماده ای گفته می شود که در دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر حالت گازی داشته باشد.
بخار حالت گازی موادی است که در درجه حرارت و فشار فوق حالت مایع یا جامد دارند.
18
19
قوانین گازها
20
قانون بویل ماریوتboyle Law
در سال 1662 توسط رابرت بویل ارتباط بین حجم و فشار گاز بررسی شد و بیان کرد که
”در دمای ثابت، حجم گاز با فشاری که بر آن وارد می شود نسبت عکس دارد“. V α 1/P
با استفاده از ثابت k می توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد
V = K / P V.P = k
مقدار این ثابت به اندازه نمونه و دما بستگی دارد
بنابراین اگر در فشار p1 حجم گاز v1 باشد و در فشار p2 حجم گاز v2 باشد داریم
P1V1 = P2V2
21
قانون شارلCharles Law
در فشار ثابت، حجم یک نمونه گاز با دمای کلوین (مطلق) نسبت مستقیم دارد
و با دو برابر کردن دمای مطلق/کلوین (273+t) مقدار حجم گاز دو برابر می شود
V α T
V = KT K = V/ T
مقدار عددی ثابت تناسب به فشار و اندازه نمونه بستگی دارد.
V1/ T1=V2/ T2
قانون گیلوساک/آمونتون Gay-Lussacs/Amontons Law
فشار یک گاز در حجم ثابت، با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد.
P α T
P = KT K = P/ T
مقدار عددی ثابت تناسب به حجم و مقدار گاز بستگی دارد.
P1/ T1=P2/ T2
23
قانون دالتون
فشار کلی یک گاز مرکب برابر مجموع فشارهای جزئی گازهای تشکیل دهنده آن است.
PT = P1+ P2 +P3+…+ Pn
با کاهش فشار کل گاز، فشار اجزاء آن نیز کاهش می یابد.
هوا یک گاز مرکب است. فشار هوا در سطح دریا 760 میلی متر جیوه است که 159 میلی متر جیوه مربوط به فشار جزئی اکسیژن می شود.
قانون گازهای ایده آل یا کامل
در صورتی که حجم دو گاز متفاوت را در دما و فشار ثابتی اندازه گیری کنیم، حجم یک مول از یک گاز معین با حجم یک مول از هر گاز دیگری یکسان است.
V α n
V = Kn
از تلفیق رابطه فوق با قانون بویل و شارل معادله کلی بدست می آید که بیانگر رابطه حجم، دما، فشار و تعداد مولها می باشد.
حجم با فشار رابطه معکوس و با دمای مطلق و تعداد مولها رابطه مستقیم دارد.
V α n V α T V α 1/P
بنابر این
V α(1/P )(n)(T)
با استفاده از یک ثابت می توان آنرا به یک تساوی تبدیل کرد
V =R(1/P )(n)(T)=>PV = nRT
25
قانون گازهای ایده آل
گازی که تغییرات حجم و فشارش با دمای مطلق تابع قانون عمومی گازها باشد گازکامل نامیده می شود.
PV = nR T
(R= 0.08206 Lit atm /oK mol)
26
گاز کامل :گازی که از معادله فوق پیروی نماید
هرگاه فشار، حجم و دمای مطلق گازی در شرایطی به ترتیب برابر با T1,V1,P1 و در شرایط دیگر T2,V2,P2 باشد رابطه زیر بین این دو شرایط برقرار است.
V α T / P V = k T /P
PV = kT k = PV / T
P1V1 /T1 = P2V2 / T2
27
مثال
حجم یک مولکول گرم گاز را در شرایط استاندارد بهداشت حرفه ای محاسبه کنید.
PV = nRT
1 × V = 1 × 0.08206 × 298
V = 24.45 lit
در دمای صفر درجه سانتیگراد و فشار 760 میلیمتر جیوه
V = 22.4 Lit
در دمای 20 درجه سانتیگراد و فشار 760 میلیمتر جیوه
(شرایط متعارفی کشورهای اروپایی)
V = 24.04 Lit
28
غلظت گاز ها و فرمولهای تبدیل آنها
سیستم های مختلفی برای بیان غلظت مواد در هوا وجود دارد.
معمولترین واژه های موجود برای غلظت گازها در بهداشت حرفه ای عبارتند از :
ppm (part per million)
ppb (part per billion)
mg/m3
1% = 10000 ppm
29
فرمول تبدیل mg/m3 به ppm
در شرایط بهداشت حرفه ای
30
میانگین تراکم فرمالدئید در یک کارخانه برابر با 1.4 mg/m3 است تراکم گاز برحسب ppm چقدر است.
M(CHOH)=30
میانگین تراکم فرمالدئید در یک کارخانه در دمای 20 درجه سانتی گراد و فشار 660 میلیمتر جیوه mg/m3 2 است. تراکم گاز برحسب ppm در شرایط استاندارد چقدر است؟
میانگین تراکم فرمالدئید در یک کارخانه در دمای 18 درجه سانتی گراد و فشار 730 میلیمتر جیوهppm 50 است. تراکم گاز برحسب mg/m3 در شرایط استاندارد چقدر است؟
31
تصحیح حجم هوا
دلایل انجام تصحیح حجم هوا
حجم گاز وابسته به تغییرات فشار و دما می باشد و در محیط های کار مختلف دما و فشار متفاوت می باشد.
مقادیر استاندارد (TLV) بر اساس شرایط استاندارد بهداشت حرفه ای تدوین شده اند.
k
mmHg
lit
32
مثال
یک نمونه هوا به حجم 2 لیتر و در دمای 20 درجه سانتی گراد و فشار 660 میلیمتر جیوه جمع آوری شده است حجم هوای تصحیح شده چند لیتر است .
یک نمونه هوا به حجم 15 لیتر در شرایط نمونه برداری با دمای 21 درجه سانتی گراد و فشار 730میلیمتر جیوه از هوای محیط کار جمع آوری شده است چنانچه فشار جزئی بخار آب برابر با 20میلیمتر جیوه باشد حجم هوای تصحیح شده چند لیتر است.
33
علایم هشدار دهنده گازها
دو خصوصیت فیزیکی رنگ و بو و توانایی ایجاد تحریک مخاط از علایم هشدار دهنده برخی از گازها محسوب می شوند.
از طریق این علایم می توان سطوح بعضی از آلاینده ها را تخمین زده و محل های نمونه برداری را مشخص کرد.
بو مهم ترین خصوصیت هشداردهنده گازها محسوب می شود.
در محیط هایی که گازهای محرک وجود دارد افراد بدلیل عدم تحمل محیط را ترک می کنند.
بعضی از گازها بی بو هستند (CO2) یا قبل از اینکه به مقادیر خطرناک برسند قابل تشخیص نمی باشند.(COCL2)
34
به 3 مثال زیر توجه فرمائید
گاز کلرید هیدروژن– گاز کلر – گاز فسژن
کلرید هیدروژن : اسید قوی و محرک چشم ودستگاه تنفسی. خصوصیت هشدار دهنده خوبی دارد (فرد قادر به تحمل بو نمی باشد)
کلر : اثر تحریک کنندگی کمی دارد و فرد قادر به تحمل آن می باشد.
فسژن : از دو گاز فوق خطرناکتر است.
فشژن بوی زننده قوی ندارد
استنشاق مقادیر خطرناک (بدون درک آن) آسیب ریه ها
35
در مورد بوی گازها دو حد آستانه وجود دارد
1)Odor Detection Threshold: آستانه آشکارسازی بو
تراکمی از یک گاز که حس بویایی را تحریک می نماید. در این تراکم ممکن است مغز نتواند بوی خاصی را تشخیص دهد .بوی گاز H2S: شکلات
2) Odor Recognition Threshold :آستانه تشخیص بو
تراکمی که بوی گاز تشخیص داده می شود و بالاتر از آستانه آشکارسازی است. H2S در این آستانه بوی تخم مرغ گندیده می دهد.
گازهای خطرناک : حد مجاز تماس شان پائین تر از آستانه تشخیص است
36
رنگ و بوی برخی از گازها در جدول زیر آورده شده است
37
چند خصوصیت مهم مواد شیمیایی
1- فشار بخار (Vapor Pressure)
فشاری که از طرف بخار در حال تعادل به مایع، اعمال می شود.
فشار بخار توانایی یک ماده را در هوابرد شدن (وارد شدن به هوا) بیان می کند.
فشار بخار وابسته به ماهیت ماده و دما می باشد.
مایعات مختلف در هر دمایی، فشار بخار متفاوتی دارند.
فشار بخار هر مایعی با افزایش دما، زیادتر می شود.
فشار هر بخار در حالت تعادل با مایع خود
در دمای معین را فشار بخار تعادل آن مایع می نامیم.
38
هر چقدر فشار بخار یک ماده به فشار جو نزدیکتر باشد میزان هوابرد شدن آن افزایش می یابد.
فرض کنید در یک محیط کار فشار جوmmHg 760 و دما 0C 25 است
A substance (VP =76mmHg)
76/760= 0.1 or %10
B substance (VP =152mmHg)
152/760= 0.2 or %20
C substance (VP =760mmHg)
760/760= 1 or %100
39
مقایسه فشار بخار چند ماده
در شرایط مساوی تولوئن حدودا 3 برابر گزیلن بخار می شود.
توجه:درمقایسه فشار بخار چند ماده باید دماها مساوی و واحدهای دما و فشار همسان باشند.
40
ارزیابی سمیت از روی فشار بخار
41
فشار بخار آب در دما های مختلف بر حسب کیلو پاسکال
42
ارتباط فشار بخار با دمای جوش
نقطه جوش دمایی که در آن دما فشار بخار یک مایع با فشار جو برابر شده باشد، در این دما بخار تولید شده در داخل مایع سبب تشکیل حباب و غلیان خاص جوشش می کند.
مثلا فشار بخار آب در دمای C°100مساوی با 1 اتمسفر (760 میلیمتر جیوه) است.
101.32Kp = 101320Pa = 760 mmHg
43
2- چگالی بخار Vapor Density
وزن یک گاز یا بخار در مقایسه با وزن هوای هم حجم آن
چگالی بخار را برای هوا 1 در نظر می گیرند. گازها و بخاراتی که سنگین تر از هوا هستند چگالی بخارشان بیشتر از 1 است .
چند خصوصیت مهم مواد شیمیایی
44
در علوم پایه چگالی را مقدار جرم موجود در واحد حجم ماده می دانند و آن را با علامت اختصاری ρ نشان می دهند که از رابطه ρ=m/V به دست می آید. در صورتی که در علوم پیشرفته، این تعریف از چگالی صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم، جرم مخصوص یا همان دانسیته می باشد
چگالی مقدار جرم موجود در واحد حجم است، ولی وزن مخصوص به معنی وزن واحد حجم ماده است.
45
3- قابلیت حل شدنSolubility
قابلیت حل شدن عامل اصلی در بررسی نفوذپذیری یک آلاینده به سیستم تنفسی در هنگام استنشاق آن می باشد.
گازهایی با قابلیت حل شدگی زیاد در آب : درراههای هوایی فوقانی و بینی حل می شوند.(گاز HCL)
گازهایی با قابلیت حل شدگی کم در آب : به راههای هوایی کوچک و حبابچه های ریوی نفوذ می کنند.(گازNO2)
در استانداردهای شغلی گردوغبارها (Dust) نیز به دو گروه زیر تقسیم می شوند:
1- گردوغبارهای غیر قابل حل در آب: مانندسیلیس،اکسیدهای فلزی
2- گردوغبارهای قابل حل در آب: سنگ آهک، آرد و …
چند خصوصیت مهم مواد شیمیایی
امتحان کلاسی
نمونه برداری برای ترکیب تولوئن بعنوان یکی از ترکیبات آلی فرار در شرایط آزمایشگاهی انجام گرفت و غلطت 15mg/m3 بدست آمد. این مقدار برابر با چند ppm می باشد.
درصورتی که کالیبراسیون پمپ نمونه برداری در شرایط استاندارد دمای 25C و در سطح دریا انجام شود و نمونه برداری در دمای 15C و در ارتفاع و در فشار 95600Pa و در فشار جزئی بخار آب 1500Paانجام شود چه حجم هوایی باید نمونه برداری شود تا حجم استاندارد برابر با 30 لیتر باشد.
شاخص خطر زا بودن دو ترکیب بنزن با فشار بخار 22128Pa و TLV برابر با 5ppm و تولوئن با فشار بخار 2933Pa و TLV برابر با 15ppm را محاسبه و مشخص نمایید مواجهه با کدامیک خطرناکتر است.
تعریف گاز و بخار را از دیدگاه فشار و دمای بحرانی بنویسید.
46
47
فیزیک گازها -کمیات فیزیکی
جرم مخصوص (دانسیته): جرم واحد حجم گاز را گویند و دارای واحدهائی همچون Kg/m3، lb/ft3، gr/cm3 می باشد.
وزن مخصوص (Specific Weight): وزن واحد حجم گاز می باشد. واحد آن مشابه واحدهای جرم مخصوص به علاوه واحد نیرو می باشد. مثل Kg.f/m3، lb.f/ft3، gr.f/cm3
مقدار وزن مخصوص و دانسیته گازها یک مقدار ثابت نبوده و عمدتاً تابع شرایط دمائی و فشار می باشند. با افزایش دما و بدلیل افزایش نیروی جنبشی مولکولهای گاز و تحرک بیشتر آنها، فاصله مولکولها از هم بیشتر شده و لذا در دماهای بالاتر دانسیته و وزن مخصوص گازها کاهش می یابد. با داشتن دما و فشار محیط می توان ضریب دانسیته (df) را با استفاده از روابط یا جداول مخصوص تعیین نمود.
48
جدول تعیین ضریب دانسیته هوا بر اساس دما و فشار (ارتفاع از سطح دریا)
49
فیزیک گازها
دانسیته نسبی (Relative Density): از واژگان معادلی چون جرم مخصوص نسبی یا وزن مخصوص نسبی نیز برای آن استفاده می شود. تعریف آن نسبت جرم یا وزن حجم معینی از یک گاز به جرم یا وزن همان حجم از یک گاز مرجع می باشد. در مورد گازها، هوا در شرایط استاندارد و در مورد مایعات آب در دمای ºC 4، مواد مرجع می باشند. دانسیته نسبی فاقد واحد می باشد.
50
گرانروی (Viscosity)
گرانروی ،لزجت یا ویسکوزیته(Viscosity): عبارت است از مقاومت یک سیال در برابر اعمال تنش برشی.
در یک سیال جاری (در حال حرکت)، که لایه های مختلف آن نسبت به یکدیگر جابجا می شوند، به مقدار مقاومت لایه های سیال در برابر لغزش روی هم گرانروی سیال می گویند.
هرچه گرانروی مایعی بیشتر باشد، برای ایجاد تغییر شکل یکسان، به تنش برشی بیشتری نیاز است. به عنوان مثال گرانروی عسل از گرانروی شیر بسیار بیشتر است.
با افزایش دما لزجت سیالات مایع کاهش می یابدولی در گازها، قضیه برعکس است، البته درصد تغییرات آن برای سیالات مختلف متفاوت است.
52
گرانروی (Viscosity)
در گازها بدلیل فاصله زیاد مولکولها از همدیگر بخصوص در گازهای کامل، عملاً مولکولهای گاز مستقل از هم بوده و لذا جاذبه مولکولی نقشی در گرانروی گاز ندارد بلکه عامل موثر، برخورد مولکولها مختلف گاز با همدیگر است و بنابراین با افزایش دما این برخوردها بدلیل افزایش جنبش و سرعت مولکولها بیشتر شده و مقاومت در برابر حرکت یا همان گرانروی گاز افزایش می یابد.
در مایعات قضیه عکس وضعیت گازها می باشد. در مایعات عامل اثرگذار بر گرانروی آنها فاصله مولکولی کم و جاذبه مولکولی بالای آنها است و لذا با افزایش دما و با افزایش جنبش مولکولی، فاصله آنها از همدیگر افزایش یافته، جاذبه مولکولی کم و در نهایت گرانروی مایع کاهش می یابد.
گرانروی به دو شکل دینامیک (مطلق) و سینماتیک بیان می شود
گرانروی یا ویسکوزیته دینامیک
تعریف: معیار سنجشی مقاومت یک سیال برای جاری شدن در اثر نیروی وارده می باشد.
تابعی از دما است و تاثیر فشار بر آن ناچیز و حداکثر تا 10 درصد برای گازهای تا فشار psi500 (معادل 5/34 بار) می باشد. ویسکوزیته دینامیک بر اساس فرمول ساترلند با رابطه زیر تعیین می شود:
µ: ویسکوزیته گاز در دمای T بر حسب سانتی پوآز (CP)
µ0: ویسکوزیته گاز در دمای رفرنس (T0)
T: دمای گاز بر حسب رانکین
T0: دمای رفرنس بر حسب رانکین
C: ثابت ساترلند که برای گازهای مختلف دارای مقادیر مشخصی است که برای هوا مقدار آن 120 می باشد (جدول مربوطه)
55
جدول ضریب ساترلند و ویسکوزیته برخی از گازها در دماهای مرجع
56
واحدهای رایج ویسکوزیته دینامیک
پوآز: به افتخار نام دانشمند معرفی کننده آن. واحد ویسکوزیته در سیستم CGS می باشد. یک پوآز ویسکوزیته سیالی با نیروی یک دین در هر cm2 که سرعت را در حد cm/s 1 حفظ کند.
پاسکال ثانیه: واحد ویسکوزیته دینامیک در سیستم آحاد SI می باشد که معادل 1 نیوتن ثانیه بر m2 1 یا برابر Kg/ms 1 می باشد.
پوآزی: واحد ویسکوزیته دینامیک در سیستم آحاد MKS می باشد که معادل pa.s 1 یا 10 پوآز می باشد.
با استفاده از فرمول سانترلند ویسکوزیته هوا را در دمای صفر، 20، 40 و60 درجه سانتیگراد محاسبه نمائید؟
با استفاده از فرمول سانترلند ویسکوزیته مونوکسید و دی اکسید کربن را در دمای صفر و 50 درجه سانتیگراد محاسبه نمائید؟
با استفاده از فرمول سانترلند ویسکوزیته آمونیاک را در دمای 20- درجه و 20 درجه سانتیگراد محاسبه نمائید؟
58
رابطه دیگری برای تعیین ویسکوزیته
رابطه ساترلند با واحدهای دیگر برای هوا:
µ: ویسکوزیته گاز در دمای T بر حسب pa.s
T: دمای گاز بر حسب کلوین
مثال:ویسکوزیته هوا را در دمای صفر و 60 درجه سانتیگراد بر حسب pa.s محاسبه نمائید؟
قانون نیرو (power law) تقریب دیگری برای محاسبه ویسکوزیته است و به صورت زیر ارائه شده است.
2µ: ویسکوزیته بر حسب Kg/m.s T2: دما بر حسب کلوین
1µ ویسکوزیته هوا در صفر درجه سانتی گراد (1.716*10-5 Kg/m.s)
T1 : دمای K 273
مثال: ویسکوزیته هوا را در دمای ºC 100 محاسبه نمائید.
جدول تبدیل آحاد ویسکوزیته دینامیک
ویسکوزیته سینماتیک
نسبت ویسکوزیته دینامیک به دانسیته سیال می باشد. کمیتی است که در آن هیچ نیروئی درگیر نیست. در سیستم SI واحد آن m2/s و در سیستم CGS، واحد آن استوکس می باشد.
62
ویسکوزیته سینماتیک
63
ویژگیهای گاز کلیات
آئروسولهای جامد یا مایع در داخل فاز گازی غوطه ور هستند که این گاز می تواند با ذرات فعل و انفعال (اثرات متقابل) داشته و تاثیر قابل توجه بر رفتار آنها داشته باشد.
گاز می تواند مانع حرکت ذرات باشد و ماهیت این مقاومت با اندازه ذره تغییر می کند مخصوصاً زمانی که اندازه ذره به اندازه فضای بین مولکولهای گازی نزدیک می شود.
ذرات معلق انرژی خود را با مولکولهای گازی به اشتراک گذاشته و حرکت برونین حادث می شود.
ویژگیهای گاز کلیات
گرادیانهای (شیب) دمائی گاز نیروئی را بر ذرات معلق ایجاد می کند که نیروی ترموفورتیک (Thermophoretic Force) نامیده می شود.
با توجه اثرات متنوع بین ذرات و گازهای اطراف آن، خواص گازها بخصوص تئوری سینتیک گازها اهمیت قابل توجهی قبل از آشنائی با ساختار و ویژگیهای آئروسولها دارد.
65
تئوری سینتیک گازها
اثرات متقابل بین ذرات و گازهای اطراف بخوبی توسط تئوری سینتیک کلاسیک گازها توصیف شده است.
بر اساس تئوری سینتیک، دما، فشار، میانگین فاصله آزاد و ویسکوزیته یک گاز نمودی از حرکت مولکولهای گاز می باشند.
دما، معیاری از انرژی جنبشی مولکولها، فشار حاصل نیروی ملکولی برخوردی به دیواره ظروف، ویسکوزیته نشانگر مقدار حرکت انتقالی توسط حرکت مولکولی و انتشار انتقال جرم مولکولی می باشند.
تئوری سینتیک گازها
فرضیات بنیادین این تئوری شامل موارد زیر است:
1- گازها حاوی تعداد زیادی از مولکولها هستند.
2- مولکولها در مقایسه با فاصله بین آنها بسیار کوچک هستند.
3- مولکولها اجسام کروی سفت (جامد) در حال حرکت در خطوط مستقیم بین برخوردهای کشسان (الاستیک) می باشند.
67
تئوری سینتیک گازها
این تئوری از مدل توپ بیلیارد (Billiard ball model) مولکولهای گاز برای توصیف خواصی مثل دما، فشار، ویسکوزیته، میانگین فاصله آزاد، نفوذ و هدایت گرمائی استفاده می کند.
قانون گاز کامل، ارتباط برخی از خواص گازها را به شرح زیر نشان می دهد:
Pv=nmRT (7)
که: P فشار مطلق، v حجم، nm تعداد مول، T دمای مطلق و R ثابت گاز می باشند.
تئوری سینتیک گازها
مقدار ثابت گازها بستگی به واحدهای مورد استفاده برای سایر متغیرها دارد مثلاً اگر واحد فشار پاسکال و واحد حجم بر حسب متر مکعب باشد، J/K.mol (pa.m3/K.mol) 8/31 R= می باشد. اگر واحد فشار بر حسب اتمسفر و حجم بر حسب سانتی متر مکعب باشد، atm.cm3/K.mol 82 R= می باشد.
قانون گاز کامل برای بسیاری از گازها ازجمله هوا در فشارهای کمتر از چند اتمسفر معتبر می باشد.
این قانون تلفیقی از قانون بویل، قانون شارل و اصل آووگادرو می باشد.
69
تئوری سینتیک گازها
طبق قانون بویل مقدار ثابت .Pv= با در نظر گرفتن تعداد مشخصی مولکول گازی در داخل یک جعبه مکعبی شکل و با استفاده از تئوری سینتیک گازها و قوانین حرکت نیوتن و حل روابط مربوطه، رابطه نهائی زیر حاصل می شود:
که:
m: جرم یک مولکول
N: تعداد مولکولها
c: سرعت حرکت مولکولها
تحلیلهای بعدی نشان می دهد که تعداد برخوردهای مولکولی در واحد سطح در هر ثانیه (Z)با رابطه زیر قابل محاسبه می باشد:
n: تراکم تعداد مولکولها در واحد حجم.
n از حاصل تقسیم عدد آووگادرو بر حجم مولی یک گاز ایده آل بدست می آید که مقدار آن برای هوا m3 1025×2/5 و مقدار c برابر m/s 460 است.
71
سرعت مولکولی
با ترکیب روابط حاصل از قانون بویل، میانگین ریشه مجذور سرعت (Crms) برای یک مول از گاز به شرح زیر محاسبه می شود:
Na عدد آووگادرو می باشد.
کمیت mNa همان وزن مولکولی گاز یا M می باشد:
رابطه 12 قدرت تئوری سنتیک در محاسبه مستقیم سرعت مولکولی با استفاده از اندازه گیری یک پارامتر ماکروسکوپیک گاز (دما) را نشان می دهد. سرعت مولکولی به آهستگی با افزایش دما افزایش می یابد
مقادیر ثابت گاز ایده آل با واحدهای مختلف
مثال
جذر میانگین مجذور سرعت یک مولکول H2 را در صفر و 100 درجه سانتیگراد حساب کنید؟
جذر میانگین مجذور سرعت برای مولکول N2 در 100 و 500 کلوین چقدر است؟
جذر میانگین مجذور سرعت برای مولکول CO2 در 125 و 650 کلوین چقدر است؟
در چه دمایی جذر میانگین مجذور سرعت مولکول N2O مساوی جذر میانگین مجذور سرعت مولکول N2 در 300 کلوین است؟
با انتگرال گیری از سرعت و احتمالات برای کل دامنه سرعت مولکولها، رابطه کلی زیر برای سرعت میانگین بدست می آید
EXAMPLE 2 Find the rms velocity for (a) H2 and (b) O2 molecules at 27°C.
77
سرعت مولکولی
با بازنویسی رابطه کلی قانون بویل (رابطه 10)، می توان انرژی جنبشی انتقالی یک مول از گاز را تعیین نمود:
برای یک گاز کامل، انرژی جنبشی مستقل از فشار، حجم و وزن مولکولی است و تنها به دما وایسته است. در جدول زیر سرعت مولکولی چندین گاز و بخار در دمای ºK 293 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، مولکولهای سبکتر باید سرعت بیشتری داشته باشند تا همان انرژی جنبشی مولکولهای سنگینتر را حفظ نمایند.
مثال
میانگین انرژی جنبشی یک مول از گاز H2 و مولکول H2 را در صفر درجه سانتیگراد محاسبه نمائید؟
79
میانگین فاصله آزاد (Mean Free Path)
در بسیاری از شرایط، بدلیل نوع برهمکنش بین ذرات و مولکولهای گاز، نمی توان گاز را به عنوان سیال پیوسته در نظر گرفت، بلکه آن مجموعه ای کلی از مولکولهای متحرک سریعی است که بطور تصادفی با ذرات برخورد می کنند.
نسبت اندازه ذره به فضای بین مولکولی معیار استفاده از چنین رویکردی است و بجای استفاده از میانگین فضای بین مولکولی از اصطلاحی مفیدتر به نام میانگین فاصله آزاد استفاده می شود.
80
میانگین فاصله آزاد
تعریف: میانگین مسافتی است که توسط یک مولکول در بین برخوردهای موفق خود با اجسام هدف طی می کند. بطور ساده تر از حاصل تقسیم میانگین فاصله طی شده در هر ثانیه بر تعداد برخوردهای یک مولکول گازی در هر ثانیه (nz) تعیین می شود.
رابطه محاسباتی nz:
که: dm، قطر برخوردی مولکول است و معادل فاصله بین مراکز دو مولکول در لحظه برخورد با همدیگر می باشد. در مورد هوا این قطر برخوردی تقریباًm 10-10×3/7 است. با ترکیب روابط 15 و 16، رابطه کلی زیر حاصل می شود:
میانگین فاصله آزاد برای هوا در شرایط دما (ºc20) و فشار استاندارد معادل µm 0/066 می باشد. برای هر گاز مقدار dm عدد ثابتی است و λ به دانسیته گاز که خود مستقیماً متناسب با n است، وابسته است. لذا مقدار λ با افزایش دما یا کاهش فشار، افزایش می یابد.
عدد نادسن
عدد نادسن: در کارهای علمی استفاده از عدد نادسن رایج است که عددی بدون بعد بوده و معادل نسبت میانگین فاصله آزاد به شعاع ذره است:
مثال
میانگین فاصله آزاد مولکولهای هوا در بالای قله کوهی با ارتفاع 4421 متر را محاسبه نمائید؟ فرض کنید دما 20 درجه سانتیگراد و فشار 0/7 اتمسفر می باشد؟
میانگین فاصله آزاد مولکولهای هوا در دمای 217 درجه کلوین و فشار 5/5 کیلو پاسکال چند میکرومتر می باشد؟
میانگین فاصله آزاد مولکولهای هوا در درون یک محفظه که تحت فشار 1/5 اتمسفر کار می کند چقدر است؟
84
انتشار (Diffusion)
انتقال جرمی یک گاز از نقطه ای به نقطه دیگر در غیاب جریان سیال در اثر شیب غلظتی را انتشار گویند. برای گازهای منتشره در هوا، میزان شار (J) یا مقدار ماده منتشره در واحد زمان از واحد سطح عمود بر جهت انتشار (برحسب molcule/m2.s) تحت تاثیر شیب غلظتی dc/dx با قانون اول فیک تعیین می شود:
مقدار Dba ثابت یا ضریب انتشار گاز b در هوا می باشد. واحد آن m2/s یا cm2/s است.
در سطح مولکولی، ضریب انتشار بر حسب میانگین فاصله آزاد و میانگین سرعت، تعیین می شود:
با جایگزینی مقادیر λ و c از روابط 13و 17 رابطه کلی زیر حاصل می شود:
ضریب انتشار در شرایط استاندارد برای هوا معادل m2/s 5-10×1/8 می باشد.
85
عدد رینولدز (Reynolds Number)
کمیتی بدون بعد که مشخصات سیال را داخل یک لوله یا اطراف مانعی مثل ذره معلق در هوا را توصیف می کند.
عدد رینولدز دارای ویژگیهای زیر است:
1- شاخصی برای نوع رژیم جریان است. محکی برای تعیین خطی یا آشفته بودن جریان سیال
2- متناسب با نسبت نیروهای اینرسی بر نیروی اصطکاک عمل کننده بر هر جزئی از سیال می باشد
3- عددهای رینولدز یکسان یا مشابه نشانگر شباهت هندسی جریان های اطراف اشیاء می باشد. تشابه به معنای یکسان بودن الگوی جریان در اطراف اشیاء با اندازه های مختلف با جریانهای سیالات متفاوت است.
86
عدد رینولدز
نیروی اصطکاک اثرگذار روی یک جزء از سیال در یک سیستم با جریان یکنواخت با این رابطه محاسبه می شود:
که: L طول مشخصی از جزء سیال و du/dy شیب سرعت در محدوده جزء سیال و η ویسکوزیته دینامیک سیال می باشد.
نیروی اینرسی معادل میزان تغییر حرکت اجزاء سیال بوده و با رابطه کلی زیر تعیین می شود:
du/dt معادل شتاب کل سیال است. با تبدیل شتاب به سرعت و جایگزینی حاصلضرب حجم در دانسیته بجای جرم، رابطه نیروی اینرسی به شکل زیر در می آید:
87
عدد رینولدز
با تقسیم اینرسی بر اصطکاک، عدد رینولدز تعیین می شود:
با قرار دادان V (سرعت نسبی بین سیال و ذره) بجای U و همچنین d (قطر ذره) بجای L رابطه عدد رینولدز در بحث دینامیک ذرات مفیدتر خواهد شد
بر اساس شرایط استاندارد مشخص شده در جدول زیر، رابطه عدد رینولدز در سیستم SI معادل Re=66000 Vd (واحد V بر حسب m/s و d بر حسب m) و در سیستم CGS معادل Re=6.6 Vd (واحد V بر حسب cm/s و d برحسب cm) تبدیل می شود.
89
عدد رینولدز بستگی به سرعت نسبی شیئی مثل یک ذره و گاز اطراف خود دارد.
بر اساس مقدار عدد رینولدز می توان نوع جریان اطراف یک ذره را تعیین نمود. در Re<1 جریان خطی، یکنواخت و پیوسته است و نیروهای ویسکوز بسیار بیشتر از نیروهای اینرسی هستند. در این وضعیت، الگوی صاف و متقارنی از خطوط جریان در دو طرف ذره ایجاد می شود.
در این وضعیت، خصوط جریان بالادست و پائین دست ذره متقارن هستند
عدد رینولدز
90
عدد رینولدز
هرچه عدد رینولدز بیشتر از 1 می شود، جریانهای گردابی در پائین دست ذره تشکیل شده و به تدریج بیشتر و بزرگتر (شدیدتر) می شوند.
در داخل لوله ها جریان برای Re<2000، خطی و برای Re>4000 آشفته (Turbulent) است. دلیل اختلاف حد جریان خطی برای ذره و لوله ها، اهمیت زیاد نیروهای اینرسی برای جریان اطراف ذره در مقایسه با جریان خطی مستقیم در طول لوله می باشد.
مثال
یک نمونه از میست روغن با نرخ جریان L/min 1/2 از طریق یک لوله به قطر mm 10 جابجا می شوند.آئروسل حاوی قطرات روغن با قطر 2 میکرومتر می باشد. قطرات روغن در داخل لوله به وسیله هوا با سرعت ته نشینی m/s 4- 10×1منتقل می گردند. عدد رینولدز جریان و ذره را محاسبه نمائید؟
93
سنجش سرعت، دبی و فشار
سنجش این پارامترها در مواردی همچون نمونه برداری از گازها و آئروسولها، سنجش سرعت در داخل کانالها برای نمونه برداری ایزوکینتیک، سنجش و ارزیابی پارامترهای تهویه و … کاربرد دارند.
لوله پیتوت مستقیماً فشار سرعت را در یک جریان گازی اندازه گیری می کند. ساختار آن متشکل از دو لوله متحدالمرکز متصل به یک فشار سنج (مانومتر) است. لوله داخلی جهت سنجش فشار کل و منافذ لوله خارجی برای سنجش فشار استاتیک بکار می رود. تفاضل این دو فشار معرف فشار سرعت است (Tp=Sp+Vp)
رابطه کلی بین فشار سرعت و سرعت جریان:
رابطه کلی برای هوا در شرایط استاندارد:
در رابطه اول واحد سرعت fpm و واحد فشار سرعت inH2O
در رابطه دوم واحد سرعت m/s و واحد فشار mmH2O
94
وسایل سنجش سرعت، دبی، حجم و فشار گازها
95
لوله پیتوت (Pitot Tube)
فشار استاتیک در درون یک کانال 18- میلیمتر ستون آب و فشار کل 9- میلیمتر ستون آب است. سرعت جریان گاز درون کانال را با استفاده از لوله پیتوت محاسبه نمائید؟
97
آنمومتر حرارتی (Thermo Anemometer)
دارای سنسور حساسی است است که با استفاده از توان الکتریکی معمولاً تا ºf75 گرمتر از دمای محیط اطراف شده و با عبور جریان هوا از روی آن خنک می شود که میزان خنک شدن در واحد زمان متناسب با سرعت جریان هوا است. سنسور سرعت در محیطهای با آلودگی ذره متوسط و بالا غیر حساس بوده و نباید استفاده شود. از این وسیله برای سنجش مستقیم سرعت جریان در داخل کانالها (همانند لوله پیتوت) و دهانه و جلوی هود قابل استفاده است.
98
سنجش دبی
میزان حجم سیال عبوری از مقطع مشخص در واحد زمان را دبی گویند. برای محاسبه دبی در کانالها از رابطه زیر استفاده می شود.
Q=U.A
دبی با تغییرات سطح مقطع کانال تغییر نمی کند چون تعداد مولکولهای هوای عبوری مقداری ثابت است. سرعت و سطح مقطع با هم رابطه عکس دارند و با تغییر سطح مقطع سرعت تغییر می کند.
دو نوع وسایل مورد استفاده برای سنجش میزان دبی شامل 1- وسایل با هد متغیر مثل ونتوری و اریفیس و 2- وسایل با مساحت متغیر مثل روتامتر می باشند.
ونتوری و اریفیس میانگین دبی را با اندازه گیری اختلاف فشار بین دو طرف یک منفذ یا معبر باریک کالیبره شده در مسیر جریان (منبع مقاومت در برابر جریان)، اندازه گیری می کنند.
99
ونتوری
در ونتوری متر، عامل مقاومت در برابر جریان، یک تنگ شدگی در مسیر است. فشار هوا در بالادست گلوئی و خود گلوئی ونتوری اندازه گیری شده و با استفاده از رابطه زیر، دبی محاسبه می شود:
که: 0/98=k برای شرایط استاندارد، ∆P معادل
اختلاف فشار (p1-p2)، A1 و A2 به ترتیب سطح
مقطع لوله و گلوئی ونتوری و ρg دانسیته گاز می باشد.
اریفیس
اریفیسها وسایل ساده تر، ارزانتر و رایجتر با هد فشار متغیر می باشند. اریفیس یک صفحه نازک با یک منفذ گرد با لبه تیز است که در قسمت میانی مسیر جریان قرار می گیرد. اریفیس باعث می شود خطوط جریان در منفذ به شکل همگرا بهم نزدیک و فشرده شوند (همانند ونتوری)باریکترین قسمت جریان، Vena contracta نامیده می شود. دبی در این وسایل نیز از رابطه 28 محاسبه می گردد و فقط مقدار k برای اریفیسها 0/62 می باشد.
101
اریفیس Orrifice
102
اریفیس بحرانی
در شرایطی که شرایط بالادست اریفیس ثابت بوده و فشار مطلق در پائین دست کمتر از 0/53 فشار بالادست باشد، میزان جریان عبوری از اریفیس ثابت می ماند. در این شرایط سرعت در گلوئی یا اریفیس معادل سرعت صوت خواهد بود و با کاهش فشار در پائین دست جریان، سرعت در گلوئی یا اریفیس افزایش نمی یابد.
برای یک اریفیس یک فرمول تقریبی، رابطه بین دبی (L/min) و مساحت مقطع اریفیس (mm2) را در شرایط استاندارد به شرح زیر نشان می دهد:
که مقدار k برای اریفیس بحرانی 0/62 می باشد.
برای شرایط غیر استاندارد:
این وسایل برای نمونه گیری با دبی ثابت با پمپ خلا (مکنده) مفید هستند.
مثال
جهت نمونه برداری با دبی 5 لیتر در دقیق در شرایط استاندارد یک اریفیس بحرانی بر روی کانال ایجاد می کنیم. قطر سوراخ اریفیس را محاسبه نمائید؟
104
روتامتر (Rotameter)
جزء وسایل با مساحت متغیر است و بر خلاف اریفیس و ونتوری که افت فشار را که با تغییر دبی تغییر می کند را اندازه گیری می کنند، در این وسایل مساحت منفذ عبور هوا با عبور هوا تغییر می کند تا افت فشار ثابت بماند.
روتامتر رایجترین وسایل سنجشی با مساحت متغیر است که مرکب از یک شناور است که بطور عمودی به سمت بالا و پائین حرکت میکند. این شناور داخل لوله ای قرار گرفته که جریان عبوری از داخل آن (دبی آن) سنجیده می شود.
جریان عبوری از داخل لوله، شناور را تا حدودی بالا می برد که وزن آن برابر نیروی کششی جریان عبوری شود. هر چه شناور در لوله بالاتر می رود، سطح آزاد بین آن و دیواره لوله افزایش یافته و باعث کاهش سرعت و نیروی کششی سیال می شود. رابطه دبی برای روتامتری با جرم شناور mf و مساحت سطح مقطع Af برابر است با:
Cr: ضریب روتامتر (معمولاً 0/8-0/6) و Ao مساحت سطح باز لوله در موقعیت قرارگیری شناور
105
روتامتر
موقعیت قرارگیری شناور با علامتگذاری روی بدنه لوله در شرایط استاندارد کالیبره شده و نشانگر دبی جریان عبوری است. برای استفاده از روتامتر در شرایط غیر استاندارد، دبی استاندارد با رابطه زیر تعیین می شود:
106
روتامتر
دبی جریان از روبروی پهن ترین قسمت شناور قرائت می شود مگر آنکه برای بخش دیگری از شناور کالیبره شده باشد. برخی روتامترها دارای شناورهای قابل تعویض برای رنج دبیهای مختلف با یک لوله می باشند. رنج دبی روتامترها از cm3/s0/01 تا L/s 50 می باشد.
این وسایل برای مقادیر دبی نزدیک حد پائین خود کاملاً غیر دقیق می باشند.
معمولاً حداکثر دبی یک روتامتر 10 برابر حداقل مقدار دبی قرائتی آن می باشد.
107
فلومتر جرمی حرارتی (Mass Flowmeter)
فلومتر جرمی حرارتی: کاربرد عمده فلومتر جرمی حرارتی در اندازه گیری دبی گازها در لوله ها و کانال ها است. به دلیل اندازه گیری مستقیم دبی جرمی در این نوع فلومتر، نیازی به تصحیح اثر تغییر فشار و دما نیست. این وسایل می توانند با شیرهای کنترلی برقی تلفیق شوند تا دبی جرمی را در حد مشخصی ثابت نگهدارند.
این نوع فلومترها به دو صورت In Line و Insertion قابل ارائه می باشند.
In Line : در این نوع فلومتر با عبور جریان گاز از درون یک لوله توان حرارتی مشخصی به آن اعمال می شود. این توان باعث افزایش دمای سیال می شود. از آنجا که افزایش دما متناسب با دبی جرمی گاز است، می توان با اندازه گیری میزان افزایش دما، دبی جرمی را به دست آورد. کاربرد عمده فلومتر جرمی حرارتی In Line در اندازه گیری دبی گازها در لوله ها است.
Insertion : در ایـن روش یک سنسور حرارتی از طریق سوراخی که بر روی جداره کانال تعبیه می گردد به داخل کانال فرستاده می شود. با عبور جریان گاز از روی سنسور، کاهش دمای سنسور یا توان لازم برای ثابت نگه داشتن دمای آن معیاری از دبی جرمی گاز خواهد بود.
کاربرد عمده فلومتر جرمی حرارتی Insertion در اندازه گیری دبی گازها در کانال های بزرگ است.
109
سنجش حجم
دو نوع وسیله: 1- وسایلی که از محفظه های قابل انبساط استفاده می کنند و وسایل سنجش جابجایی فشار مثبت هوا.
اسپیرومتر: جزء وسایل استاندارد اولیه سنجش حجم کلی هوا است. این وسیله از یک استوانه درباز معکوس مستغرق در داخل حوضچه ای از آب است. این استوانه با ورود هوا از داخل لوله یا شلنگ آببندی شده می تواند به سمت بالا حرکت کند. میزان جابجایی این محفظه استوانه ای متناسب با حجم هوای ورودی به فضای زیر آن است. دامنه کاری آنها m3 1-0/001 می باشد.
پیستون بدون اصطکاک یا بورت حباب صابون: برای حجمهای کمتر از cm3 500 مناسب می باشد. از یک استوانه شیشه ای باریک و بلند شیشه ای مدرج تشکیل شده است که از سمت خروجی با شلنگ به پمپ مکنده وصل شده است. جزء وسایل استاندارد اولیه است. در این وسیله با تشکیل حبابی در قسمت ورودی استوانه (با یک مایع دترجنت)، با مکش پمپ حباب به سمت بالا حرکت کرده و با سنجش میزان جابجائی حباب (حجم هوای عبوری) در واحد زمان دبی هوای عبوری را تعیین نمود. این وسیله برای دبی حجمی cm3/min 1 تا L/min 25 مناسب می باشد.
110
111
پیستون بدن اصطکاک
112
پیستون متر: از جابجایی یک پیستون تقریباً بدون اصطکاک برای سنجش حجم استفاده می کند. با سنجش الکترونیکی زمان حرکت پیستون، امکان محاسبه و نمایش دبی هوا میسر می شود. این وسیله دبی cm3 1 تا L/min 50 را می تواند اندازه گیری کند.
گاز متر تر: از یک سیستم طبلکهای متصل به یک شمارنده یا عقربه متصل است. این طبلکها در یک محفظه استوانه ای که بیش از نیمی از آن از آب پر شده قرار گرفته اند. سطح آب محفظه را کاملاً مسدود کرده و همانند یک شیر یا دریچه عمل می کند و هوای ورودی را بداخل طبلکها هدایت می کند و باعث چرخش آنها می شود. چرخش طبلکها به شمارنده یا عقربه نشانگر منتقل شده و حجم هوای ورودی به گازمتر تر نشان داده می شود.
گازمتر خشک: از یک جفت کیسه آکاردئونی تشکیل شده اند که به ترتیب در اثر عبور جریان گاز از آنها پر و خالی می شوند. میزان پر و خالی شدن این کیسه ها توسط یک شیر کنترلی به شمارنده یا عقربه ای منتقل شده و نشانگر حجم گاز عبوری خواهد بود. کنتور گاز خانگی یک گازمتر خشک است.
سنجش حجم
113
گازمتر تر
114
گاز متر خشک
115
فشارسنج
مانومتر لوله یو شکل (U-Tube Manometer): ساده ترین وسیله برای سنجش اختلاف فشار کم است. نیازمند هیچگونه کالیبراسیونی نمی باشد. اختلاف فشار توسط اختلاف ارتفاع ستون مایع دو سمت مانومتر نشان داده می شود. این فشار بر حسب mm، Cm و یا in مایع داخل مانومتر مشخص می گردد. مایع می تواند آب رنگی، جیوه یا مایع دیگری با دانسیته مشخص باشد. برای هر مایعی فشار با رابطه زیر تعیین می شود:
Δp=ρLg Δh
بایستی دقت نمود که همیشه فشار مکشی و دمشی در حدی باشد که مایع داخل مانومتر بیرون نریزد.
مانومتر چاهی شکل (Well Type Manometer): یک شکل رایج دیگر مانومترها است که مقیاس قرائت فشار، تغییرات ارتفاع مایع در یک ستون واحد متصل به محفظه (چاه) حاوی همان مایع است. برخلاف نوع قبلی فقط دارای یک ستون می باشد که تغییرات فشار روی ارتفاع مایع داخل آن تاثیر می گذارد.
116
فشار سنج
مانومتر شیبدار (Inclined Manometer): یک وسیله بسیار حساس که قادر به سنجش فشار تا حد mm H2O 0/1 است. در این مانومتر نیز فشار بر اساس تغییرات ارتفاع مایع داخل ستون سنجیده می شود اما چون شیب آن کم است می توان نوسانات جزئی فشار را نیز نشان دهد. معمولاً نسبت خاصی بین مقیاس فشار این مانومتر در حالت قائم و شیبهای مختلف آن وجود دارد. برخی از مانومترهای تجاری موجود دارای ترکیبی از لوله های قائم و شیبدار هستند مه در فشارهای پائین و بالا حساسیت لازم و کاربری مناسب دارا می باشند.
فشار سنج پزشکی: دارای دیافراگمی است با فشار بطور مکانیکی تغییر شکل می دهد. یک سیستم ارتباطی اصطکاک پائین حرکات دیافراگم را بصورت تغییر عددی فشار نشان می دهد. با استفاده از دیافراگم بزرگ این مانومتر به فشارهای خیلی کم نیز حساس خواهد شد. این وسیله پرتابل، دارای قرائت ساده، فاقد هیچگونه مایعی بوده و وسیله مکانیکی است که هراز چند گاهی کالیبراسیون آن باید کنترل شود.
فشار سنج عقربه ای: برای فشارهای بیشتر از Kpa3 استفاده می شود. این گیج به حرکت لوله ای حساس است که با افزایش فشار داخل آن تمایل به صاف شدن دارد.
117
انواع فشار سنج