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Feuchte / Temperatur

GRUNDBEGRIFFE DER FEUCHTEMESSTECHNIK


WASSERDAMPFDICHTE (ABSOLUTE DICHTE)

Unter diesem Begriff versteht man diejenige Wasserdampfmenge (kg), welche pro Volumeneinheit (m3) des Gasgemisches enthalten ist. In einem Gasgemisch erzeugt der Wasserdampf einen bestimmten Partialdruck, der Teil des gesamten barometrischen Gasdruckes ist. Der Dampfdruck kann bei einer bestimmten Temperatur nur bis zur Sättigungsgrenze ansteigen. Darüber hinaus wird Wasser in flüssiger Form ausgeschieden (Nebel). Der Maximaldruck wird als Sättigungsdruck bezeichnet und ist temperaturabhängig. Die Temperaturabhängigkeit ist im Begriff der absoluten Feuchte jedoch nicht enthalten.

RELATIVE FEUCHTE

Setzt man den vorhandenen Wasserdampfdruck zum höchstmöglichen Wasserdampfdruck ins Verhältnis, so erhält man die relative Feuchte:

%rF = 100xp/ps

%rF: relative Feuchte in Prozent
p: Wasserdampfdruck im Gasgemisch bei Umgebungstemperatur
ps: Wasserdampf-Sättigungsdruck bei Umgebungstemperatur

100 %rF entspricht also der maximalen Wasserdampfmenge, die ein Gasgemisch enthalten kann, bei gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur. Bei gleichbleibendem Wasserdampfpartialdruck und wechselnder Umgebungstemperatur ändert sich der Wasserdampfsättigungsdruck und folglich auch die relative Feuchte (siehe Wasserdampfsättigungsdruck).

Für brauchbare Messungen der relativen Feuchte ist es enorm wichtig, dass Messsonde und Messgut die gleiche Temperatur aufweisen.

GLEICHGEWICHTSFEUCHTE

Ein hygroskopisches Material ist stets bestrebt, mit der umgebenden Luft in ein Feuchtegleichgewicht zu kommen. Gleichgewichtsfeuchte ist derjenige Wassergehalt, der sich in einem hygroskopischem Material nach längerer Lagerung in einem Raum mit konstanter relativer Feuchte und konstanter Temperatur ergibt.

Das Feuchtegleichgewicht herrscht dann vor, wenn die Menge an aufgenommenem und abgegebenem Wasser gleich ist.

ANSPRECHZEIT DER ROTRONIC SENSOREN

Rotronic definiert die Ansprechzeit seiner Sensoren als die Zeit, um 63% eines Feuchtesprungs zu vollziehen. Die Ansprechzeit wird grösser bei tiefen Temperaturen und kleiner Luftbewegung. Sie erhöht sich auch bei der Anwendung eines Filters, da die Feuchte als Folge der verringerten Luftströmung langsamer durch den Filter transportiert wird und der Wasseraustausch als langsamere Diffusion von Wassermolekülen stattfindet.

TAUPUNKT / FROSTPUNKT (TP / FP)

Der Taupunkt, bzw. die Taupunkttemperatur, ist die Temperatur, bei der die Luft über einer ebenen Wasseroberfläche bei gleichbleibendem Luftdruck mit Wasserdampf gesättigt ist. Der herrschende Wasserdampfdruck ist dann gleich dem Wasserdampfsättigungsdruck.

FEUCHTKUGELTEMPERATUR (TW)

Dies ist die tiefste Temperatur, die sich durch Verdunstungskühlung erreichen lässt. Dabei steht die Wasserabgabe einer feuchten Oberfläche mit dem Wasseraufnahmevermögen der umgebenden Atmosphäre im Gleichgewicht.

SPEZIFISCHE ENTHALPIE (H)

Spezifische Enthalpie der feuchten Luft ist eine energetische Zustandsgrösse. Sie setzt sich zusammen aus den spezifischen Enthalpien der Komponenten des Gemisches (trockene Luft, Wasserdampf) und ist auf den Massenanteil der trockenen Luft bezogen. Sie wird in J/kg angegeben.

WASSERDAMPFGEHALT (Q) IN G/KG

Dies ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse des gesamten Gasgemisches, in welchem sich der Wasserdampf befindet.

WASSERDAMPFDICHTE (DV) IN G/M3

Dies ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zum Volumen des gesamten Gasgemisches, in welchem sich der Wasserdampf befindet.

MISCHUNGSVERHÄLTNIS (R) IN G/KG

Dies ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse des trockenen Gasgemisches, in welchem sich der Wasserdampf befindet.

WASSERDAMPFPARTIALDRUCK (E) IN HPA

Dies ist der Druck der gasförmigen Phase des Wassers in einem Gasgemisch.

WASSERDAMPFSÄTTIGUNGSDRUCK (EW) IN HPA

Dies ist der Druck, den Wasserdampf über einer ebenen Wasserfläche bei Sättigung, bei der jeweiligen Temperatur maximal erreichen kann.

MITTLERE KINETISCHE TEMPERATUR (MKT)

Die mittlere kinetische Temperatur ist die Gesamteinwirkung der Temperatur auf einen Gegenstand oder ein Produkt über eine gewisse Zeit.

Als langjähriger Hersteller von Feuchtemessgeräten sind wir uns der Verantwortung bewusst, unseren Kunden Geräte anzubieten, die auch widerwärtigsten Einsatzbedingungen standhalten, dabei aber auch benutzerfreundlich und wartungsarm sind. Gleichzeitig möchten wir unsere Anwender dazu anhalten, mit wenig Aufwand das einwandfreie Funktionieren der Messgeräte sicherzustellen. Die folgende Checkliste soll dabei helfen.

  1. Analysieren Sie das Medium, in welchem der Feuchtefühler eingesetzt wird. Welche Schwebstoffe und/oder Chemikalien sind in welcher Konzentration vorhanden?
  2. Installieren Sie den Fühler an einem Ort, wo das Raumklima repräsentativ ist und wo er gut umströmt ist.
  3. Wählen Sie den richtigen Filter. Die Messung ist am schnellsten ohne Filter. Für Windgeschwindigkeiten über 3 m/s muss jedoch ein Filter eingesetzt werden. Dieser schützt den Sensor bis zu 20 m/s oder 40 m/s. Weiter sind entsprechende Filter bei Schadstoffen und rauen Umgebungsbedingungen einzusetzen.
  4. Installieren Sie den Fühler der Applikation entsprechend.
  5. Bei rauen Einsatzbedingungen wechseln Sie den Filter häufiger. Unsere Filter können mit geeigneten Lösungsmitteln problemlos im Ultraschallbad gereinigt werden. Halten Sie dennoch immer einen neuen Filtersatz bereit.
  6. Überprüfen Sie die einwandfreie Funktion des Messfühlers durch einen Kalibrations-Check mindestens alle 6 bis 12 Monate.
  7. Benutzen Sie hierfür unsere Möglichkeiten der Kalibrierung oder die SCS-zertifizierten Feuchtestandards. Sie gewinnen dadurch rückführbare Messwerte.

Der Pt100-Sensor ändert seinen elektrischen Widerstand mit jeder Temperaturänderung der Umgebung. Bei 0 °C ist sein Widerstandswert 100 Ohm. Dieses Verhalten wird in einer Messbrückenschaltung genutzt, um eine für die Weiterverarbeitung geeignete Signalform zu erzeugen.

Es existieren 5 Güteklassen, welche bei 0° folgende Genauigkeiten aufweisen:

Klasse B: ±0,3 K
Klasse A: ±0,15 K
Klasse B 1/3: ±0,1 K
Klasse B 1/5: ±0,06 K
Klasse B 1/10: ±0,03 K

Folgende Tabelle zeigt dies in anschaulicher Form.

Pt100-Temperatursensoren - Toleranz

NEUE NORM

Die Herstellungstoleranzen waren früher in die Genauigkeitsklassen A und B eingeteilt (siehe oben). Die aktuelle Norm enthält zusätzlich noch die Klassen AA und C. Innerhalb eines für drahtgewickelte Widerstände und Schichtwiderstände zu jeder Klasse unterschiedlichen Gültigkeitsbereichs werden die Grenzabweichungen tg in Abhängigkeit von der Celsius-Temperatur t angegeben:
Klasse AA: tg = 0,1 K + 0,0017 · t
Klasse A: tg = 0,15 K + 0,002 · t
Klasse B: tg = 0,30 K + 0,005 · t
Klasse C: tg = 0,6 K + 0,01 · t
Beispiel zur Klasse B: Bei 200 °C sind Abweichungen des Messwertes bis ± 1,3 K zulässig.

Die Genauigkeit der Rotronic

Feuchte- und Temperatur-Fühler ist an den Justierpunkten am höchsten, weshalb es sinnvoll ist, die Fühler an den Punkten zu justieren, wo sie eingesetzt werden. Rotronic bietet diesen Service an. HygroClip2-Fühler werden gemäss den internationalen Standards mit einem Volumenstrom von 10 l/min und 1 m/s bei 23 ±5 °C justiert. 

Die Genauigkeit liegt dabei je nach Produkt und Justierprofil zwischen ±0,5 %rF / 0,1 K und ±2,0 %rF / 0,3 K. Rotronic deklariert mit der Angabe der Genauigkeit die maximal zulässige Abweichung der HygroClip Fühler gegenüber der Rotronic SCS Referenz. Die Angabe der Genauigkeit gilt an den justierten Feuchte- und Temperatur- Werten. Ein validierter und permanent überwachter Prozess garantiert, dass alle HygroClip Fühler im Herstellungsprozess gegenüber den verwendeten Rotronic Referenzen bestehen. Zusätzlich werden aus jedem Produktionslos Prüflinge auf ihre Genauigkeit gegenüber SCS geprüft.

GENAUIGKEIT DER FEUCHTE ÜBER DEN GESAMTEN BETRIEBSBEREICH

HygroClip2 Industrie Fühler
HC2-IC / HC2-IM/ HC2-IE / XD-Industrial

HygroClip2 Fühler
HC2-S(3) / HC2-SM / XD
HC2-HK / HC2-C / HC2-P / HC2-HP / HC2-HS

Dauerbelastung
Rotronic HygroClip2 Industriefühler sind für Dauerbelastungen von bis zu 170 °C ausgelegt.
Rotronic Standardfühler bis zu 100 °C.
 
Genauigkeit der HC2-Fühler - Feuchte
1 Kurzzeitige Spitzenbelastung:
Die Rotronic-Fühler erlauben eine Spitzenbelastung von 3x5 Minuten bei 200 °C, ohne dauerhafte Beschädigung des Fühlers. Die Zeit zwischen den Spitzenbelastungen hat dabei keinen Einfluss. Längere Spitzenbelastungen resultieren in einer verstärkten Sensordrift von bis zu 3 %rF über 25 Stunden.


GENAUIGKEIT DER TEMPERATUR ÜBER DEN GESAMTEN BETRIEBSBEREICH

HygroClip2 Industrie Fühler
HC2-IC / HC2-IM/ HC2-IE / XD-Industrial

HygroClip2 Fühler
HC2-S(3) / HC2-SM / XD
HC2-HK / HC2-C / HC2-P / HC2-HP / HC2-HS
 
Genauigkeit der HC2-Fühler - Temperatur

Die Rotronic Feuchte-Sensoren können von einigen Gasen und Schadstoffen beschädigt werden. Die Schadstoffe lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Gase ohne Einfluss und Gase mit Einfluss auf den Feuchte-Sensor.
Für Schadstoffe mit Einfluss auf den Sensor und somit mit Einfluss auf das Messresultat bedarf es einer Angabe der maximalen Dauerbelastung (siehe Tabelle).

SCHADSTOFFE MIT EINFLUSS

Schadstoffe mit Einfluss


SCHADSTOFFE OHNE EINFLUSS

Speziell ist zu beachten, dass das gängige Dichtungsmaterial Silikon dem Sensor schadet! Wenn Fühler eingebaut werden, darf kein Silikon verwendet werden!
  
Schadstoffe ohne Einfluss

Was ist Durchfluss?

Was ist Feuchte? ROTRONIC beschäftigt sich mittlerweile seit nun schon fast 50 Jahren mit dem Thema Feuchte, wodurch nicht nur das Know-how, sondern auch das Know-what und das Know-why stetig wuchsen. Es ist nun an der Zeit dieses Wissen Stück für Stück weiterzugeben. Die von ROTRONIC USA verfasste Feuchte Akademieist genau der richtige Weg, diese Kenntnisse zu erlangen. Angefangen mit dem ersten Teil rund um die Theorie, werden in den nächsten Wochen Kapitel für Kapitel dafür sorgen Licht ins Dunkle oder in unseren Worten Feuchte in die Trockenheit zu bringen.
 

WAS IST FEUCHTE?

Feuchte wird definiert als ein Mass für den Wasserdampfgehalt der Luft (oder eines anderen Gases). Der Begriff „Feuchte“ ist ein allgemeiner Begriff, der die Wasserdampfmenge im Gas bezeichnet. Der Begriff „Feuchte“ ist häufig synonym für „relative Feuchte“, im Zusammenhang mit präzisen Messungen besteht jedoch ein signifikanter Unterschied zwischen diesen beiden Begriffen. In diesem Kapitel wird erläutert, warum der Unterschied zwischen diesen beiden Begriffen für Menschen von Bedeutung ist, die im Bereich der Messung von Wasserdampf in einer sensiblen Umgebung tätig sind. Zudem werden die Begriffe und Definitionen erklärt, die zur Quantifizierung der Wasserdampfmenge in Gas verwendet werden. Bei der Sicherung der Qualität und Effizienz von Produkten, die unseren Alltag verbessern, spielt Wasserdampf eine kritische Rolle, denn die Verbraucher vertrauen darauf, dass diese Produkte den Spezifikationen entsprechend hergestellt werden. Für die Hersteller in einer Vielzahl von Branchen ist es unerlässlich zu verstehen, wie die präzise Feuchtemessung funktioniert und welche Rolle ihr Messgerät dabei spielt.
 

DIE BEDEUTUNG DER PRÄZISION

Feuchte wird mit einem Hygrometer gemessen, einem Gerät, das verschiedene Materialien und Messdaten verwendet, um den Wasserdampfgehalt eines Raums oder einer Fläche zu bestimmen. Obwohl keine wissenschaftlichen Messungen absolut exakt sind, ist der Erhalt möglichst präziser Feuchtemesswerte in vielen Branchen von entscheidender Bedeutung. Da Wasserdampf ab einer bestimmten Konzentration zu Kondensation und schliesslich zu Korrosion oder Schimmel führen kann, sind äussert präzise Feuchtemesswerte von entscheidender Bedeutung, um die Zerstörung von Holzbaustoffen, Nahrungsmitteln, Arzneimitteln, Kraftstoffen, Papier, elektronischen Bauteilen und vielen anderen Materialien zu verhindern. Feuchtemessungen tragen dazu bei, optimale Umgebungsbedingungen für Produkte aufrecht zu erhalten und kostspielige Schäden an wertvollen Gütern zu vermeiden.
 

TECHNISCHE INFORMATIONEN

In diesem Kapitel werden wir die physikalischen Gesetzmässigkeiten erläutern, die die relative Feuchte bestimmen. In einem Temperaturbereich zwischen -50 und 150 °C und bei einem Druck von maximal 1000 kPa verhält sich Wasserdampf praktisch wie ein ideales Gas. Anhand von Beispielen werden wir den Einfluss von Temperatur und Druck auf die relative Feuchte illustrieren und erklären, wie relative Feuchte in Taupunkt und absolute Feuchte umgerechnet wird. Zunächst wollen wir mit einem Überblick über die allgemeinen Eigenschaften von Wasserdampf in einem feuchten Gas auf die Grundlagen eingehen.
 

EIGENSCHAFTEN VON WASSERDAMPF IN EINEM FEUCHTEN GAS

Verdampfung

Wenn sich ein Wassermolekül von einer Fläche löst und gasförmig wird, verdampft es. Durch Absorption oder die Freisetzung von kinetischer Energie geht es vom flüssigen Zustand in den Dampfzustand über. Flüssiges Wasser, das zu Wasserdampf wird, nimmt einen Teil der enthaltenen Wärme mit: Dieser Prozess wird als Verdunstungskühlung bezeichnet. Verdunstungskühlung ist die Verringerung der Lufttemperatur durch die Verdunstung einer Flüssigkeit, die der Oberfläche, auf der die Verdunstung stattfindet, Wärme entzieht. Die bei der Verdunstungskühlung entzogene Wärme wird als „latente Wärme“ bezeichnet. Die Verdunstungskühlung wird durch die atmosphärischen Bedingungen eingeschränkt. Der Verdunstungsprozess verbraucht mehr Wärme, wenn die Luft sehr heiss und trocken ist. Dadurch wird der Kühleffekt im Vergleich zur Verdunstungskühlung in heisser und feuchter Luft deutlich ausgeprägter.
 

Kondensation

Die Umwandlung von Wasserdampf in eine Flüssigkeit wird als Kondensation bezeichnet. Wasserdampf kondensiert nur dann auf einer Fläche, wenn die Fläche kühler ist als die Taupunkttemperatur oder wenn das Dampfdruckgleichgewicht in der Luft überschritten wurde. Wenn Wasserdampf auf einer Fläche kondensiert, kommt es zu einer deutlichen Erwärmung. Das Wassermolekül setzt Wärme frei und die Umgebungstemperatur steigt daher leicht an.

Was ist Durchfluss?


Ein „Verdampfungskühler“ klimatisiert die Luft durch die Verdunstung von Wasser. Diese funktionieren in trockenem Klima wie z.B. in Denver oder Phoenix gut, nicht jedoch in Houston oder Boston, wo die Luft mehr Feuchte enthält.
 

Chemische Reaktionen

Bei vielen chemischen Reaktionen entsteht Wasser. Verläuft die Reaktion bei einer Temperatur über dem Taupunkt der Umgebungsluft, bildet sich das Wasser in Form von Dampf und der Wasserdampfanteil im Gas erhöht sich. Verläuft die Reaktion bei einer Temperatur unter dem Taupunkt, kommt es zur Kondensation und der Wasserdampf tritt aus dem Gas aus. Andere chemische Reaktionen erfolgen in Anwesenheit von Wasserdampf, wobei neue Chemikalien gebildet werden, wie z.B. Rost auf Eisen oder Stahl. Nach den Grundlagen zum Thema Feuchte geht das zweite Kapitel der Feuchte Akademie genauer auf die Begriffe relative Feuchte, Druck und Temperatur ein. Falls du nicht weisst wer dieser berühmte italienische Physiker und Chemiker ist, dann solltest du unbedingt weiterlesen.

Was ist Durchfluss?
Relative Feuchte, Druck und Temperatur

Betrachtet man die physikalischen Gesetzmässigkeiten in Bezug auf Wasserdampf in einem feuchten Gas, wird man die Eigenschaften des gemessenen Objekts besser verstehen. Das Verständnis dieser Eigenschaften wird dazu beitragen, präzisere Messungen durchzuführen und bessere Arbeit zu leisten, ganz gleich, ob es sich um den Schutz eines Produkts vor Korrosion oder um die Aufrechterhaltung einer exakt definierten Umgebung für die Lagerung oder Herstellung handelt.
 

FEUCHTE UND PHYSIKALISCHE GESETZMÄSSIGKEITEN

Abhängigkeit von Druck und Temperatur: Die folgenden Gesetze idealer Gase werden uns dabei helfen zu verstehen, wie sich der Feuchtegehalt in Abhängigkeit von der Umgebung verändert.

Bezeichnung Definition Gesetz Bemerkungen

Boyle’schesGesetz

Bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus Volumen und Druck einer gegebenen Gasmenge eine Konstante.

P x V = konstant

Der Wert der Konstanten hängt davon ab, wie viel Gas sich in dem Volumen befindet.

Standardtemperatur und Druck (STP) werden auf eine Temperatur von 0°C, 32°F und einen Druck von 101,3 kPa bei einer Atmosphäre eingestellt.
 

Bezeichnung Definition Gesetz Bemerkungen

Gesetz vonCharles

Bei konstantem Druck ist das Volumen einer gegebenen Gasmenge proportional zur absoluten Temperatur (°K).Oder bei konstantem Volumen ist der Druck einer gegebenen Gasmenge proportional zur absoluten Temperatur (°K).

V= q x T OderP= j x T

q ist eine Proportionalitätskonstante, die von der Gasmenge abhängig ist.j ist eine Proportionalitätskonstante, die von der jeweiligen Gasprobe und ihrem Volumen abhängig ist. Um die Temperatur in °C in die absolute Temperatur in °K umzurechnen, wird die Konstante 273,15 addiert.

Dalton’sches Gesetz der Partialdrücke

Der Gesamtdruck eines Gasgemischs ist gleich der Summe der Drücke, die jedes Gas ausüben würde, wenn es allein vorhanden wäre.

Pt = P1+ P2+ P3+...

P1, P2 etc. sind die Partialdrücke der Gase 1, 2 etc.
 

Hypothese vonAvogadro

Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck enthalten gleiche Gasvolumina die gleiche Anzahl an Molekülen.

Beispiel: Ein Liter eines idealen Gases mit einer Temperatur von 0 °C und einem Druck von 101,3 kPa enthält 2,688 x 1022 Moleküle.

Die Temperatur von 0 °C und der Druck von 101,3 kPa entsprechen den Standardtemperatur- und Druckbedingungen oder STP.

Es wurde experimentell ermittelt, dass die Anzahl an Atomen in 12 Gramm 12C 6,022 x 1023beträgt. Diese Zahl wird als Avogadro-Zahl bezeichnet.
 

Bezeichnung Definition Gesetz Bemerkungen

Volumen eines Mols Gas bei Standardtemperatur und -druck (STP)

Da ein Liter Gas bei STP 2,688 x 1022Moleküle (oder Atome im Fall eines einatomigen Gases) enthält, folgt daraus, dass ein Mol Gas (6,022 x 1023 Moleküle) bei STP ein Volumen von 22,4 l einnimmt.

 

Siehe nachstehende Definitionen für Mol und Avogadro-Zahl.

Allgemeine Gasgleichung

Das Produkt aus Volumen und Druck einer gegebenen Gasmenge ist proportional zur absoluten Temperatur.

P x V = n x R x T

n ist die Anzahl an Mol im Gas, R ist die molare Gaskonstante. Die Konstante R ist gleich:0,08206 atm x Liter/°K x Mol 8,30928 Pa x m3/K x Mol

 

STOFFMENGENANTEIL UND PARTIALDRUCK

Die Zusammensetzung von einem Mol eines Gasgemischs kann als Stoffmengenanteil seiner Komponenten ausgedrückt werden. Der Stoffmengenanteil einer bestimmten Komponente ist definiert als die Gesamtanzahl an Mol dieser Komponente, dividiert durch die Mol-Gesamtanzahl aller Komponenten. Aus dieser Definition folgt, dass die Summe aller Stoffmengenanteile gleich eins ist. Ein Mol eines beliebigen Elements ist definiert als die Menge dieses Elements, die die gleiche Anzahl an Molekülen (oder Atomen im Fall eines einatomigen Elements) enthält wie exakt 12 g 12C (Kohlenstoff 12). Beispiel: Trockene Luft auf Meereshöhe

  1. Stickstoff: Stoffmengenanteil: 0,78084
  2. Sauerstoff: Stoffmengenanteil: 0,20948
  3. Kohlendioxid: Stoffmengenanteil: 0,0004

Wenn Pt der Gesamtdruck eines Gasgemischs und n1, n2 etc. die Stoffmengenanteile seiner Komponenten sind, folgt daraus, dass: Pt= Pt x (n1+ n2 + ...) und Pt= Pt x n1+ Pt x n2 + ... wobei Pt x n1, Pt x n2, etc. die Partialdrücke der Komponenten 1, 2 etc. sind. Die vorstehende Gleichung ist eine andere Form des Dalton‘schen Gesetzes. Wasserdampf ist eines von mehreren Gasen, aus denen sich Luft zusammensetzt. Der Gesamtdruck eines Systems wie Luft auf Meereshöhe beträgt beispielsweise 1.013 kPa  (oder 29,9 Zoll Quecksilber), und diese Luft besteht aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und anderen Spurengasen, wobei jedes dieser Gase zum Gesamtdruck von 1.013 kPa beiträgt. Der Anteil von Wasserdampf wird als Partialdruck des Wasserdampfs bezeichnet. Der Partialdruck von Wasserdampf ist ein Schlüsselwert, der als Bestandteil in den Formeln zu finden ist, die alle anderen Feuchte- Parameter definieren. Dem Dalton‘schen Gesetz zufolge ist der Gesamtdruck eines Gasgemischs gleich der Summe der Partialdrücke jeder Komponente. Dies bedeutet, dass der Partialdruck einer Komponente gleich dem Produkt aus dem Gesamtdruck und dem Stoffmengenanteil der Komponente ist.
 

AUSWIRKUNG EINER DRUCKÄNDERUNG

Eine Änderung des Gesamtdrucks eines Gasgemischs mit konstanter Zusammensetzung hat daher die gleiche Änderung des Partialdrucks jeder Komponente zur Folge. Verdoppelt man beispielsweise den Gesamtdruck eines Gasgemischs, verdoppelt sich auch der Partialdruck jeder einzelnen Komponente. Wenn der Gesamtdruck ansteigt, erhöht sich der Partialdruck von Wasserdampf proportional. Es ist sehr wichtig, diese Tatsache zu verstehen, wenn wir relative Feuchte und Taupunkttemperatur definieren. Bei einer Druckerhöhung in einem geschlossenen System erhöhen sich auch die relative Feuchte und die Taupunkttemperatur, bis die  Sättigung erreicht ist.
 

DAMPFDRUCK ÜBER EINER FLÜSSIGKEIT

Da die Moleküle in einer Flüssigkeit dichter aneinander liegen als in einem Gas, sind die intermolekularen Kräfte stärker als im Gas. Damit eine Flüssigkeit verdampft, müssen die intermolekularen Kräfte die kinetische Energie der Moleküle überwinden.
Gibt man eine Flüssigkeit in einen geschlossenen Behälter, können die Partikel, die in die Dampfphase eintreten, nicht entweichen. Bei ihrer zufälligen Bewegung treffen die Partikel auf die Flüssigkeit und werden erneut von den intermolekularen Kräften angezogen. Somit treten beide Prozesse gleichzeitig auf: Verdunstung und Kondensation.

Die Verdunstungsgeschwindigkeit steigt mit steigender Temperatur. Dies ist der Fall, weil eine Erhöhung der Temperatur einem Anstieg der kinetischen Energie der Moleküle entspricht. Gleichzeitig erhöht sich die Kondensationsgeschwindigkeit, da die Anzahl an Partikeln in der Dampfphase zunimmt: Es treffen mehr Moleküle auf die Oberfläche der Flüssigkeit. Sobald diese beiden Prozesse im Gleichgewicht sind, stabilisiert sich die Anzahl an Partikeln und somit auch der Druck in der Dampfphase.
Der Wert des Dampfdruckgleichgewichts ist von den Anziehungskräften zwischen den Flüssigkeitspartikeln und der Temperatur der Flüssigkeit abhängig. Der Dampfdruck über einer Flüssigkeit steigt mit zunehmender Temperatur.

Wasserdampfdruck

WASSERDAMPFDRUCK

Der Dampfdruck von Wasser steigt mit zunehmender Temperatur erheblich an.
 

DAMPFDRUCK ÜBER EIS

Wenn Wasser gefriert, nehmen die Moleküle eine Struktur ein, die eine möglichst grosse Anzahl an Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen ermöglicht. Da diese Struktur grosse hexagonale Löcher aufweist, ist Eis offener  und weniger dicht als flüssiges Wasser. Da Wasserstoffbrücken in Eis stärker sind als in flüssigem Wasser, sind die intermolekularen Anziehungskräfte in Eis am höchsten. Daher ist der Dampfdruck über Eis geringer als der Dampfdruck über flüssigem Wasser.

Wasserdampfdruck

DEFINITIONEN VON FEUCHTE

Wasserdampfdichte (Absolute Feuchte)

Die Wasserdampfdichte oder absolute Feuchte eines Gemischs aus Wasserdampf und trockener Luft ist definiert als das Verhältnis der Wasserdampf- Masse Mw zu dem von diesem Gemisch eingenommenen Volumen V. Dv = Mw / V, ausgedrückt in Gramm/m3 oder in Grains/ft³ // Der Wert für Dv lässt sich aus der Gleichung PV = nRT ableiten.

Dampfdruck über Eis

Mw = nw x mw, wobei // nw = Anzahl an Mol Wasserdampf im Volumen V // mw = Molekülmasse von Wasser // Dv = Mw / V = nw x mv / V = mw x p / RT, wobei mw = 18,016 Gramm // p = Partialdruck von Wasserdampf [Pa] // R = 8,31436 Pa x m3 / K x Mol // T = Temperatur des Gasgemischs in K // Dv = p / 0,4615 x T [g / m3] // 1 gr (Grain) = 0,0648 g (Gramm) // 1 ft³ = 0,0283168 m3 // Dv [gr / ft³] = 0,437 x Dv [g / m3]

Dampfdruck über Eis
Wasserdampfgehalt

Der Wasserdampfgehalt ist das Verhältnis zwischen der Wasserdampfmasse Mw und der Masse der feuchten Luft (Mw + Ma). Q = Mw / (Mw + Ma) // Q = p mw / (p mw + (Pb – p) ma) // Q = 1000 p / (1,6078 Pb – 0,6078 p) [g / kg] // 1 gr (Grain) = 0,0648 g (Gramm) // 1 lb = 0,4535923 kg // Q [gr / lb] = 7 x Q [g / kg]
 

Mischungsverhältnis

Das Mischungsverhältnis r der feuchten Luft ist das Verhältnis zwischen der Wasserdampfmasse Mw und der Masse der trockenen Luft Ma, der der Wasserdampf zugeordnet ist: r = Mw / Ma // Mw = nw x mw = mw x p V / RT // Ma = na x ma = ma x pa V / RT = ma x (Pb – p) V / RT, wobei: nw = Anzahl an Mol Wasserdampf im Volumen V // na = Anzahl an Mol trockener Luft im Volumen V // mw = 18,016 Gramm // ma = 28,966 Gramm // p = Partialdruck von Wasserdampf [Pa] // pa = Partialdruck von trockener Luft [Pa] // Pb = Gesamt- oder barometrischer Druck [Pa] // R = 8,31436 Pa x m3 / K x Mol // T = Temperatur des Gasgemischs in K // V = Von dem Luft-Wasserdampfgemisch eingenommenes Volumen // r = mw p / ma (Pb – p) // r = 621,97 x p / (Pb – p) [g / kg] // 1 gr (Grain) = 0,0648 g (Gramm) // 1 lb = 0,4535923 kg // r [gr / lb] = 7 x r [g / kg]

Dampfdruck über Eis

r = Mw/Ma

Volumen-Mischungsverhältnis

Das Volumen-Mischungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Anzahl an Mol Wasserdampf nw und der Anzahl an Mol trockener Luft na, der dem Wasserdampf zugeordnet ist. Dies wird üblicherweise in Teilchen pro Million (ppm) ausgedrückt.
PPMv = 106 x nw / na // nw = p V / RT // na = pa V / RT = ma x (Pb – p) V / RT, wobei: p = Partialdruck von Wasserdampf [Pa] // pa = Partialdruck von trockener Luft [Pa] // Pb = Gesamt- oder barometrischer Druck [Pa] // R = 8,31436 Pa x m3 / K x Mol // T = Temperatur des Gasgemischs in K // V = Von dem Luft-Wasserdampfgemisch eingenommenes Volumen //PPMv = 106 x p / (Pb – p)
 

RELATIVE FEUCHTE

Die relative Feuchte ist das Verhältnis zweier Drücke:%rF = 100 x p/ps, wobei p der tatsächliche Partialdruck des in der Umgebung vorhandenen Wasserdampfs und ps der Sättigungsdruck des Wassers bei Umgebungstemperatur ist. Sensoren für relative Luftfeuchte werden normalerweise bei normaler Raumtemperatur (deutlich über dem Gefrierpunkt) kalibriert. Daher wird allgemein akzeptiert, dass diese Art von Sensoren die relative Feuchte in Bezug auf Wasser bei allen Temperaturen (auch unter dem Gefrierpunkt) anzeigen. Wie bereits erläutert, ist der Dampfdruck über Eis geringer als über flüssigem Wasser. Ist Eis vorhanden, tritt die Sättigung daher bei einer relativen Feuchte unter 100 % ein. So entspricht beispielsweise ein Feuchtewert von 75 %rF bei einer Temperatur von -30°C der Sättigung über Eis.

Verhältnisse

 

TAUPUNKT UND FROSTPUNKT-TEMPERATUR

Die Taupunkttemperatur von feuchter Luft bei der Temperatur T, dem Druck Pb und dem Mischungsverhältnis r ist die Temperatur, auf die die Luft gekühlt werden muss, um in Bezug auf (flüssiges) Wasser gesättigt zu sein. Die Frostpunkttemperatur von feuchter Luft bei der Temperatur T, dem Druck Pb und dem Mischungsverhältnis r ist die Temperatur, auf die die Luft gekühlt werden muss, um in Bezug auf Eis gesättigt zu sein.
 

Nasskugeltemperatur

Die Nasskugeltemperatur von feuchter Luft beim Druck Pb, der Temperatur T und dem Mischungsverhältnis r ist die Temperatur, die die Luft annimmt, wenn Wasser schrittweise in kleinsten Mengen bei aktueller Temperatur zugeführt wird und in einem adiabatischen Prozess bei konstantem Druck in die Luft verdunstet, bis die Sättigung erreicht ist.
 

AUSWIRKUNG VON TEMPERATUR UND GESAMTDRUCK AUF DEN DAMPFDRUCK

Ein häufiger Fehler bei Feuchtemessungen besteht darin, nicht zwischen den Auswirkungen von Temperatur und Druck auf den Wasserdampf zu unterscheiden. Bei der Berücksichtigung der Auswirkungen von Temperatur, Druck und Raum auf den Partialdruck von Dampf ist auf jeden Fall zwischen folgenden Situationen zu unterscheiden:

  • Sättigung (Flüssigkeit oder Eis) bzw. keine Sättigung (nur Dampf)
  • Geschlossener Behälter oder festes Volumen bzw. offener Raum
     
Sättigung

Der Partialdruck von Dampf entspricht dem Sättigungsdruck und sein Wert ist nur von der Temperatur abhängig. Es besteht kein Unterschied zwischen der Situation in einer offenen Umgebung und in einem geschlossenen Behälter.
 

Keine Sättigung

Wasserdampf verhält sich fast wie ein ideales Gas, und die folgende Gleichung gilt für den Partialdruck von Dampf: p x V = n x R x T
In einem offenen Raum kann sich das von dem Dampf eingenommene Volumen V frei ausdehnen. Daher wird der Partialdruck p nicht von der Temperatur beeinflusst. Der Partialdruck p ändert sich nur, wenn n variiert (Dampf zugeführt oder abgeleitet wird) oder sich der Gesamtdruck ändert (Daltonsches Gesetz der Partialdrücke). So fällt der Gesamtdruck beispielsweise bei zunehmender Höhe, was eine Abnahme des Dampfpartialdrucks zur Folge hat.
 

Dalton‘sches Gesetz

In einem geschlossenen Behälter mit festgelegtem Volumen nimmt der Dampf das gesamte Behältervolumen ein, und dieses Volumen ist konstant. Der Wasserdampf-Partialdruck (p) variiert nur dann, wenn eine Änderung der absoluten Temperatur (Grad K) oder eine Änderung der Wasserdampfmenge p auftritt. Der Partialdruck p ändert sich bei einer Änderung des Gesamtdrucks nicht, es sei denn, die Änderung des Gesamtdrucks ist auf eine Änderung des Wasserdampf-Partialdrucks p zurückzuführen.
 

AUSWIRKUNG VON TEMPERATUR UND DRUCK AUF % RF

Der Sättigungsdampfdruck ist ausschliesslich von der Temperatur abhängig. Es gibt keine Auswirkung auf den Gesamtdruck, und es besteht kein Unterschied zwischen der Situation in einem offenen Raum und in einem geschlossenen Behälter.
In einem offenen Raum ist %rF bei konstanter  Feuchte und Temperatur direkt proportional zum Gesamtdruck. Der Wert %rF ist jedoch auf 100 % begrenzt, da p nicht grösser sein kann als ps.
In einem geschlossenem Behälter mit festgelegtem Volumensinkt %rF mit steigender Temperatur, jedoch nicht so stark wie in einem offenen Raum.
 

BEISPIELE
Verhältnisse
(A) Bürogebäude

Unter praktischen Gesichtspunkten kann ein Bürogebäude als offene Umgebung betrachtet werden. Eine lokale Temperaturerhöhung, beispielsweise durch einen Heizkörper oder ein Bürogerät, ändert den Wert des Wasserdampf-Partialdrucks nicht, daher ist der lokale Dampfdruck innerhalb des gesamten Gebäudes gleich. Der Sättigungsdampfdruck erhöht sich jedoch lokal. Daher sinkt die relative Feuchte in unmittelbarer Umgebung der Wärmequelle. Nehmen wir an, die Temperatur liegt an anderer Stelle im Gebäude bei 25°C und die relative Feuchte bei 50 %, dann senkt eine lokale Temperaturerhöhung auf 30°C die relative Feuchte wie folgt: ps bei 25°C = 3,17 kPa // ps bei 30°C = 4,24 kPa // p = 0,5 x 3,17 kPa = 1,585 kPa, entsprechend 50 %rF // Lokale %rF = 100 x 1,585/4,24 = 37,4 %
 

(B) Tau auf einem gekühlten Spiegel

Wird die Temperatur eines Spiegels exakt auf den Wert gesenkt, bei dem Tau auf der Oberfläche entsteht, wird der Wert der Spiegeltemperatur als Taupunkt bezeichnet. In Bezug auf das vorhergehende Beispiel kann der Taupunkt, der dem Zustand von 50 %rF und 25°C entspricht, wie folgt ermittelt werden: ps bei 25°C = 3,17 kPa // p = 0,5 x 3,17 kPa = 1,585 kPa, entsprechend 50 % rF // Besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Tau auf dem Spiegel und der Umgebung, folgt daraus, dass ps bei der Temperatur des gekühlten Spiegels gleich dem Dampfdruck p sein muss. Basierend auf einer einfachen Interpolation der Werte aus den Sättigungsdampftabellen stellen wir fest, dass ein Wert für ps von 1,585 kPa einer Temperatur von 13,8°C entspricht. Diese Temperatur ist der Taupunkt. Das vorstehende Beispiel zeigt, dass man zur Umrechnung der relativen Feuchte in den Taupunkt und umgekehrt ein Thermometer sowie Sättigungsdampftabellen benötigt.
 

(C) Kompression in einer geschlossenen Kammer

Wird der Gesamtdruck innerhalb einer geschlossenen Kammer von einer auf anderthalb Atmosphären erhöht, während die Temperatur konstant bleibt, steigt der Wasserdampf-Partialdruck um das 1,5-fache. Da die Temperatur gleich bleibt, ist auch der Sättigungsdruck ps konstant. Nehmen wir an, dass vor der Kompression 50 %rF und 25°C herrschten, dann liegen die Werte hinterher bei 75 %rF und 25°C.
 

(D) Injektion von trockenem Gas in eine geschlossene Kammer

Wird trockener Stickstoff in eine geschlossene Kammer injiziert, in der sich bereits Luft mit 50 %rF befindet und die Temperatur konstant gehalten wird, steigt der Gesamtdruck in der Kammer. Der Wasserdampf-Partialdruck p bleibt jedoch konstant, da der Stoffmengenanteil des Wasserdampfs in der Kammer um den Anteil abnimmt, der die Erhöhung des Gesamtdrucks exakt ausgleicht (siehe Daltonsches Gesetz). Da die Temperatur konstant gehalten wird, bleibt auch der Sättigungsdampfdruk ps unverändert. Die relative Feuchte bleibt daher trotz der Tatsache, dass ein trockenes Gas in die Kammer injiziert wurde, bei 50 %.
 

FAUSTREGEL FÜR DIE RELATIVE FEUCHTE IN ANWENDUNGEN MIT FEUCHTER LUFT

Erinnern Sie sich, das %rF = p/ps x 100

  1. Wenn die Temperatur eines Systems ansteigt, erhöht sich die relative Feuchte, da ps ansteigt, während p gleich bleibt. Wenn die Temperatur eines Systems ansteigt, erhöht sich auch die relative Feuchte, da ps abnimmt, während p gleich bleibt. Wenn die Temperatur sinkt, erreicht das System schliesslich die Sättigung, wobei p = ps und Lufttemperatur = Taupunkttemperatur.
  2. Wenn der Gesamtdruck eines Systems sinkt, verringert sich auch die relative Feuchte, da p abnimmt, während ps gleich bleibt, weil sich die Temperatur nicht geändert hat. Wenn sich der Gesamtdruck eines Systems erhöht, nimmt auch die relative Feuchte zu, bis schliesslich die Sättigung erreicht ist.