空调工程-空气的湿焓学基础.ppt

空调与供热工程 之 空调调节,2012年8月30日,第二章 湿空气的湿焓学基础,2.1、湿空气的组成和状态参数,2.1.1 湿空气的组成及物理性质,干空气 不含水蒸气的空气，体积成分： 氮气78.13% 氧气20.90% 二氧化碳0.03% 稀有气体0.94% 在工程热力学中，把常温常压下（空调属于该范畴）的干空气视为理想气体。,湿空气 含有水蒸气的空气，是干空气和水蒸气的混合物 湿空气中的水蒸气一般处于过热状态，加上水蒸气的数量少，分压力很低, 比容很大, 可近似作为理想气体 由干空气和水蒸气组成的湿空气也具有理想气体特性,2.1.1 湿空气的组成及物理性质,水蒸气 含量很少, 水蒸气的含量：0.2%2%，随季节、气候、地区等各种条件而变化 空气中水蒸气变化对空气的干燥和潮湿程度产生重要影响，从而直接影响到产品质量、人体感觉 空气中水蒸气含量的变化会使湿空气的物理性质发生变化 水蒸气含量虽少，但在空调中研究湿空气中水蒸气含量的变化问题却是非常重要的,悬浮尘埃、烟雾、微生物，废气、化学排放物 不影响湿空气的物理性质，因而不作为研究对象,2.1.2 湿空气的状态参数,理想气体状态方程,(2-1),(2-2),Rg为干空气的气体常数，,Rq为水蒸气的气体常数，,产品可靠性由固有可靠性和使用可靠性组成。 固有可靠性：是产品在设计、制造中赋予的，是 产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的 使用可靠性：产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，除考虑固有可靠性的影响因素外，还考虑产品安装、 操作使用和维修保障等方面因素的影响 固有可靠性高，使用条件好的产品可靠性较高 产品可靠性近似为二者乘积,一、可靠性定义与指标,维修性：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复执行规定状态的能力 维修性是产品质量的一种特性，即由产品设计赋予的使其维修简便、迅速和经济的固有特性 保障性：系统（装备）的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力 与装备保障有关的设计特性充足和适 用程度 保障资源的充足和适 用程度,可用性：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。 产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映 可靠性是从延长其正常工作时间来提高 产品可用性，而维修性则是从缩短因维修的停机时间来提高可用性 可信性：集合性术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修性、维修保障 可信性的定性和定量具体要求是通过可用性、可靠性、维修 性、维修保障的定性和定量要求表达的,大气压力,水蒸气分压力pq,2.1.2 湿空气的状态参数,在大气层中的物体，都要受到空气分子撞击产生的压力；也可以认为，大气压力是大气层中的物体受大气层自身重力产生的作用于物体上的压力 用pa或B表示，单位为Pa或者kPa 随海拔不同而不同，还随季节、气候变化而略有不同 标准大气压或物理大气压数值为101325 Pa，或者760mmHg,水蒸气分压力 是指在某一温度下，水蒸气独占湿空气的体积时所产生的压力 其大小反映了空气中水蒸气含量的多少 水蒸气分压力是衡量湿空气干燥与潮湿的基本指标，是一个重要参数 未饱和空气 (在一定温度下)水蒸气含量和水蒸气分压力都没达到最大值，还具有吸收水气的能力，这种状态下的空气属于未饱和空气 饱和（湿）空气 在一定温度条件下，一定量的湿空气能吸纳水蒸气的数量是有限度的 当空气中水蒸气含量超过某一限量时，多余的水气会以水珠的形式析出，此时水蒸气处于饱和状态 将干空气与饱和水蒸气的混合物称为饱和（湿）空气 饱和水蒸气分压力 饱和状态下的水蒸气分压力，称为该温度时的饱和分压力 温度越高，饱和水蒸气分压力也就越大，说明该空气能容纳的水气数量越多，反之亦然,道尔顿分压定律,密度,2.1.2 湿空气的状态参数,(2-3),(2-4),标准状态下， ，湿空气的密度比干空气小，因此近似取1.2kg/m3,含湿量d,2.1.2 湿空气的状态参数,(2-5),对应于1kg干空气的湿空气中所含有的水蒸气量，单位是kg/kg干或g/kg干。由式(2-1)、(2-2)和(2-5)，得,(2-6),(2-7),以g/kg干为单位时，,(2-8),含湿量与水蒸气分压力的关系 在一定的大气压力下，空气的含湿量取决于水蒸气分压力；水蒸气分压力越大，含湿量越大. 在空调工程中常用含湿量来表示空气被加湿或减湿的程度,2.1.2 湿空气的状态参数,绝对湿度（两种定义） 湿空气中水蒸气的密度 kg/m3湿空气。 湿空气中所含水汽的压强，叫做空气的绝对湿度。 近似等压的条件下，湿空气体积随温度而变化，而空调工程经常涉及湿空气的温度变化。,含湿量只能反映湿空气中所含水蒸气的绝对含量，不能反映空气的吸湿能力，因此引出相对湿度度量湿空气中水蒸气的相对含量,2.1.2 湿空气的状态参数,相对湿度,(2-9),饱和湿空气的饱和水蒸气分压力用pq,b表示，饱和含湿量用db表示 湿空气温度越高，饱和水蒸气分压力和饱和含湿量就越大，他们是空气温度的单值函数,反映了在某一温度下，湿空气中水蒸气接近饱和的程度 值小，说明湿空气距离饱和状态甚远，空气干燥，吸收水蒸气的能力强； 值大，说明湿空气接近饱和程度，空气潮湿，吸收水蒸气的能力弱 ，空气为干空气； ，空气为饱和状态湿空气,2.1.2 湿空气的状态参数,相对湿度与含湿量的关系：都是表示湿空气中水蒸气含量多少的参数。前者反映湿空气接近饱和的程度，不能表示水蒸气的具体数值；后者可以表示水蒸气的具体数值，但不能反映湿空气接近饱和的程度,2.1.2 湿空气的状态参数,关系如下：,(2-10),(2-11),以上两式相除得：,(2-12),由于,(2-13),在空气调节过程中常需要确定空气状态变化过程中发生的热量交换 湿空气的状态变化过程近似于等压过程,因此可用焓差表示热交换量,2.1.2 湿空气的状态参数,湿空气的比焓h,(2-14),湿空气的比焓：1kg干空气的比焓加上d kg水蒸气的比焓，称为(1+d) kg湿空气的比焓,取0的干空气和0的水比焓值为零，湿空气的比焓表达为,(2-15),hg，干空气的比焓， ，kJ/kg hq，水蒸气的比焓， ，kJ/kg 2500为0时水的汽化潜热,2.1.2 湿空气的状态参数,(2-16),式(2-15)可以写成:,(2-17),显热部分： ，与温度有关的热量 潜热部分：2500d，d kg 0水的汽化热,2.2、湿空气的焓湿图,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,当大气压力pa一定时，上述公式中包含有t、h、d、 、pq、pq,b 等六个参数，其中t、h、d、 四个参数为独立参数。 湿空气的状态参数可以根据上述公式确定；但是采用焓湿图来进行空调过程的设计和空调运行工况的分析，更直观和方便。 焓湿图以h为纵坐标，d为横坐标，夹角大于等于135 取t=0和d=0为坐标原点 焓湿图上，每个点代表了湿空气的某一种状态，并具有确定的状态参数；每条线表示湿空气状态的变化过程,由h=1.01t+d(1.84t+2500)可知，t为常数时，h和d成线性关系，因此等温线为一直线：1.01t为截距，(1.84t+2500)为斜率。 温度不同，斜率也不同，但是1.84t远小于2500，因此等温线可近似看成平行线。,等温线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,等温线的确定,由式(2-7)得到： ，可见 ，因此可用一水平线表示水蒸气分压力线； 在已建立起水蒸气分压力线的基础上，对应于不同温度下的饱和水蒸气分压力可从附录中查到或由 的经验公式求得： 从而得到饱和水蒸气分压力线。,水蒸气分压力线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,连接不同温度线和与其对应的饱和水蒸气分压力线的交点，即可得到 的等相对湿度线； 根据 ，当 为其他常数时，给定 值，可得到 值，最后得到对应的温度值； 连接所得到的等温线和与其相对应的水蒸气分压力线的交点，即可得到其他等相对湿度线。 等相对湿度线是一组发散型曲线。 的等相对湿度线是纵轴线。以 线为界，该曲线上方为湿空气区(又称未饱和区)，水蒸气处在过热状态，曲线下方为过饱和区，状态不稳定，常有凝结现象，所以此区又称为“结雾区”.,等相对湿度线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,为了说明湿空气状态变化前后的方向和特征，常用湿空气的比焓变化与含湿量的变化的比值来表示，称为热湿比(kJ/kg)。 AB的热湿比为：,热湿比线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,已知某状态的湿空气，其热量变化为Q，湿量变化为W，则其热湿比为：,(2-18),(2-19),Q的单位为kJ/s，W的单位为kg/s 。热湿比有正有负，代表湿空气状态变化的方向。,热湿比线的三种画法： 从事先画好的方向线中选出与算得的值相同的方向线，以它为依据，用三角板推平行线，通过已知初状态点A作平行线，就可得到该状态的变化过程线。 借鉴量角器的方法，制作一个热湿比量角器来画线。 按照已知的热湿比值，用计算的方法直接画出空气状态变化过程线。 称为“假定法”或“辅助点法”。 h-d图上绘出的辐射线取值间隔较大，常会遇到算出的在图上找不到并且难以准确确定线方向的情况，这时，可采取用假定法【或称为辅助点法】，过已知的状态点自行作出相应的线，说明如下。,热湿比线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,“假定法”或“辅助点法”确定线 空气由状态1变化到状态2，如果值和状态2已知，并已知状态1的某一参数，这时可假定状态点3也位于此线上（即由12和由23对应同一热湿比），则有h3-h2=10-3 (d3-d2),热湿比线,2.2.1 焓湿图的构成及绘制原理,因为值已知和h2、d2可在h-d图上查出，又状态点3可以是相应线上的任意一点，为方便起见，可再假定d3-d2=1。,则可确定(h3, d3)，从而在h-d图上确定出状态点3。 那么状态点2和3的连线就是与已知的相应的过程线，状态点1也应位于此过程线上。因此，代表状态1已知参数的等值线与连线23的延长线的交点就是状态点1了。,概念：含湿量和气压都不改变的条件下，湿空气达到饱和时的温度，tL 将未饱和的空气冷却，并且保持其含湿量不变，随着空气温度的降低，所对应的饱和含湿量也降低，而实际含湿量未变化，因此空气的相对湿度增大，温度降低至tL时，空气的相对湿度达到100%，此时空气的含湿量达到饱和，如再继续冷却，就会有凝结水出现。 tL是空气开始结露时的临界温度。 结露现象：某表面的温度如果低于周围空气的露点温度，则紧贴着该表面的空气层将从未饱和变为饱和，其中的水气立即在冷表面上凝结成水珠，这就是结露现象。,露点温度 dew point (temperature),2.2.2 露点温度和湿球温度,利用露点温度来判断保温材料是否选择得当：检验冬季维护结构的内表面是否结露，夏季送风管道和制冷设备保温材料外表面是否结露。 对空气进行热湿处理时利用低于空气露点温度的水去喷淋热湿空气，或者让热湿空气流过表面温度低于露点温度的空气冷却器，可以使该空气达到冷却减湿的效果。（降温法除湿）,应用,2.2.2 露点温度和湿球温度,确定空气露点温度的方法,查表法；查图法 计算法： ，t为空气的干球温度。,这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。 测得露点温度，就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变，因此，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。露点越低，表示空气中的水分含量越少。露点可用专用的露点仪测定。 例如，当测得了在某一气压下空气的温度是20，露点是12，那么，就可从表中查得20时的饱和蒸汽压为17.54mmHg，12时的饱和蒸汽压为l0.52mmHg。则此时可得空气的绝对湿度为10.52mmHg，相对湿度为,露点温度是个温度值，为什么可用来表示湿度？,2.2.2 露点温度和湿球温度,露点的测定，在农业上意义很大。由于空气的湿度下降到露点时，空气中的水蒸汽就凝结成露。如果露点在0以下，那末气温下降到露点时，水蒸汽就会直接凝结成霜。知道了露点，可以预报是否发生霜冻，使农作物免受损害。 气温和露点的差值愈小，表示空气愈接近饱和。气温和露点接近，相对湿度就大，人们感觉空气潮湿；气温和露点差值大，相对湿度就小，人们感觉空气干燥。人体感到适中的相对湿度是6070。,2.2.2 露点温度和湿球温度,露点和压力有关. 湿空气被压缩后，水蒸气密度增加，温度也上升。压缩空气冷却时，相对湿度便增加，当温度继续下降到相对湿度达100时，便有水滴从压缩空气中析出，这时的温度就是压缩空气的“压力露点”。“压力露点”与常压露点之间的对应关系与压缩比有关。在“压力露点”相同情况下，压缩比越大，所对应的常压露点越低。如：0.7 MPa的压缩空气压力露点为2时，相当于常压露点为-23; 当压力提高到1MPa时，同样压力露点为2时, 对应的常压露点降到-28.,能直接测出露点温度的仪器叫露点仪。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。,定义：通常把在等压绝热条件下，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为热力学湿球温度。 一理想绝热加湿系统，内装有温度恒定为tw的水，状态为p、t1、d1、h1的湿空气进入加湿器，与水有充分的接触时间和接触面积，湿空气离开加湿器时已达到饱和，湿空气的温度等于水温，即t2=tw，因此状态为 p、tw、d2、h2。 在这个绝热加湿过程中，其稳定流动能量方程式为：,湿球温度 wet-bulb temperature,2.2.2 露点温度和湿球温度,热力学湿球温度,其中hw为液态水的比焓， hw=4.19 tw，可得到,在实际应用中，一般用干、湿球温度计测量出的湿球温度近似代替热力学湿球温度。 温度计的感温包裹上纱布，纱布下端浸入盛有蒸馏水的容器中，在纱布纤维的毛细作用下，纱布始终处于润湿状态，把此温度计称为湿球温度计。 未包纱布的温度计称为干球温度计。,2.2.2 露点温度和湿球温度,湿球温度,湿球温度的定义：是指某一状态的空气，同湿球温度计的湿润温包接触，发生绝热热湿交换，达到饱和状态时的温度.实际应用中，是用湿球温度计在流速大于2.5m/s且不受直接辐射的空气中，所测得的纱布表面水的温度。,干湿球湿度计又叫干湿计。利用水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢（即降温的多少）是和当时空气的相对湿度有关这一原理制成的。由两支相同的普通温度计组成：一支用于测定气温，称干球温度计；另一支在球部用蒸馏水浸湿的纱布包住，纱布下端浸入蒸馏水中，称湿球温度计。,2.2.2 露点温度和湿球温度,干湿计,若水温高于空气的温度,水蒸发所需的热量首先取自水分本身,因此纱布温度下降.不管原来水温多高,经一段时间后,水温最终降至空气温度以下,这时出现了空气向水面的传热,该传热量随空气与水之间的温差的加大而增大.当水温降至某一温度值时,空气向水面的传热量(显热)刚好补充水分蒸发所需的气化潜热,此时水温不再下降,达到稳定状态,这时湿球温度计所读出的数就是湿球温度. 若水温低于空气温度时,空气向水面的温差传热一方面供给水分蒸发所需的气化潜热,另一方面使水温升高.随着水温的升高传热量减小,最终达到温差传热(显热)与蒸发所需气化潜热的平衡,水温稳定并等于空气的湿球温度.,当空气的相对湿度较小时，纱布上的水分蒸发快，所需的热量多，湿球水温下降多，因而干、湿球温差大； 反之，干、湿球温差小。 当相对湿度=100%时，纱布上的水分不再蒸发，干、湿球温度计读数相等。 由此可见，在一定的空气状态下，干、湿球温差值反映了该状态空气的相对湿度的大小。,2.2.2 露点温度和湿球温度,干、湿球温差与相对湿度的关系,等湿球温度线：,2.2.2 露点温度和湿球温度,湿球温度在h-d图上的表示,在空调工程中，一般ts30，=4.19ts的等湿球温度线与等焓线非常接近，可近似认为等焓线即为等湿球温度线。,湿球温度的应用（画图表示）,已知某空气状态，确定湿球温度（准确的和近似的） 已知某湿空气的干球温度和湿球温度，确定空气状态,2.2.2 露点温度和湿球温度,确定湿球温度的方法,第一种方法根据教材上的公式直接计算 第二种方法查图 第三种方法为简化计算法,湿球温度也是湿空气的一个重要参数，多数情况下还是一个独立状态参数（湿球温度为0时成为非独立参数）。但由于等湿球温度线和等焓线十分接近，很难利用已知焓值和湿球温度两个独立参数来确定湿空气的状态。,2.2.3 焓湿图的应用,空气状态参数包括：pa、t、h、d、 、pq、pq,b、tL、ts 独立参数： t、h、d、 、ts（不等于0时） 非独立参数：d和 pq、 d和tL都不能确定空气状态点。,实际操作中，空气参数的测量，主要是测定所在地区的大气压力pa ，空调区的干球温度t 和和湿球温度ts，然后通过计算或作图求得其余参数。,确定湿空气状态参数,2.2.3 焓湿图的应用,湿空气的加热过程,表示湿空气的状态变化过程,AB: 干式加热或等湿加热，等湿、增焓、升温过程,空气加热器或电加热器,湿空气的冷却过程,根据冷却器表面温度的高低可分为干式冷却和减湿冷却,2.2.3 焓湿图的应用,湿空气的冷却过程,表示湿空气的状态变化过程,干式冷却过程,AC: 等湿、减焓、降温,表冷器：冷却器的表面温度低于空气温度却又高于空气露点温度,2.2.3 焓湿图的应用,湿空气的冷却过程,表示湿空气的状态变化过程,减湿冷却过程,AG: 冷却干燥、减焓过程,表冷器或喷水室：空气冷却器表面温度或喷水室的喷水温度低于空气露点温度,2.2.3 焓湿图的应用,等焓减湿过程,表示湿空气的状态变化过程,AD: 等焓、减湿、升温,固体吸湿剂: 水蒸气被吸湿剂吸附，空气的含湿量降低，而水蒸气凝结时放出的气化潜热使空气温度升高，空气的比焓值基本不变,2.2.3 焓湿图的应用,等焓加湿过程 (绝热加湿过程),表示湿空气的状态变化过程,AE: 等焓、加湿、降温,喷水室：喷循环水，水将吸收空气的热量而蒸发形成水蒸气进入空气，使空气在失去部分显热的同时，增加了含湿量，从而增加了潜热量，从而补偿了失去的显热量，使空气的比焓值基本不变,2.2.3 焓湿图的应用,等