湿空气的物理性质及其焓湿

1/31第一章湿空气的物理性质及其焓湿图§1.1湿空气的物理性质空气调节的任务：创造一个适合不同要求的空气环境，湿空气是空调的基本工质，也是构成环境的主体。空气调节的结构就是讲空气前后的状态发生一定的改变，这必定首先要了解其物理性质。一、基本概念（一）湿空气的组成湿空气＝干空气+水蒸气湿空气：平时人们常说的空气。⑴干空气：N2、O2、CO2和其他惰性气体。除了CO2外，其他气体的含量是非常稳定的，但CO2的含量非常小，他的含量变化对干空气的性质影响可以忽略。所以允许将干空气作为一个整体考虑。⑵水蒸气：来源于地球上的海洋、湖泊表面水分蒸发，随着气候地区条件而变化。压力很低，一般只有几百Pa，水蒸气量很少，但他的变化却能引起干、湿度的变化，对人体的舒适感，产品质量，工艺过程、设备维护等有直接影响。（二）理想气体状态方程它是用来描述理想气体状态（P、V、T）变化规律的方程。干空气：常温常压下的气体一般均可看作理想气体；理想气体：假定该气体分子是不占有空间的质点，分子间没有相互作用力。水蒸汽：分压力低，含量少，比容很大，且处于过热，亦可看作理想气体。（水蒸气只有在特定条件下,如在压力很低、密度很小并远离饱和线的过热状态下,才接近于理想气体;而在其它大部分过热状态或饱和状态下,都不能应用理想气体的状态方程式。）∴湿空气遵循理想气体状态方程或（1）即：一定质量的理想气体的压强、体积的乘积与热力学温度的比值是常数。:通用气体常数，：气体分子量（2）或（气体常数）（3）或（4）（三）道尔顿分压定律混合气体的压力＝各组成成分的分压力之和湿空气压力B＝干空气压力+水蒸气分压力（5）标压：B＝101.325Pa二、湿空气的状态参数（一）压力1、大气压力或湿空气的压力B大气压力不同，空气的物理性质也就不同，反映空气物理性质的状态参数也要发生变化，因此空调的设计与运行中，如果不考虑当地大气压的大小，就会造成一定的误差。标压：B＝101.325KPa，指北纬45°处海平面的全年平均大气压海拔高度↑，B↓同一海拔，不同季节，B也有±5％的波动2、水蒸气分压力（1）水蒸气分压力水蒸气单独占有湿空气的容积，并具有与湿空气相同的温度时，所产生的压力称之为水蒸气分压力。用表示（2）饱和水蒸气分压力压力是由于气体分子撞击容器壁而产生的宏观效果，因此水蒸气分压力的大小直接反映了水蒸气含量的多少。水蒸气含量越大，水蒸气分压力越大，当湿空气中的水蒸气含量达到最大限度即饱和状态时，此时的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力，用表示，见附录1-1，温度越高，越大。（二）温度绝对温标T，k表示方法有摄氏温标t，℃表示方法有华氏温标t，℉（三）密度（比容）湿空气为干空气和水蒸气混合，两者均匀混合，并占有相同的体积∴（6）湿空气密度取决于，水蒸气含量越大，湿空气密度越小。因此湿空气密度比干空气密度小，通常标况下B=101325Pa,t=20℃,干空气密度＝1.205kg/m3，因此常取湿空气密度＝1.2kg/m3。0（四）含湿量d（绝对含湿量）衡量湿空气含有水蒸气量多少的指标定义：所含水蒸气质量与干空气质量之比，即含有1kg干空气的湿空气所含有的水蒸气的量。或者定义为湿空气中与1kg干空气同时并存的水蒸气量。kg/kg（7）（8）用途：今后对空气进行加湿、减湿处理时，都是用含湿量来计算空气中水蒸气量的变化。（五）相对湿度表征湿空气中含有水蒸气量的间接指标定义：湿空气的水蒸气分压力与同温度下饱和湿空气的水蒸气压力之比。（9）↓，空气较为干燥，吸收水蒸气的能力强∴有了相对湿度，我们又可得到含湿量的另一种表达式（10）关系：定性：：表示水蒸气含量，不能反应空气吸湿能力——绝对量：表示空气中水蒸气接近饱和的程度，反映了吸收水蒸气的能力——相对量定量：∵，很小，∴（这段根据课时酌情讲）∴，有时又称为饱和度，（11）实际上，∴（六）湿空气的焓在空调工程中，空气的状态经常发生变化，也经常需要确定此状态变化过程中的热交换量，例如对空气进行加热和冷却时，常需要确定空气吸收或放出多少热量。空气经过空气处理设备处理前后均可视为定压过程，空气的热量变化可用空气状态变化前后的焓值来表示，湿空气的焓都是以1kg干空气做为计算基础的。对于含有1kg干空气的湿空气的焓湿空气＝干空气+水蒸气（12）如何确定，？原则：0℃时干空气的焓值与0℃水的焓值均为0，0℃时水蒸气的焓值为2500kJ/kg定压过程：（13）（14）具体计算如下，可酌情讲解1、定压过程：如何得来：根据能量方程式，在定压过程中，0℃干空气→t℃干空气2、如何得来：0℃水蒸气→t℃水蒸气∴＝kJ/kg·干空气（15）或＝kJ/kg·干空气（16）或表示为kJ/kg·干空气（17）由上式可以看出，是与温度有关的热量，称之为显热是0℃时dkg水的气化热，与温度无关，是与含湿量有关的热量，称为潜热。∴当湿空气的温度与含湿量升高时，焓值增大，但空气温度升高，而含湿量减少时，则湿空气的焓值变化不一定。思考题：求t℃时水蒸汽的气化潜热解：t℃水→t℃水蒸气∴§1.2湿空气的物理性质前面阐述的湿空气的几个状态参数及其关系式,在空调工程通常要确定湿空气的状态参数及变化过程,我们可用上述的公式解答,但不够直观,为了避免繁琐的公式计算，可以将上述参数用线算图表示出来，在空调设计使用的是以焓为纵坐标，含湿量为横坐标的焓湿图,可以直观的看出湿空气的状态变化,图上的每个点都代表湿空气的某一状态。为了更好的运用他，下面看看他的绘制过程。一、图以i为纵坐标，d为横坐标，构成的平面图，为了使图面展开，线条清晰，两坐标轴之间的夹角由常用的90°，扩展为大于或等于135°两坐标轴夹角，（坐标轴夹角大小不会影响湿空气状态参数之间的对应关系，只是改变了图形的形状和位置，目的使图面展开，清晰）。为了避免图面过长，通常取一水平线画在图的上方，代替实际的d轴。在一定的大气压力下，将上述参数等关系反映在图上，图中由四组等值线组成。B不同，图不同，附录上的图是B＝101325Pa得出的。等焓i线平行于原d坐标的线为等焓线，流线上的每个点焓值相等，通过坐标原点（t=0℃,d=0）等焓线值为i＝0，向上焓值为正，向下焓值为负，整个焓值是由下向上递增。等含湿量d线平行于i坐标的线为等d线，过O点与纵坐标重合的线d＝0等温t线如何确定？ 等温线t相同，给定t值，a、b定，在图上是直线。∴t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斜率为b＝2500+1.84t又∵1.84△t对于2500较小，斜率近似相等，等温线近似平行的一组直线∴根据不同温度t，在图上画出等温线。t＝0℃，它是截距为0，通过原点O的一条斜率k＝2500的直线（四）水蒸气分压力线，＝每给定一个d值，就可以得到相应的值（五）等线根据d，t确定值，绘出等线等线是一组发散形曲线，，是纵坐标，是湿空气饱和状态线左上方：湿空气区（水蒸气处于过热区，稳定）右下方：水蒸气处于过饱和状态区（不稳定，常有凝结现象，有雾区）（六）热湿比线1、定义定义为：湿空气的焓变化与湿量变化之比，又称角系数。或图右下角给出了线既然说是焓变化或湿量变化，则必有两个状态点，假定有A、B两个状态点，空气由A状态变化到B状态∴代表湿空气的状态变化方向，即状态A的空气对其加入热量，湿量之后，变成了状态B，即对于空调工程来说，、即为空气处理设备提供的热量与湿量。热湿比反应了空气从状态A到状态B的过程斜率，即该过程线与水平线的倾斜角度，因此又称为角系数。只要热湿比值相同，他们的过程线就一定平行。2、值分布等焓线与等含湿量线将圆周分为四部分区域，（1）O→A，（2）O→B，（3）O→C，（4）O→D，（5）等焓线：→, →, （6）等含湿量线：→, →这、、、将图分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限。3、作用看例题，如何根据热湿比线求出空气的另一状态法一：平行线法平行于焓湿图给出的线标尺平行移动（作平行线），求B点法二：辅助点法这时过A点做＝1g/kg·干，＝5kJ/kg·干，交于点，点即辅助点，连接，则要求的B点必在线上。二、大气压力变化对图的影响此图是在B＝101325Pa划出的，若B≠101325Pa，则图将要发生一定的变化这里举例相对湿度线随大气压力变化图。∵＝当温度t不变，即不变时，当B↑，则d↓，则等线则要向左偏移。因此不同的大气压力，即应该有不同的焓湿图，但是大气压力相差不大时，所得结果误差不大，因此工程上允许采用同一张焓湿图。此外，焓湿图上缺少密度这一参数，这是因为空调工程中，空气的密度变化不大，通常取1.2kg/m3。从图上可以看出，上述所讲的参数，已知这四个参数任两个可以确定空气的某一状态点。但不是独立的参数。三、其他的线算图反映湿空气性质的线算图，除了前面介绍的焓湿图之外，还有其他的图，例如：焓湿图：用焓和含湿量构成的斜坐标；温湿图：用温度和含湿量构成的直角坐标；温焓图：用温度和焓构成的直角坐标。§1.3湿空气的物理性质一、露点温度（一）定义定义：A的露点温度：等含湿量d不变时，空气状态点A达到饱和时的温度。将饱和空气冷却，并且保持其含湿量不变，空气的相对湿度将逐渐增大，温度降低到时，空气的相对湿度达到100％，如果再继续冷却，则空气达到过饱和状态，则会有凝结水出现。因此是空气开始结露的临界温度。因此判断是否结露主要看表面温度与露点温度的高低。当，不会结露当，会结露（二）作用1、利用露点温度来判断保温材料选择的是否合适1）检验冬季围护结构的内表面是否结露；（冬季室外温度低）2）夏季送风管道和制冷设备保温材料外表面是否结露；（夏季管道内温度低）2、利用低于露点温度的水去喷淋热湿空气，或表面温度低于露点温度的表冷器去冷却空气，可以达到对空气进行冷却减湿的处理。二、湿球温度（一）定义BA定义：定压绝热条件下，空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度，称湿球温度BAt2＝tw假想有一个理想的绝热加湿小室，盛有温度为tw的水，湿空气进口的参数为，t1、d1、i1，经过充分的热湿交换之后，出口的参数为t2、d2、i2。此时，，t2＝tw，我们定义此时的t2t2＝tw（二）等湿球温度线∵被绝热加湿，以1kg干空气的湿空气为例：（1）液态水：kJ/kg（1）式化简：当＝0℃，，等线与等焓线重合；当≠0℃，，等线与等焓线不重合，较小，工程中可认为重合。（三）作用湿球温度也可作为图上求空气状态的一个已知参数.例题1-4：已知空气的干、湿球温度求该空气的状态参数。近似作图：等湿球温度线可以近似用等焓线代替作图；准确作图：等湿球温度线准确的用来作图。（四）湿球温度的测量1、测量仪器实际工程中常采用热湿球温度计测干球温度t，湿球温度ts，最常用的叫阿斯曼通风式干湿球温度计，也称为吸风式温度计。旋紧通风器发条，使叶轮旋转，空气以v＝1.7～3m/s速度流经温度计，保证热湿交换充分，温度t，ts成定值。流速较小时，热湿交换不充分，试验表面只有流速大于2.5m/s才能准确测出湿球温度。其在工程中应用较多，因为d、i不易测量，只有p、t、ts易测量。2、测量原理阿斯曼通风式干湿球温度计的原理：当空气的相对湿度，湿纱布中的水要不断的蒸发，吸收热量1）若水温高于空气的温度，则水蒸发要的热量来自于水本身，水温逐渐降低，低于空气温度，这时空气将向水温差传热，（随着水蒸发不断吸收水的热量，水温仍逐渐降低）且传热量随着水与空气的温差增大而增大，当空气向水的温差传热量与水蒸发到空气中所需要的汽化潜热相平衡时，水温不再下降，达到稳定状态，这时的水温称为湿球温度ts2）若水温低于空气温度，则空气要向水进行温差传热，水温逐渐增大，水蒸发到空气中要吸收一定的气化潜热，当两者相平衡时水温不变，此时的水温称为湿球温度。当空气中的相对湿度较小，湿纱布上蒸发的水分多，则所需要的热量增大，湿球水温降的越多，干湿球温度差越大。因此干湿球温差反应了该状态空气的相对湿度大小。3、理论分析关于湿球周围热量交换的平衡原理自学：空气传给湿球的热量必等于湿球水蒸发所需要的热量。1）湿球周围空气向球表面的温差传热量（空气传给湿球的热量）（2）：热交换系数：湿球表面的水温度2）水蒸发所需要的汽化潜热量（3）：湿交换系数；：球表面水温的饱和水蒸气分压力；：当地大气压；：标准大气压3）当热湿交换充分，达到稳定状态时，（4）（5）此时湿球表面的水温湿球温度（对应于湿球温度下的饱和水蒸气分压力，换个表示符号）∴（6）这里，可取经验值（7）4）分析：对于式（6），↓,越↑,即↑当=0,，空气达到饱和,∴干湿球温度差反映了空气相对湿度的大小。干湿球温度差越小，相对湿度越大。§1.4焓湿图的应用图可以直观的表示湿空气的变化过程一、湿空气的状态变化过程在图上的表示（一）湿空气的加热过程（加热器）湿空气通过加热器A→B：t↑，d不变；空气实现的是等湿增焓升温的过程。（二）湿空气的干冷却过程（表冷器）湿空气通过表冷器时，若表冷器表面t＞空气的，则湿空气中水蒸气不会凝结，即d不变，但被表冷器冷却之后，t↓，焓值↓，空气实现的是等湿减焓降温的过程。（三）等焓减湿（固体吸湿剂）用固体吸湿剂处理空气，湿空气中的部分水蒸气被吸附，d↓，潜热↓，但得到的水蒸气凝结在固体吸湿剂微孔表面，放出气化潜热，t↑，显热↑，焓值基本不变。还是略微减少了凝结水带走的液体热。空气近似按等焓减湿过程变化。（四）等焓加湿过程（喷水室绝热加湿）用喷水室喷循环水处理湿空气，与空气长时间直接接触，焓值基本不变。水吸收湿空气中的显热而蒸发为水蒸气，温度t↓，显热量↓；焓值基本不变。蒸发的水蒸汽到空气中，湿空气d↑，潜热↑。此过程又称为等焓加湿过程，由于此过程与外界没有热量交换，因此又称为绝热加湿过程。实际该焓值略有增加，增加的是加到空气中的那部分液体热（五）向空气中喷蒸汽喷水室喷水喷水室喷蒸汽，近似于等温线，形成的偏角只有3～4°对于等温线，对于等温线，换句话说，喷水：水是吸收空气中热量变成蒸汽加湿，对空气来说温度t↓表现为等焓过程；喷蒸汽：水是外界热源变成蒸汽再加湿，对空气来说，温度不变，表现为等温过程。（六）冷却干燥过程（湿冷）湿空气与低于tl的表面接触，或者喷冷水，湿空气t↓，d↓（减湿冷却过程）二、不同状态的空气的混合状态在i-d图上的确定前面讲空气从一个状态变化为另一个状态在i-d图上表示，现在讲两个不同状态空气混合在i-d图上表示，在空调工程中，经常遇到新风与回风混合的问题，必须掌握假定有两个空气状态A（质量流量，，）和B（质量流量，，）混合，混合后状态是（质量流量，，）质量平衡：（1）热平衡：（2）湿平衡：（3）（4）∴由可以得出两个结论：①∴，在i-d图上AC、CB斜率相同，C在AB线上，②（5）两线段长度与空气质量成反比，且混合点靠近质量大的空气状态那一端，这就是混合规律。特