单元8_湿空气焓湿图及应用[一]

下篇空气调节 单元8湿空气焓湿图及应用 知识点 湿空气的物理性质 湿空气焓湿图的使用方法及空气参数空气焓湿图确定方法 热湿比的概念及应用 两种不同状态空气混合点的确定方法 几何法和公式法 学习目标 了解湿空气的物理性质 掌握湿空气焓湿图的使用方法及空气参数空气焓湿图确定方法 掌握热湿比的概念及应用 掌握两种不同状态空气混合点的确定方法 几何法和公式法 湿空气是指干空气和水蒸气的混合气体 凡含有水蒸气的空气就是湿空气 在空调工程中 研究与改造的对象是空气环境 所使用的媒介物往往也是湿空气 因而需要对空气的物理性质有所了解 目录 8 1 8 2 焓湿图的应用 湿空气的物理性质 8 1湿空气的物理性质 8 1 1湿空气组成 湿空气是由干空气 完全不含水蒸气的空气 和水蒸气组成的 干空气是由氮 氧 氩 二氧化碳 氖和其它一些微量气体所组成的混合气体 广泛的测定结果表明 干空气的组成比例是比较稳定的 如表8 1所示 虽然在某些局部范围内 可能因为某些因素的变化 如二氧化碳的含量随植物生长状态 气象条件 海水表面温度 污染状态等有较大的变化 从而使得空气的组成比例有所改变 但是由于其平均含量非常小 其含量的变化对干空气的热工特性影响很小 可以不予考虑 因此 在研究干空气物理性质时 允许将干空气作为一个整体来对待 8 1湿空气的物理性质 表8 1干空气的标准成分 8 1湿空气的物理性质 在湿空气中 水蒸气所占的百分比是不稳定的 常常随着海拔 地区 季节 气候 湿源等各种条件的变化而变化 因为水蒸气在仅有压力变化的情况下就能够液化 而干空气只有其温度降低到一定临界温度以下后才能液化 相对来说 湿空气中的水蒸气数量很少 它来源于地球上的海洋 江河 湖泊表面的水分蒸发 各种生物的代谢过程 以及生产工艺过程 虽然湿空气中水蒸气的含量少 但其变化会引起湿空气干 湿度变化 进而对人体感觉 产品质量 工艺过程和设备维护等都有直接影响 这是不容忽视的 同时 湿空气中水蒸气含量的变化又会使湿空气的物理性质随之变化 因此 从空气调节的角度来说 空气的潮湿程度是我们十分关心的问题 8 1湿空气的物理性质 8 1 2湿空气物理性质 湿空气的物理性质除和它的组成成分有关外 还决定于它所处的状态 湿空气的状态通常可以用压力 温度 相对湿度 含湿量及焓等参数来度量和描述 这些参数称为湿空气的状态参数 所谓理想气体 就是假设气体分子是一些有弹性的 不占有空间的质点 分子相互之间没有作用力 通风空调工程中所涉及湿空气的压力和温度都可以看作属于这个范畴 因为在热力学中 常温常压下的干空气可视为理想气体 同时 湿空气中水蒸气含量一般很少 只有几克到几十克 在通风空调中应用的湿空气 其中水蒸气的质量份额最大不超过5 而且湿空气中的水蒸气大多处于过热状态 水蒸气的分压力很小 比容很大 8 1湿空气的物理性质 这样干空气可以为理想气体 水蒸气也可视为理想气体 所以湿空气可视为理想气体 因此 湿空气可以应用道尔顿分压力定律 并且也可用理想气体状态方程来表示 即 8 1 8 2 式中为气体的绝对压力 Pa 为气体的比容 m3 kg 为气体的总体积 m3 为气体的总质量 kg 为气体的热力学温标 K 为气体常数 J kg K 取决于气体的性质 其中干空气和水蒸气的气体常数分别为 287J kg K 46lJ kg K 8 1湿空气的物理性质 8 1 2 1压力 1 大气压力大气压力是指大气层在地球表面单位面积上形成的压力称为大气压力 大气压力不是一个定值 它随着各个地区的海拔高度的增加而减小 同时还随着季节 天气的变化而稍有高低的 在北纬45 处的海平面上 空气温度为0 所测得的平均大气压力为B 101325Pa 称为一个标准大气压或物理大气压 大气压力不同 空气的状态参数也要发生变化 如图8 1所示 在空调系统中 空气的压力常用仪表测定 但仪表指示的压力不是空气压力的绝对值 而是与当地大气压力的差值 称为工作压力 也叫表压力 它不能代表空气压力的真正大小 只有空气的绝对压力才是空气的一个基本状态参数 工作压力与绝对压力的关系为 压力 当地大气压力 工作压力 8 1湿空气的物理性质 图8 1大气压力与海拔高度的关系 8 1湿空气的物理性质 需要说明的是 凡是没有特别指明是工作压力的 均应理解为绝对压力 由于大气压力不是定值 因地而异 因此 在设计和运行中应当考虑由于当地大气压的不同所引起的误差修正 由于工作压力是空气压力与当地大气压力的差值 它并不代表空气压力的真正大小 只有绝对压力才是空气的一个基本状态参数 2 水蒸气分压力水蒸气分压力是指湿空气中水蒸气的分压力 是指湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积 并具有与湿空气相同温度时所具有的压力 根据气体分子运动论的学说 气体分子越多 撞击容器壁面的机会越多 表现出的压力也就越大 因而 水蒸气分压力的大小也就反映了水蒸气含量的多少 8 1湿空气的物理性质 根据道尔顿分压力定律 混合气体总压力等于各组成气体分压力之和 湿空气的总压力就等于干空气分压力和水蒸气分压力之和 即 8 3 式中为湿空气的总压力 即当地大气压 Pa 为干空气分压力 Pa 为水蒸气分压力 Pa 必须指出 湿空气容纳水蒸气的数量 或反映水蒸气含量的分压力是有一定限度的 在一定温度下 空气中的水蒸气含量越多 空气就越潮湿 水蒸气分压力也越大 如果空气中水蒸气的数目超过某一限量时 多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出 因此 湿空气中含水蒸气的分压力大小 是衡量湿空气干燥与潮湿程度的基本指标 由干空气和过热蒸汽组成的湿空气称为未饱和空气 由干空气和饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气 相应的水蒸气分压力称之为饱和水蒸气分压力 8 1湿空气的物理性质 8 1 2 2温度温度是分子动能的宏观结果 是表示湿空气冷热程度的物理量 湿空气中的干空气和水蒸气总是均匀混合的 故湿空气温度与干空气温度均相等 目前国际上常用的有绝对温标 又称开氏温标 符号为 单位为K 摄氏温标 符号为 单位为 有的国家也采有华氏温标 符号为 单位为 热力学温度是以气体分子热运动平均动能趋于零的温度为起点 定为0K 以水的三相点温度为定点 定义为273 16K 1K即为水三相点热力学温度的 实用的摄氏温度1 和开氏温度1K的分度是相等的 两者的关系为 8 4 华氏温度1 和开氏温度1K的分度是不相等的 两者的关系为 8 5 8 1湿空气的物理性质 温度是空气调节中的一个重要参数 当空气受热后其内部分子动能增大 则表现为温度的升高 8 1 2 3湿度空气的湿度决定于空气中所含水蒸气的分量 湿度分为绝对湿度和相对湿度 1 绝对湿度 在每湿空气中所含有水蒸气的质量 其数值等于水蒸气在其分压力与温度下的密度 是该点水蒸气比容的倒数 根据定义则有 8 6 由状态方程可得 8 7 8 1湿空气的物理性质 如图8 2所示 绝对湿度使用起来很不方便 因为在水分蒸发和凝结时 湿空气中的水蒸气质量是变化的 而且湿空气的容积还随着温度的变化而变化 因此 即使水蒸气质量不变 由于湿空气容积的改变 绝对湿度亦将相应地变化 因而绝对湿度不能确切地反映湿空气中水蒸气量的多少 或者说绝对湿度只能说明湿空气含水蒸气的多少 不能说明空气的干燥和潮湿程度 也不能说明空气吸收水蒸气的能力 2 相对湿度 空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比 也称为饱和度 相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度 根据定义则有 8 8 由状态方程可得 8 9 8 1湿空气的物理性质 图8 2水蒸气的压力 容积图 8 1湿空气的物理性质 从上式可知 相对湿度表征空气接近饱和的程度 如果温度发生变化 它们也将相应地随着发生变化 值小 说明空气饱和程度小 即空气越干燥 吸收水蒸气的能力强 值大 说明空气饱和程度大 即空气越潮湿 吸收水蒸气的能力弱 当为100 说明湿空气饱和 当为0 指的是干空气 8 1 2 4含湿量含湿量是指在湿空气中每kg干空气所含有得水蒸气量称为含湿量 根据定义则有 8 10 若湿空气中含有1kg干空气及kg水蒸气 则相应地该湿空气质量应为kg 由于干空气和水蒸气在常温常压下都可以当作理想气体 因此能够分别应用理想气体状态方程式 8 1湿空气的物理性质 对于水蒸气 8 11a 对于干空气 8 11b 又由于空气中气体分子得自由度很大 因此湿空气中干空气和水蒸气是均匀混合的 两者具有相同的容积和相等的温度 即 又知道干空气和水蒸气的气体常数 将其和式 8 11 代入到式 8 10 中 可以得到 8 12a 或 因为 8 12b 当为定值时 空气中水蒸气的含量只取决于空气中水蒸气分压力的大小 含湿量是随水蒸气分压力的大小而增减的 与在本质上是同一参数 8 1湿空气的物理性质 利用相对湿度的定义式 8 8 可得到含湿量的另一表达式如下 8 12c 另外 对于湿空气 8 13a 对于饱和空气 8 13b 式中为空气的饱和含湿量 单位为 由上面 8 13 两式相比可得 在式 8 14 中B比和大得多 如果把视为1 在工程中应用只会造成2 3 的误差 因此 相对湿度又可以近似表达为 8 15 8 14 8 1湿空气的物理性质 式中为湿空气的饱和湿度比 即饱和度 需要注意 表示空气接近饱和的程度 也就是空气在一定温度下吸收水分的能力 但并不反映空气中水蒸气含量的多少 而可表示空气中水蒸气的含量 但却无法直观地反映出空气的潮湿程度和吸收水分的能力 由工程热力学的知识我们知道 饱和水蒸气分压力是温度的单值函数 即 8 1 2 5焓在空气调节工程中 湿空气的状态经常发生变化 常需要确定状态变化过程内热量的交换量 从热工基础可知 在压力不变化的情况下 焓差值等于热交换量 而在空气调节过程里 湿空气的状态变化过程可以看成是在定压下进行的 所以能够用湿空气状态变化前后的焓差值来计算空气得到或失去的热量 8 1湿空气的物理性质 1kg干空气焓和kg水蒸气的焓两者的总和 称为kg湿空气的焓 如果取0 的干空气和0 的水的焓值为0 则湿空气的焓表达式如下 8 16 其中 干空气的焓为 水蒸气的焓 式中 干空气的定压比热 在常温下为 kJ kg 水蒸气的定压比热 在常温下为 kJ kg 2500 0 时水的汽化潜热 kJ kg 将比热代入式 8 16 得到湿空气焓的计算式如下 8 17a 或 8 17b 8 1湿空气的物理性质 在式中是随着温度的变化而变化的热量 称为 显热 而是0 时kg水的汽化热 它仅随含湿量的变化 而与温度无关 故称为 潜热 由此可见 湿空气的焓将随着温度和含湿量的升高而加大 随其降低而减小 在使用焓这个参数时 必须注意2500较大得多 因而在空气温度升高的同时 若含湿量有所下降 其结果是湿空气的焓不一定会增加 8 1 2 6干 湿球温度和露点温度根据空气温度形成的过程和用途不同可将空气的温度区分为干球温度 湿球温度和露点温度 干球温度是指干球温度表所指示的温度 一般情况下指干球温度 用t表示 湿球温度是指湿球温度表所指示的温度 用表示 湿球温度的形成过程在实际工程中可看成等焓过程 8 1湿空气的物理性质 对于一定状态的空气 干 湿球温度的差值就反映了空气的干湿程度 关系如下 8 18 其中 式中 湿球温度下饱和水蒸气分压力 Pa 空气流过湿球的速度 m s 2 5 4m s 大气压力 Pa 露点温度是指在大气压力一定 某含湿量下的未饱和空气因冷却达到饱和状态时的温度 用表示 在冬天的玻璃窗上或夏季的自来水管上常常可以看到有凝结水或露水存在 这一现象可以用露点温度形成来解释 在空调工程中的很多除湿过程 就是利用结露规律进行的 8 1湿空气的物理性质 8 1 2 7密度和比体积密度是指单位容积空气所具有的质量 根据定义则有 而单位质量的空气所占有的容积称为空气的比容 比容和密度互为倒数 则有 8 20 因此 密度和比体积只能作为一个状态参数 由前述已知 湿空气为干空气与水蒸气的混合物 两者混合均匀并占有相同的容积 因此 湿空气的密度为干空气密度和水蒸气密度之和 即 8 21 8 19 8 1湿空气的物理性质 将 及 代入上式 经过整理得到 8 22 由上式说明 干空气比湿空气重 含湿量越大 湿空气就越轻 8 2焓湿图的应用 8 2 1湿空气焓湿图 我们已经介绍了空气的主要参数 其中温度t 含湿量d和大气压力B为基本参数 它们决定了空气的状态 并可以由此计算出该空气状态的其余参数 在工程应用中 用公式计算和用查表方法来确定空气状态和参数 但是比较繁琐 而且对空气的状态变化过程的分析也缺乏直观的感性认识 因此 为了便于工程实际应用 通常把一定大气压力下 各种参数之间的相互关系作成线算图来进行计算 根据所取坐标系的不同 线算图也有好几种 国内常用的是焓湿图 简称图 8 2焓湿图的应用 8 2 1 1焓湿图坐标选定一般平面图形仅能有两个独立的坐标 而湿空气的状态取决于t d B三个基本状态参数 因而应有三个独立的坐标 为了能在平面图形上确定空气的状态 就必须假设一个基本参数为已知 通常选定大气压力B为已知 在空气调节中 空气状态变化过程可以认为是在一定的大气压力下进行的 如此剩下t d两个坐标参数 但是由于焓h与温度t有关 为应用方便 用焓h代替温度t 因而选定了h d为坐标轴 横坐标为含湿量d 纵坐标为焓h 同时 为了图面开阔 线条清晰 两坐标轴之间的夹角取135 这样就可以绘制焓湿图了 如图8 3所示 另外 在实用中 为避免图面过长 常取一水平线代替实际的d轴 8 2焓湿图的应用 图8 3湿空气的焓湿图 8 2焓湿图的应用 8 2 1 2等温线等温线是根据公式绘制的 当时 上式是一直线方程 当温度取某一定值时 根据过两点可作一条直线的原理 即可在图上做出该条等温线 其中是截距 是斜率 即定温线的斜率为 8 23 显然 恒为定值 并随t值的增加有微小增加 所以各条等温线是不平行的 但由于的数值比2500小的多 t值变化对等温线斜率的影响很小 因此 各条等温线可近似看作是平行的 如图8 4所示 8 2焓湿图的应用 图8 4等温线的绘制 8 2焓湿图的应用 8 2 1 3等相对湿度线等相对湿度线是根据公式绘制的 从公式可知 含湿量是大气压力B 相对湿度和饱和水蒸汽分压力的函数 由于大气压力B在绘图时已取为定值 因而饱和水蒸汽分压力是温度的单值函数 可根据空气温度t从水蒸汽性质表中查取 因此 实际上有 8 24 上式当取一系列常数时 即可根据d与t的关系在图上绘出等线 在一定的大气压力B下 当相对湿度为常数时 含湿量d值取决于饱和水蒸汽分压力 而又是温度t的单值函数 其值可由附录或水蒸汽性质标查出 任取温度t查取 然后由上式计算出含湿量d 当取不同的值 1 2 时 可从水蒸汽性质表中查取 计算出相应的 由于每一对 可在图上定出一个状态点 8 2焓湿图的应用 把个状态点连接起来 就得出了等相对湿度线 如图8 5所示 8 2 1 4水蒸汽分压力线公式可以变换为 当大气压力B为定值时 上式为的函数形式 水蒸汽分压力仅仅取决于含湿量d 因此可以在d轴的上方设一水平线 标出d值所对应的值即可 以上为图的基本组成部分 在图上 任意一点都代表着空气的一个状态 它的各种状态参数均可由图查出 此外 为了说明空气自一个状态到另一个状态的热湿变化过程 在图上还标有热湿比线 8 2焓湿图的应用 图8 5等相对湿度线的绘制 8 2焓湿图的应用 8 2 1 5热湿比线在空气调节过程中 被处理空气常常由一个状态变为另一个状态 在整个变化过程中 如果空气的热 湿变化是同时进行的 那么在图上由状态A到状态B的直线连线 就应代表空气状态的变化过程 为了说明空气状态变化的方向和特征 常用状态变化前后焓差和含湿量差的比值来表示 称为热湿比 即 8 25 总空气量所得到 或失去 的热量和湿量的比值 与相应于1kg空气的这个比值 应当是完全一致的 则 8 26 8 2焓湿图的应用 式中和是以kg来度量的 若改用g为单位 则公式变为如下形式 热湿比就是直线AB的斜率 它反映了过程线的倾斜角度 故又名 角系数 如图8 6所示 斜率与起始位置无关 因此 起始状态不同的空气只要斜率相同 其变化过程必定互相平行 根据这一特性 可以在图上以任意点为中心作出一系列不同值的标尺线 实际应用时 只需要把等值的标尺线平移到空气状态点 就可以绘出该空气的状态变化过程了 在工程中 除了用平行线法作热湿比线外 还采用在图上直接绘制线的方法 此方法要更精确些 8 27 8 2焓湿图的应用 图8 6热湿比与状态变化过程线 8 2焓湿图的应用 图中缺少空气的另一状态参数 密度 或比容 的等值线 这是因为在空调应用范围内 空气的密度变化不大 一般是在1 26 1 12kg m3之间 在计算时常取为1 2kg m3 因而图上不再标出 还需要指出的是 在不同的大气压力B下 如果值相同 用公式 8 14 求得的d值则不同 d值随着大气压力B的增加而减小 随着大气压力B的减小而增加 因此绘出的等线也不同 如图8 7所示 但在大气压力B相差不大时 所得结果误差不大 如果大气压力减小1000Pa左右时 空气得比容 含湿量只增大1 左右 相对湿度减小2 这时采用一个图 工程上是允许的 但当大气压力变化大时 就需要有若干张图 8 2焓湿图的应用 图8 7相对湿度随大气压力变化图 8 2焓湿图的应用 8 2 2湿空气焓湿图应用 8 2 2 1空气状态变化过程在图上的表示利用图不仅能够确定空气的状态和状态参数 而且可以表示空气的状态变化 各种变化过程的方向和特征可用角系数来表示 下面介绍几种典型的过程 如图8 8所示 1 等湿 干式 加热过程空气调节中常用表面式空气加热器 或电加热器 来处理空气 当空气通过加热器时获得了热量 提高了温度 但含湿量并没变化 因此 空气状态变化是等湿增焓升温过程 过程线为A B 在状态变化过程中 故其热湿比为 8 28 8 2焓湿图的应用 图8 8几种典型的空气状态变化过程 8 2焓湿图的应用 2 等湿 干式 冷却过程如果用表面式冷却器处理空气 且其表面温度比空气露点温度高 则空气将在含湿量不变的情况下冷却 其焓值必相应减少 因此 空气状态为等湿 减焓 降温过程 如图中A C由于 故其热湿比为 8 29 3 等焓减湿过程用固体吸湿剂 例如硅胶 处理空气时 水蒸气被吸附 空气的含湿量降低 空气失去潜热 而得到水蒸气凝结时放出的汽化热使温度增高 但焓值基本没变 只是略微减少了凝结水带走的液体热 空气近似按等焓减湿升温过程变化 如图中A D所示 其值为 8 30 8 2焓湿图的应用 4 等焓加湿过程用喷水室喷循环水处理空气时 水吸收空气的热量而蒸发为水蒸气空气失掉显热量 温度降低 水蒸气到空气中使含湿量增加 潜热量也增加 由于空气失掉显热 得到潜热 因而空气焓值基本不变 所以称此过程为等焓加湿过程 由于此过程与外界没有热量交换 故又称为绝热加湿过程 此时 循环水温将稳定在空气的湿球温度上 如图A E所示 由于状态变化前后空气焓值相等 因而为此过程和湿球温度计表面空气的状态变化过程相似 严格地讲 空气的焓值也是略有增加的 其增加值为蒸发到空气中的水的液体热 但因这部分热量很少 因而近似认为绝热加湿过程是一等焓过程 8 31 8 2焓湿图的应用 5 等温加湿过程如图中A F过程 这也是一个典型的状态变化过程 是通过向空气喷蒸汽而实现的 空气中增加水蒸气后 其焓和含湿量都将增加 焓的增加值为加人蒸汽的全热量 即 8 32 式中 每kg干空气增加的含湿量 kJ kg d a 水蒸气的焓 其值为 kJ kg 此过程的值为 8 33 如果喷入蒸汽温度为100 左右 则 2690 该过程线与等温线近似平行 故为等温加湿过程 8 2焓湿图的应用 6 减湿冷却 或冷却干燥 过程如果用表面冷却器处理空气 当冷却器的表面温度低于空气的露点温度时 空气中的水蒸气将凝结为水 从而使空气减湿 或谓干燥 空气的变化过程为减湿冷却过程或冷却干燥过程 此过程线如图A G 因为空气焓值及含湿量均减少 故热湿比为 8 34 如果用水温低于空气露点温度的水处理空气 也能实现此过程 以上介绍了空气调节中常用的六种典型空气状态变化过程 从图8 8可看出代表四种过程的和 0的两条线将图平面分成了四个象限 每个象限内的空气状态变化过程都有各自的特征 详见表8 2 8 2焓湿图的应用 表8 2空气状态变化的四个象限及特征表 8 2焓湿图的应用 8 2 2 2两种不同状态空气的混合不同状态的空气互相混合 在空调过程中是最基本 最节能的处理过程 主要是从节省冷量或热量的角度考虑 以提高空调系统的经济性 例如 在空调一次 或二次 回风系统中 经常遇到两种不同状态空气的混合情况 新回风的混合 冷热风的混合 干湿风的混合等等 当然 前提应满足新鲜空气的需要量 1 混合空气状态点的确定如图8 9所示 在混合过程中 如与外界没有热 湿交换 根据质量平衡 热量平衡和湿量平衡可以列出下列的方程式 质量平衡 能量平衡 8 2焓湿图的应用 湿量平衡 联解上面的方程式可得 综合 8 35 和 8 36 两式可得 8 37 即可以推出 8 38 8 35 8 36 8 2焓湿图的应用 显然 在图中是直线BC的斜率 而是直线CA的斜率 两斜率相等 因此两直线互相平行 又因为C为公共点 因而A B C必然在同一条直线上 根据三角形相似原理和平行切割定理 即可以确定比例关系 此结果表明 当两种不同状态的空气混合时 混合点在过两种空气状态点的连线上 并将过两状态点的连线分为两段 所分两段线段的长度之比与参与混合的两种状态空气的质量成反比 即混合点靠近质量大的空气状态点一端 8 39 8 2焓湿图的应用 2 雾区点的确定如果混合点C出现在 有雾区 这种空气状态只能是暂时的 多余的水蒸汽会立即凝结 从而从空气中分离出来 空气仍然恢复到饱和状态 在空气变化过程中 凝结的水分带走了水的显热 因此空气的焓略有降低 空气变化过程C D 并存在如下的关系 8 40 式中 是三个相互关联的未知数 如图8 10所示 要确定焓值 必须通过试算法 从点C引出很多过程线 分别与的饱和线交于不同的D点 从其中找出一组 值正好符合公式的恒等关系 则该即为真正的饱和空气焓 D点就是所求的混合空气状态点 实际上 由于水带走的显热很少 因此空气变化的过程线也可以近似看作等焓过程 8 2焓湿图的应用 图8 10过饱和区空气状态的变化过程 8 2焓湿图的应用 图8 9两种状态空气的混合在图上表示 8 2焓湿图的应用 图8 11例8 1图 8 2焓湿图的应用 例8 1 某空调系统采用新风和部分室内回风混合处理后送入空调房间 如图8 11所示 已知大气压力 101325Pa 回风量 10000kg h 回风状态的 20 60 新风量 2500kg