濕空氣的物理性質(zhì)及其焓濕

1/31第一章濕空氣的物理性質(zhì)及其焓濕圖§1.1濕空氣的物理性質(zhì)空氣調(diào)節(jié)的任務(wù)：創(chuàng)造一個(gè)適合不同要求的空氣環(huán)境，濕空氣是空調(diào)的基本工質(zhì)，也是構(gòu)成環(huán)境的主體?？諝庹{(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)就是講空氣前后的狀態(tài)發(fā)生一定的改變，這必定首先要了解其物理性質(zhì)。一、基本概念（一）濕空氣的組成濕空氣＝干空氣+水蒸氣濕空氣：平時(shí)人們常說的空氣。⑴干空氣：N2、O2、CO2和其他惰性氣體。除了CO2外，其他氣體的含量是非常穩(wěn)定的，但CO2的含量非常小，他的含量變化對(duì)干空氣的性質(zhì)影響可以忽略。所以允許將干空氣作為一個(gè)整體考慮。⑵水蒸氣：來源于地球上的海洋、湖泊表面水分蒸發(fā)，隨著氣候地區(qū)條件而變化。壓力很低，一般只有幾百Pa，水蒸氣量很少，但他的變化卻能引起干、濕度的變化，對(duì)人體的舒適感，產(chǎn)品質(zhì)量，工藝過程、設(shè)備維護(hù)等有直接影響。（二）理想氣體狀態(tài)方程它是用來描述理想氣體狀態(tài)（P、V、T）變化規(guī)律的方程。干空氣：常溫常壓下的氣體一般均可看作理想氣體；理想氣體：假定該氣體分子是不占有空間的質(zhì)點(diǎn)，分子間沒有相互作用力。水蒸汽：分壓力低，含量少，比容很大，且處于過熱，亦可看作理想氣體。（水蒸氣只有在特定條件下,如在壓力很低、密度很小并遠(yuǎn)離飽和線的過熱狀態(tài)下,才接近于理想氣體;而在其它大部分過熱狀態(tài)或飽和狀態(tài)下,都不能應(yīng)用理想氣體的狀態(tài)方程式。）∴濕空氣遵循理想氣體狀態(tài)方程或（1）即：一定質(zhì)量的理想氣體的壓強(qiáng)、體積的乘積與熱力學(xué)溫度的比值是常數(shù)。:通用氣體常數(shù)，：氣體分子量（2）或（氣體常數(shù)）（3）或（4）（三）道爾頓分壓定律混合氣體的壓力＝各組成成分的分壓力之和濕空氣壓力B＝干空氣壓力+水蒸氣分壓力（5）標(biāo)壓：B＝101.325Pa二、濕空氣的狀態(tài)參數(shù)（一）壓力1、大氣壓力或濕空氣的壓力B大氣壓力不同，空氣的物理性質(zhì)也就不同，反映空氣物理性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)也要發(fā)生變化，因此空調(diào)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中，如果不考慮當(dāng)?shù)卮髿鈮旱拇笮?，就?huì)造成一定的誤差。標(biāo)壓：B＝101.325KPa，指北緯45°處海平面的全年平均大氣壓海拔高度↑，B↓同一海拔，不同季節(jié)，B也有±5％的波動(dòng)2、水蒸氣分壓力（1）水蒸氣分壓力水蒸氣單獨(dú)占有濕空氣的容積，并具有與濕空氣相同的溫度時(shí)，所產(chǎn)生的壓力稱之為水蒸氣分壓力。用表示（2）飽和水蒸氣分壓力壓力是由于氣體分子撞擊容器壁而產(chǎn)生的宏觀效果，因此水蒸氣分壓力的大小直接反映了水蒸氣含量的多少。水蒸氣含量越大，水蒸氣分壓力越大，當(dāng)濕空氣中的水蒸氣含量達(dá)到最大限度即飽和狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的水蒸氣分壓力稱為飽和水蒸氣分壓力，用表示，見附錄1-1，溫度越高，越大。（二）溫度絕對(duì)溫標(biāo)T，k表示方法有攝氏溫標(biāo)t，℃表示方法有華氏溫標(biāo)t，℉（三）密度（比容）濕空氣為干空氣和水蒸氣混合，兩者均勻混合，并占有相同的體積∴（6）濕空氣密度取決于，水蒸氣含量越大，濕空氣密度越小。因此濕空氣密度比干空氣密度小，通常標(biāo)況下B=101325Pa,t=20℃,干空氣密度＝1.205kg/m3，因此常取濕空氣密度＝1.2kg/m3。0（四）含濕量d（絕對(duì)含濕量）衡量濕空氣含有水蒸氣量多少的指標(biāo)定義：所含水蒸氣質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比，即含有1kg干空氣的濕空氣所含有的水蒸氣的量?；蛘叨x為濕空氣中與1kg干空氣同時(shí)并存的水蒸氣量。kg/kg（7）（8）用途：今后對(duì)空氣進(jìn)行加濕、減濕處理時(shí)，都是用含濕量來計(jì)算空氣中水蒸氣量的變化。（五）相對(duì)濕度表征濕空氣中含有水蒸氣量的間接指標(biāo)定義：濕空氣的水蒸氣分壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣壓力之比。（9）↓，空氣較為干燥，吸收水蒸氣的能力強(qiáng)∴有了相對(duì)濕度，我們又可得到含濕量的另一種表達(dá)式（10）關(guān)系：定性：：表示水蒸氣含量，不能反應(yīng)空氣吸濕能力——絕對(duì)量：表示空氣中水蒸氣接近飽和的程度，反映了吸收水蒸氣的能力——相對(duì)量定量：∵，很小，∴（這段根據(jù)課時(shí)酌情講）∴，有時(shí)又稱為飽和度，（11）實(shí)際上，∴（六）濕空氣的焓在空調(diào)工程中，空氣的狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，也經(jīng)常需要確定此狀態(tài)變化過程中的熱交換量，例如對(duì)空氣進(jìn)行加熱和冷卻時(shí)，常需要確定空氣吸收或放出多少熱量?？諝饨?jīng)過空氣處理設(shè)備處理前后均可視為定壓過程，空氣的熱量變化可用空氣狀態(tài)變化前后的焓值來表示，濕空氣的焓都是以1kg干空氣做為計(jì)算基礎(chǔ)的。對(duì)于含有1kg干空氣的濕空氣的焓濕空氣＝干空氣+水蒸氣（12）如何確定，？原則：0℃時(shí)干空氣的焓值與0℃水的焓值均為0，0℃時(shí)水蒸氣的焓值為2500kJ/kg定壓過程：（13）（14）具體計(jì)算如下，可酌情講解1、定壓過程：如何得來：根據(jù)能量方程式，在定壓過程中，0℃干空氣→t℃干空氣2、如何得來：0℃水蒸氣→t℃水蒸氣∴＝kJ/kg·干空氣（15）或＝kJ/kg·干空氣（16）或表示為kJ/kg·干空氣（17）由上式可以看出，是與溫度有關(guān)的熱量，稱之為顯熱是0℃時(shí)dkg水的氣化熱，與溫度無關(guān)，是與含濕量有關(guān)的熱量，稱為潛熱?！喈?dāng)濕空氣的溫度與含濕量升高時(shí)，焓值增大，但空氣溫度升高，而含濕量減少時(shí)，則濕空氣的焓值變化不一定。思考題：求t℃時(shí)水蒸汽的氣化潛熱解：t℃水→t℃水蒸氣∴§1.2濕空氣的物理性質(zhì)前面闡述的濕空氣的幾個(gè)狀態(tài)參數(shù)及其關(guān)系式,在空調(diào)工程通常要確定濕空氣的狀態(tài)參數(shù)及變化過程,我們可用上述的公式解答,但不夠直觀,為了避免繁瑣的公式計(jì)算，可以將上述參數(shù)用線算圖表示出來，在空調(diào)設(shè)計(jì)使用的是以焓為縱坐標(biāo)，含濕量為橫坐標(biāo)的焓濕圖,可以直觀的看出濕空氣的狀態(tài)變化,圖上的每個(gè)點(diǎn)都代表濕空氣的某一狀態(tài)。為了更好的運(yùn)用他，下面看看他的繪制過程。一、圖以i為縱坐標(biāo)，d為橫坐標(biāo)，構(gòu)成的平面圖，為了使圖面展開，線條清晰，兩坐標(biāo)軸之間的夾角由常用的90°，擴(kuò)展為大于或等于135°兩坐標(biāo)軸夾角，（坐標(biāo)軸夾角大小不會(huì)影響濕空氣狀態(tài)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只是改變了圖形的形狀和位置，目的使圖面展開，清晰）。為了避免圖面過長(zhǎng)，通常取一水平線畫在圖的上方，代替實(shí)際的d軸。在一定的大氣壓力下，將上述參數(shù)等關(guān)系反映在圖上，圖中由四組等值線組成。B不同，圖不同，附錄上的圖是B＝101325Pa得出的。等焓i線平行于原d坐標(biāo)的線為等焓線，流線上的每個(gè)點(diǎn)焓值相等，通過坐標(biāo)原點(diǎn)（t=0℃,d=0）等焓線值為i＝0，向上焓值為正，向下焓值為負(fù)，整個(gè)焓值是由下向上遞增。等含濕量d線平行于i坐標(biāo)的線為等d線，過O點(diǎn)與縱坐標(biāo)重合的線d＝0等溫t線如何確定？ 等溫線t相同，給定t值，a、b定，在圖上是直線?！鄑不同，b不同，斜率不同，相差1.84△∴t不同，b不同，斜率不同，相差1.84△t斜率為b＝2500+1.84t又∵1.84△t對(duì)于2500較小，斜率近似相等，等溫線近似平行的一組直線∴根據(jù)不同溫度t，在圖上畫出等溫線。t＝0℃，它是截距為0，通過原點(diǎn)O的一條斜率k＝2500的直線（四）水蒸氣分壓力線，＝每給定一個(gè)d值，就可以得到相應(yīng)的值（五）等線根據(jù)d，t確定值，繪出等線等線是一組發(fā)散形曲線，，是縱坐標(biāo)，是濕空氣飽和狀態(tài)線左上方：濕空氣區(qū)（水蒸氣處于過熱區(qū)，穩(wěn)定）右下方：水蒸氣處于過飽和狀態(tài)區(qū)（不穩(wěn)定，常有凝結(jié)現(xiàn)象，有霧區(qū)）（六）熱濕比線1、定義定義為：濕空氣的焓變化與濕量變化之比，又稱角系數(shù)。或圖右下角給出了線既然說是焓變化或濕量變化，則必有兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，假定有A、B兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，空氣由A狀態(tài)變化到B狀態(tài)∴代表濕空氣的狀態(tài)變化方向，即狀態(tài)A的空氣對(duì)其加入熱量，濕量之后，變成了狀態(tài)B，即對(duì)于空調(diào)工程來說，、即為空氣處理設(shè)備提供的熱量與濕量。熱濕比反應(yīng)了空氣從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程斜率，即該過程線與水平線的傾斜角度，因此又稱為角系數(shù)。只要熱濕比值相同，他們的過程線就一定平行。2、值分布等焓線與等含濕量線將圓周分為四部分區(qū)域，（1）O→A，（2）O→B，（3）O→C，（4）O→D，（5）等焓線：→, →, （6）等含濕量線：→, →這、、、將圖分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)象限。3、作用看例題，如何根據(jù)熱濕比線求出空氣的另一狀態(tài)法一：平行線法平行于焓濕圖給出的線標(biāo)尺平行移動(dòng)（作平行線），求B點(diǎn)法二：輔助點(diǎn)法這時(shí)過A點(diǎn)做＝1g/kg·干，＝5kJ/kg·干，交于點(diǎn)，點(diǎn)即輔助點(diǎn)，連接，則要求的B點(diǎn)必在線上。二、大氣壓力變化對(duì)圖的影響此圖是在B＝101325Pa劃出的，若B≠101325Pa，則圖將要發(fā)生一定的變化這里舉例相對(duì)濕度線隨大氣壓力變化圖。∵＝當(dāng)溫度t不變，即不變時(shí)，當(dāng)B↑，則d↓，則等線則要向左偏移。因此不同的大氣壓力，即應(yīng)該有不同的焓濕圖，但是大氣壓力相差不大時(shí)，所得結(jié)果誤差不大，因此工程上允許采用同一張焓濕圖。此外，焓濕圖上缺少密度這一參數(shù)，這是因?yàn)榭照{(diào)工程中，空氣的密度變化不大，通常取1.2kg/m3。從圖上可以看出，上述所講的參數(shù)，已知這四個(gè)參數(shù)任兩個(gè)可以確定空氣的某一狀態(tài)點(diǎn)。但不是獨(dú)立的參數(shù)。三、其他的線算圖反映濕空氣性質(zhì)的線算圖，除了前面介紹的焓濕圖之外，還有其他的圖，例如：焓濕圖：用焓和含濕量構(gòu)成的斜坐標(biāo)；溫濕圖：用溫度和含濕量構(gòu)成的直角坐標(biāo)；溫焓圖：用溫度和焓構(gòu)成的直角坐標(biāo)?！?.3濕空氣的物理性質(zhì)一、露點(diǎn)溫度（一）定義定義：A的露點(diǎn)溫度：等含濕量d不變時(shí)，空氣狀態(tài)點(diǎn)A達(dá)到飽和時(shí)的溫度。將飽和空氣冷卻，并且保持其含濕量不變，空氣的相對(duì)濕度將逐漸增大，溫度降低到時(shí)，空氣的相對(duì)濕度達(dá)到100％，如果再繼續(xù)冷卻，則空氣達(dá)到過飽和狀態(tài)，則會(huì)有凝結(jié)水出現(xiàn)。因此是空氣開始結(jié)露的臨界溫度。因此判斷是否結(jié)露主要看表面溫度與露點(diǎn)溫度的高低。當(dāng)，不會(huì)結(jié)露當(dāng)，會(huì)結(jié)露（二）作用1、利用露點(diǎn)溫度來判斷保溫材料選擇的是否合適1）檢驗(yàn)冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面是否結(jié)露；（冬季室外溫度低）2）夏季送風(fēng)管道和制冷設(shè)備保溫材料外表面是否結(jié)露；（夏季管道內(nèi)溫度低）2、利用低于露點(diǎn)溫度的水去噴淋熱濕空氣，或表面溫度低于露點(diǎn)溫度的表冷器去冷卻空氣，可以達(dá)到對(duì)空氣進(jìn)行冷卻減濕的處理。二、濕球溫度（一）定義BA定義：定壓絕熱條件下，空氣與水直接接觸達(dá)到穩(wěn)定熱濕平衡時(shí)的絕熱飽和溫度，稱濕球溫度BAt2＝tw假想有一個(gè)理想的絕熱加濕小室，盛有溫度為tw的水，濕空氣進(jìn)口的參數(shù)為，t1、d1、i1，經(jīng)過充分的熱濕交換之后，出口的參數(shù)為t2、d2、i2。此時(shí)，，t2＝tw，我們定義此時(shí)的t2t2＝tw（二）等濕球溫度線∵被絕熱加濕，以1kg干空氣的濕空氣為例：（1）液態(tài)水：kJ/kg（1）式化簡(jiǎn)：當(dāng)＝0℃，，等線與等焓線重合；當(dāng)≠0℃，，等線與等焓線不重合，較小，工程中可認(rèn)為重合。（三）作用濕球溫度也可作為圖上求空氣狀態(tài)的一個(gè)已知參數(shù).例題1-4：已知空氣的干、濕球溫度求該空氣的狀態(tài)參數(shù)。近似作圖：等濕球溫度線可以近似用等焓線代替作圖；準(zhǔn)確作圖：等濕球溫度線準(zhǔn)確的用來作圖。（四）濕球溫度的測(cè)量1、測(cè)量?jī)x器實(shí)際工程中常采用熱濕球溫度計(jì)測(cè)干球溫度t，濕球溫度ts，最常用的叫阿斯曼通風(fēng)式干濕球溫度計(jì)，也稱為吸風(fēng)式溫度計(jì)。旋緊通風(fēng)器發(fā)條，使葉輪旋轉(zhuǎn)，空氣以v＝1.7～3m/s速度流經(jīng)溫度計(jì)，保證熱濕交換充分，溫度t，ts成定值。流速較小時(shí)，熱濕交換不充分，試驗(yàn)表面只有流速大于2.5m/s才能準(zhǔn)確測(cè)出濕球溫度。其在工程中應(yīng)用較多，因?yàn)閐、i不易測(cè)量，只有p、t、ts易測(cè)量。2、測(cè)量原理阿斯曼通風(fēng)式干濕球溫度計(jì)的原理：當(dāng)空氣的相對(duì)濕度，濕紗布中的水要不斷的蒸發(fā)，吸收熱量1）若水溫高于空氣的溫度，則水蒸發(fā)要的熱量來自于水本身，水溫逐漸降低，低于空氣溫度，這時(shí)空氣將向水溫差傳熱，（隨著水蒸發(fā)不斷吸收水的熱量，水溫仍逐漸降低）且傳熱量隨著水與空氣的溫差增大而增大，當(dāng)空氣向水的溫差傳熱量與水蒸發(fā)到空氣中所需要的汽化潛熱相平衡時(shí)，水溫不再下降，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)的水溫稱為濕球溫度ts2）若水溫低于空氣溫度，則空氣要向水進(jìn)行溫差傳熱，水溫逐漸增大，水蒸發(fā)到空氣中要吸收一定的氣化潛熱，當(dāng)兩者相平衡時(shí)水溫不變，此時(shí)的水溫稱為濕球溫度。當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度較小，濕紗布上蒸發(fā)的水分多，則所需要的熱量增大，濕球水溫降的越多，干濕球溫度差越大。因此干濕球溫差反應(yīng)了該狀態(tài)空氣的相對(duì)濕度大小。3、理論分析關(guān)于濕球周圍熱量交換的平衡原理自學(xué)：空氣傳給濕球的熱量必等于濕球水蒸發(fā)所需要的熱量。1）濕球周圍空氣向球表面的溫差傳熱量（空氣傳給濕球的熱量）（2）：熱交換系數(shù)：濕球表面的水溫度2）水蒸發(fā)所需要的汽化潛熱量（3）：濕交換系數(shù)；：球表面水溫的飽和水蒸氣分壓力；：當(dāng)?shù)卮髿鈮?；：?biāo)準(zhǔn)大氣壓3）當(dāng)熱濕交換充分，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，（4）（5）此時(shí)濕球表面的水溫濕球溫度（對(duì)應(yīng)于濕球溫度下的飽和水蒸氣分壓力，換個(gè)表示符號(hào)）∴（6）這里，可取經(jīng)驗(yàn)值（7）4）分析：對(duì)于式（6），↓,越↑,即↑當(dāng)=0,，空氣達(dá)到飽和,∴干濕球溫度差反映了空氣相對(duì)濕度的大小。干濕球溫度差越小，相對(duì)濕度越大。§1.4焓濕圖的應(yīng)用圖可以直觀的表示濕空氣的變化過程一、濕空氣的狀態(tài)變化過程在圖上的表示（一）濕空氣的加熱過程（加熱器）濕空氣通過加熱器A→B：t↑，d不變；空氣實(shí)現(xiàn)的是等濕增焓升溫的過程。（二）濕空氣的干冷卻過程（表冷器）濕空氣通過表冷器時(shí)，若表冷器表面t＞空氣的，則濕空氣中水蒸氣不會(huì)凝結(jié)，即d不變，但被表冷器冷卻之后，t↓，焓值↓，空氣實(shí)現(xiàn)的是等濕減焓降溫的過程。（三）等焓減濕（固體吸濕劑）用固體吸濕劑處理空氣，濕空氣中的部分水蒸氣被吸附，d↓，潛熱↓，但得到的水蒸氣凝結(jié)在固體吸濕劑微孔表面，放出氣化潛熱，t↑，顯熱↑，焓值基本不變。還是略微減少了凝結(jié)水帶走的液體熱?？諝饨瓢吹褥蕼p濕過程變化。（四）等焓加濕過程（噴水室絕熱加濕）用噴水室噴循環(huán)水處理濕空氣，與空氣長(zhǎng)時(shí)間直接接觸，焓值基本不變。水吸收濕空氣中的顯熱而蒸發(fā)為水蒸氣，溫度t↓，顯熱量↓；焓值基本不變。蒸發(fā)的水蒸汽到空氣中，濕空氣d↑，潛熱↑。此過程又稱為等焓加濕過程，由于此過程與外界沒有熱量交換，因此又稱為絕熱加濕過程。實(shí)際該焓值略有增加，增加的是加到空氣中的那部分液體熱（五）向空氣中噴蒸汽噴水室噴水噴水室噴蒸汽，近似于等溫線，形成的偏角只有3～4°對(duì)于等溫線，對(duì)于等溫線，換句話說，噴水：水是吸收空氣中熱量變成蒸汽加濕，對(duì)空氣來說溫度t↓表現(xiàn)為等焓過程；噴蒸汽：水是外界熱源變成蒸汽再加濕，對(duì)空氣來說，溫度不變，表現(xiàn)為等溫過程。（六）冷卻干燥過程（濕冷）濕空氣與低于tl的表面接觸，或者噴冷水，濕空氣t↓，d↓（減濕冷卻過程）二、不同狀態(tài)的空氣的混合狀態(tài)在i-d圖上的確定前面講空氣從一個(gè)狀態(tài)變化為另一個(gè)狀態(tài)在i-d圖上表示，現(xiàn)在講兩個(gè)不同狀態(tài)空氣混合在i-d圖上表示，在空調(diào)工程中，經(jīng)常遇到新風(fēng)與回風(fēng)混合的問題，必須掌握假定有兩個(gè)空氣狀態(tài)A（質(zhì)量流量，，）和B（質(zhì)量流量，，）混合，混合后狀態(tài)是（質(zhì)量流量，，）質(zhì)量平衡：（1）熱平衡：（2）濕平衡：（3）（4）∴由可以得出兩個(gè)結(jié)論：①∴，在i-d圖上AC、CB斜率相同，C在AB線上，②（5）兩線段長(zhǎng)度與空氣質(zhì)量成反比，且混合點(diǎn)靠近質(zhì)量大的空氣狀態(tài)那一端，這就是混合規(guī)律。特