湿空气

第十二章 湿空气 一般情况下，空气中或多或少都含有一些水蒸气，故称其 为湿空气。完全不含水蒸气的空气称为干空气。虽然在一般情 况下由于水蒸气含量很小，在分析空气的状态变化时可以不考 虑水蒸气的影响。但是，经常有一些状态变化过程涉及到空气 中水蒸气所产生的影响，这时就必须分析空气中水蒸气的含量 及状态的变化特点。例如，在物料的干燥及加湿过程中，在采 暖通风、空气调节工程中，都涉及到这类过程。本章主要讲述 有关湿空气的基本概念，描述湿空气状态的参数及其相互关 系，确定湿空气状态的方法和湿空气的过程。 12-1 湿空气的一般概念 湿空气是干空气和水蒸气的混合物。在常温常压下，湿空气 中水蒸气的分压力很低，可以近似地看作理想气体，因而湿空气 可以看作为理想气体混合物。按理想气体混合物的性质，湿空气 的压力p应为干空气的分压力pa与水蒸气的分压力pv之和，即 p＝pa+pv (12-1) 一般情况下，湿空气中水蒸气的分压力总是低于空气温度所 对应的饱和压力，即湿空气中的水蒸气处于过热蒸汽的状态。这 种由过热水蒸气和干空气组成的湿空气称为未饱和湿空气。未饱 和湿空气中水蒸气的状态如图12-1上点A所示。如保持湿空气的 温度不变，使湿空气中水蒸气的含量增加，则湿空气中水蒸气的 分压力pv也随之增大。当pV增大至当时空气温度所对应的饱和压 12-1 湿空气的一般概念 ·297· 图12-1 湿空气中水蒸气状态示意图 力ps时，水蒸气达到饱和状态，如图上B点所示。这时湿空气中 水蒸气的含量达到对应温度下的最大值。这种由饱和水蒸气和干 空气所组成的湿空气称为饱和湿空气。 如果湿空气受冷而温度降低，则湿空气中水蒸气在其分压力 pv保持不变的条件下温度不断降低，其状态变化过程如图上A-C 所示。当湿空气的温度降低到水蒸气的分压力pv所对应的饱和温 度时，水蒸气达到饱和状态，如图上C点所示。从C点开始，如 果湿空气再受冷，就会在湿空气中出现露滴。因此，把湿空气中 水蒸气的分压力pv所对应的饱和温度称为湿空气的露点温度，或 简称露点，用td表示。 露点可用露点计或湿度计测定。露点计中利用乙醚在金属容 器中蒸发而使容器表面温度连续下降，当容器外表面上开始出现 露滴时的温度，就是湿空气的露点温度。根据露点温度的定义， 露点温度所对应的饱和压力就是湿空气中水蒸气的分压力pv，故 可利用饱和水蒸气表或图查取。 12-2 绝对湿度、相对湿度和含湿量 湿空气中水蒸气的含量是影响湿空气状态的一个重要参数。 第十二章 湿空气 ·298· 因此，湿空气状态的确定，除了常用的p、v、T、h等参数外，还 必须有描述湿空气中水蒸气含量的参数。 湿空气中水蒸气的含量，通常采用绝对湿度、相对湿度和含 湿量等参数从不同的方面来说明。 每立方米湿空气中含有的水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿 度。绝对湿度的数值，等于湿空气温度及水蒸气分压力所确定的 状态下水蒸气的密度 。绝对湿度的数值可由水蒸气图或表查 得OF3也可按理想气体状态方程式近似计算，即 vρ vρ ＝ V mV ＝ TR p Vg, V (12-2) 式中，Rg,v为水蒸气的气体常数。 在一定的温度下，饱和湿空气中所含水蒸气的量达最大值， 故其绝对湿度值最大。因此，可取未饱和湿空气的绝对湿度和饱 和湿空气的绝对湿度的比值，表示湿空气中水蒸气含量的饱和程 度，称为相对湿度，用ϕ 表示，即 ϕ ＝ s V ρ ρ (12-3) 式中， 为饱和湿空气的绝对湿度。相对湿度说明了湿空气进 一步吸收水蒸气的能力。相对湿度愈小，其吸收水蒸气的能力愈 大，而相对湿度为100％的饱和湿空气，其吸收水蒸气的能力为 零。若根据理想气体状态方程近似计算，相对湿度可按式(12-2) 表示为 sρ ϕ ＝ s v p p (12-3a) 相对湿度常用毛发湿度计或干湿球温度计测定。干湿球温度 计由两个温度计组成。一个为普通温度计，称为干球温度计，另 一个是湿球温度计，它是一个在水银球上包有湿布的普通温度 计。干球温度计所测得的温度，就是湿空气的温度。湿球温度计 所测得的温度则是湿布中水的温度。在未饱和湿空气中，湿布中 12-2 绝对湿度、相对湿度和含湿量 ·299· 的水总在不断蒸发，并要吸收汽 化热，因此湿布中水的温度将低 于湿空气的温度。湿空气的相对 湿度愈小，湿布中水分蒸发得愈 快，而湿球温度就愈低。反之， 在饱和湿空气中，湿布中的水不 能蒸发，于是湿球温度和干球温 度相等。将湿空气的相对湿度和 干球温度、湿球温度间的对应关 系画成图线(如图12-2所示)，就 可按照干、湿球温度计上的读 数，查取所测空气的相对湿度。 图12-2 按照干、湿球温度确定湿空气相对湿度的图线，一般是在大 气压力为0.1 MPa的条件下绘制的。当大气压力偏离0.1 MPa很多 时，需加以适当的修正。 需注意的是，湿球温度不仅与湿空气的相对湿度有关，而且 还受蒸发和传质速率的影响。显然，相对湿度相同的湿空气，流 速大时要比流速小时的湿球温度低。实验表明，当空气流速在 2～10 m/s范围内，可忽略流速对湿球温度的影响。在查图表和 进行计算时，应以这种通风式干、湿球温度计的读数为准。 在湿空气的湿度调节或物料的干燥及加湿处理过程中，湿空 气中干空气的质量是不变的，因而经常采用相对于单位质量干空 气的湿空气所含有的水蒸气的质量，来表示湿空气中水蒸气的含 量，称为含湿量，用d表示，其单位常用g/kg(干空气)。因此， 含湿量的定义可表示为 d＝1 000 s v m m ＝1 000 s v ρ ρ g/kg(干空气) (12-4) 若按理想气体状态方程近似计算，则有 第十二章 湿空气 ·300· mv＝ TR Vp vg, v ma＝ TR Vp ag, a 即 s v m m ＝ s V p p gv ga R R 把干空气和水蒸气的气体常数Rg,a＝287.1 J/(kg·K)及Rg,v＝461.5 J/(kg K)代入上式，即可按式(12-4)把含湿量近似地表示为 d＝622 a v p p 作为理想气体的混合物，有pa＝p－pv。于是可得 d＝622 V V pp p − (12-4a) 又按相对湿度的关系式ϕ＝pv /ps ，上式可表示为 d＝622 s s pp p ϕ ϕ − (12-5) 该式说明：当湿空气的压力p一定时，湿空气的含湿量d取决于湿 空气的相对湿度ϕ。当相对湿度为100％，即水蒸气的分压力等 于饱和压力ps时，含湿量d就达到最大值。如果提高湿空气的温 度，则对应的水蒸气的饱和压力ps即增高，因而湿空气的最大含 湿量也随之增大。 例12-1 设大气压力为0.1 MPa，温度为30 ℃，相对湿度为60%，试求 湿空气的露点温度、绝对湿度及含湿量。 解 根据饱和水蒸气表，30 ℃时ps＝0.004 24 MPa，干饱和蒸汽的密度 ρ"＝0.030 37 kg/m3 。 (1)露点温度 已知相对湿度ϕ＝60%，故可以得到 pv＝ϕ ps＝0.6×0.004 241 MPa=0.002 544 MPa 根据饱和水蒸气表，当ps＝0.002 544 MPa时，ts＝21.5 ℃，该温度即为露点 12-2 绝对湿度、相对湿度和含湿量 ·301· 温度。 (2)绝对湿度 按相对湿度为60%时，有 ρv＝ϕρs＝0.6×0.030 37 kg/m3=0.018 22 kg/m3 (3)含湿量 d＝622 v v pp p − ＝622× MPa 544 002.0MPa 1.0 MPa 544 002.0 − ＝16.2 g/kg干空气 12-3 湿空气的焓-含湿量图 为分析计算湿空气的状态变化及其水蒸气含量的变化，除应 用公式进行计算外，还可应用根据有关计算式制成的工程用的线 图。我国常用的线图是焓-含湿量图或称h-d图。 因湿空气的各种过程主要是考虑湿空气中水蒸气含量发生变 化时的有关问题，故湿空气过程分析总是按单位质量干空气所对 应的湿空气进行计算。这时，湿空气的焓值为1 kg干空气的焓与 d g水蒸气的焓之和，即 h＝ha+0.001dhv (12-6) 式中，h、ha、hv的单位为kJ/kg(干空气)；d的单位为g/kg(干空 气)。若规定0 ℃时干空气的焓及饱和水的焓为零，则按焓的表 示式可得 ha＝cp0,a t＝1.004t hv＝L0℃+cp,v t＝2 501+1.859t 把这两个关系式代入焓的表达式可得 h＝1.004t+0.001d(2 501+1.859t) (12-6a) 在焓-含湿量图上有下述图线，如图12-3所示： ⑴定含湿量线。如图上d＝dA线所示，它是一组垂直线。 ⑵定焓线。如图上h＝hA线所示，它是与垂直线成135°角的 一组直线。 第十二章 湿空气 ·302· ⑶定温线。如图上t＝ tA线所示。由式 (12-6a)可 知，当温度为定值时，焓h 和含湿量d之间保存线性关 系，故定温线为一直线， 但不同温度的定温线其斜 率不同。 ⑷定相对湿度线。如 图上ϕ＝ϕA线所示，它是一 组曲线。ϕ＝100％的曲线即为饱和曲线，ϕ<100％的区域则为未 饱和湿空气区。图中ϕ＝100％曲线以下的部分是无意义的，故 为空白； 图12-3 湿空气h-d图的示意图 ⑸含湿量与水蒸气分压力的换算关系线，即pv＝f(d)线。该 线给出了pv与d的对应数值。 本书附录中的焓-含湿量图是按湿空气压力等于0.1 MPa的条 件所绘制的，若用于分析湿空气压力范围为0.1±0.025 MPa的湿 空气性质，所得结果的误差小于2％。 利用焓-含湿量图，可以确定湿空气的各种参数，也可以表 示和分析湿空气的变化过程。 例12-2 按例12-1条件，即湿空气压力为0.1 MPa、温度为30 ℃、相对 湿度为60%，试由h-d图求湿空气的露点温度、焓、含湿量及水蒸气的分压 力。 解 查附录中湿空气的h-d图，当t＝30℃及ϕ＝60%时，有 含湿量 d＝16.2 g/kg(干空气) 焓 h＝71.5 kJ/kg(干空气) 水蒸气分压力pv：由d＝16.2线和pv＝f(d)线的交点，得pv＝2.5 kPa＝ 2.5×10-3 MPa。 露点温度td：由d＝16.2线和ϕ＝100%的饱和曲线的交点，得该点温度 12-3 湿空气的焓-含湿量图 ·303· 为21.5 ℃，即td＝21.5 ℃。 12-4 湿空气的热力过程 工程中经常涉及到的湿空气热力过程是湿空气的加热、冷却 及冷却去湿、加湿、混合过程。对湿空气热力过程的分析，主要 是讨论湿空气的状态变化，及其与外界的能量交换情况。下面介 绍工程上几种典型的湿空气热力过程。 一、加热过程 工程中湿空气的加热过程， 一般是在定压条件下完成的。加 热过程的特征是，湿空气温度升 高，含湿量保持不变。如图12-4 中过程1-2所示，在焓-含湿量图 上，湿空气的加热过程沿定含湿 量线向温度升高的方向进行，湿 空气的焓值增加，相对湿度降 低。 图12-4 加热过程中，湿空气的吸热 量等于其焓值的增加，即 q＝h2－h1 式中，h1、h2为单位质量干空气的湿空气在过程初、终态时的焓 值。 二、冷却及冷却去湿过程 未饱和湿空气和饱和湿空气的冷却过程具有不同的特点。 未饱和湿空气的冷却过程与加热过程的特征相反。在冷却过 第十二章 湿空气 ·304· 程中，湿空气保持含湿量不变，温度降低。如图12-4中过程1-2' 所示，在焓-含湿量图上，未饱和湿空气的冷却过程沿定含湿量 线向温度降低的方向进行，焓值减小，相对湿度增大。 如图12-4所示，如将湿空气继续冷却至3点，温度降至其露 点温度，湿空气达到饱和状态。如再进一步冷却，就有水蒸气不 断凝结析出，湿空气的含湿量随之降低，即饱和湿空气的冷却过 程伴随着去湿作用，所以常被称为冷却去湿过程。如图12-4中过 程3-4所示，在焓-含湿量图上，湿空气的冷却去湿过程沿着ϕ＝ 100％的相对湿度线含湿量减小的方向进行。在该过程中，湿空 气的温度、焓也都降低。 如在冷却去湿过程中，含单位质量干空气的湿空气析出的水 份为d3-d4。根据热力学第一定律可知，冷却去湿过程中，湿空 气的焓降应等于冷却介质带走的热量与凝结水带走的能量之和， 即 h3－h4＝q+0.001(d3－d4)hv 式中：h3、d3和h4、d4分别为单位质量干空气的湿空气的初、终 态时的焓与含湿量；q为冷却介质带走的热量；hv为凝结水的比 焓。 三、绝热加湿过程 在绝热的条件下，湿空气吸收水分，其含湿量增加的过程， 称为湿空气的绝热加湿过程。 绝热加湿过程中，单位质量干空气的湿空气吸收的水分为d2 －d1，湿空气的焓增为水分带入的能量，即 h2－h1＝0.001(d2－d1)hv 式中：h1、d1和h2、d2分别为单位质量干空气的湿空气的初、终 态时的焓与含湿量；hv为水的焓。因为过程中水分带入湿空气中 的能量0.001(d2－d1)hv与湿空气的焓h1、h2相比很小，可忽略不 计，即 12-4 湿空气的热力过程 ·305· h1≈h2 图12-5 因此，湿空气的绝热加湿过程可 近似地看作定焓过程。在h—d图 上，湿空气的绝热加湿过程应沿 等焓线向含湿量增大的方向进 行。 由于绝热加湿过程中，水分 蒸发生成水蒸气需从空气中吸收 汽化潜热，使得湿空气的温度降 低，所以该过程也称为蒸发冷却 过程。 四、绝热混合过程 将状态不同的湿空气气流混合，可得到满足温度及湿度要求 的湿空气。忽略混合过程中气流与外界的热量交换，可认为混合 过程是在绝热条件下进行的。 气流绝热混合所得到的湿空气的状态，取决于混合前湿空气 各气流的流量及状态。 设混合前湿空气各气流的流量、含湿量及比焓分别为 ， ，⋯， 、d1，d2，⋯，dn 和h1，h2，⋯，hn，而混合后湿 空气的流量、含湿量及比焓为 、d及h，则根据质量守恒定 律，有 1mq 2mq mnq mq mq ＝ + +⋯+ 1mq 2mq mnq mq d＝ d1+ d2+⋯+ dn 1mq 2mq mnq 根据热力学第一定律，有 mq h＝ h1+ h2+⋯+ hn 1mq 2mq mnq 根据混合前湿空气各气流的流量和状态，即可按以上三式确定绝 热混合后湿空气的流量和状态。 第十二章 湿空气 ·306· 例12-3 设大气压力为0.1 MPa，温度为30 ℃，相对湿度为80%。如果 利用空气调节设备使温度降到10 ℃去除水分，然后加热到20 ℃，试确定所 得空气的相对湿度。 解 利用附录中湿空气的h-d图，按下列各过程求解，则各过程的关系 如图12-6所示。 (1)由t1＝30 ℃、ϕ1＝80%得1 点含湿量d1＝22 g/kg（干空气）。 图12-6 (2)自点1按定含湿量过程冷却 降温至点2，ϕ2＝100%，即饱和湿 空气。 (3)饱和湿空气继续冷却时，部 分水蒸气凝结为水而析出，湿空气 沿饱和空气线(ϕ ＝100%)降低含湿 量。当温度降低至10 ℃时，含湿量 降为d3＝7.8 g/kg(干空气)。 (4)接着进行加热过程，湿空气的含湿量保持不变，沿d＝7.8 g/kg(干空 气)的定含湿量线升温至20 ℃，这时湿空气的相对湿度 4ϕ ＝52%。这就是 所求的终了状态的相对湿度。 例12-4 设大气压力为0.1 MPa，温度为20 ℃，相对湿度为60%，现将 空气加热至温度为50 ℃，送入干燥箱用于干燥物品。若空气从干燥箱出来 时的温度为30 ℃，试求空气从干燥箱内 物品带出的水分。 图12-7 解 利用附录中湿空气的h-d图分析 该过程，如图12-7所示。 (1)由t1＝20 ℃、 1ϕ ＝60%得d1＝8.9 g/kg(干空气)。 (2)自点1加热空气时，含湿量d1不 变，湿空气沿定含湿量线温度升高到t2 ＝50 ℃。由点2知相对湿度 2ϕ ＝12%， 12-4 湿空气的热力过程 ·307· 焓h2＝73.5 kJ/kg(干空气)。 (3)在干燥箱内，物品从热空气吸热而使水分汽化，使湿空气的含湿量 增加。同时，水蒸气把从热空气所得的热量仍以水蒸气焓的形式带回湿空 气，故湿空气的焓不变。因此，将沿h＝73.5 g/kg(干空气)的定焓线降低至 30 ℃，于是可由图确定湿空气终态的相对湿度 3ϕ ＝64%，含湿量d3＝17.1 g/kg(干空气)。 由上可知，空气从干燥箱内物品带出的水分，即为过程前后湿空气的 含湿量之差，即 d3－d2＝17.1 g/kg(干空气)－8.9 g/kg(干空气)=8.2 g/kg(干空气) 此时，只要知道湿空气的流量，就可得到单位时间带走的水分。 思 考 题 12-1 湿空气的湿球温度和露点温度的数值何者大？在什么条件下两 者的数值相等？ 12-2 含湿量和相对湿度都是说明湿空气中水蒸气含量的参数，但两 者又各有什么不同的意义？ 12-3 湿空气的含湿量大是否一定天气潮湿？ 12-4 冬季由室外向室内输送空气时除应加热提高其温度外，还应作 何种处理？ 习 题 12-1 设湿空气中水蒸气的状态为：(1)pv＝0.001 MPa，t＝20 ℃； (2)pv＝0.004 MPa，t＝29 ℃。试求按水蒸气表及理想气体状态方程确定水 蒸气的比体积所产生的差别。 12-2 湿空气的温度为50 ℃，相对湿度为50%，试求绝对湿度及水蒸 气的分压力。 12-3 设大气压力为0.1 MPa，干球温度为40 ℃，湿球温度为32 ℃， 第十二章 湿空气 ·308· 试求相对湿度及绝对湿度。 12-4 按习题12-1的条件，设湿空气的压力为0.1 MPa，试求湿空气的 密度按理想气体状态方程及按水蒸气表计算所产生的差别。 12-5 设大气压力为0.1 MPa，温度为35 ℃，相对湿度为60%，试求在 通风良好的遮荫处放置的水可能达到的最低温度。 12-6 冬天，室外空气温度为0 ℃、压力为0.1 MPa、相对湿度为 80%，引入室内后温度升高至17 ℃，试根据湿空气的h-d图确定室内空气的 相对湿度。 12-7 湿空气的压力为0.1 MPa，温度为30 ℃，相对湿度为90%。现欲 得温度为20 ℃、相对湿度为76%的湿空气，试用h-d图求解该空气调节过 程。 12-8 湿空气的压力为0.1 MPa，温度为10 ℃，相对湿度为50%。现欲 得到温度为20℃、相对湿度为70%的湿空气，试用h-d图求解该空气调节过 程，并求所需的加热量及加入的水分。 12-9 设大气压力为0.1 MPa、温度为15 ℃、相对湿度为40%，现将空 气加热至50 ℃，然后送入干燥箱用于干燥物品。若空气从干燥箱出来时的 温度为30 ℃，试求空气带出的水份及消耗的热量。 12-10 空气调节时常用两股不同温度及湿度的空气流混合，以获得所 需温度和湿度的空气。试根据质量守恒及能量守恒关系， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 合流的状态 关系为 2 1 hh hh − − ＝ 2 1 dd dd − − ＝ 1 2 m m 12-11 设有两股空气流，其状态为p1＝p2＝0.1 MPa，t1＝10 ℃、 1ϕ ＝40%，t2＝25 ℃、ϕ2＝80%。若流量 ＝20 kg/min、 ＝30 kg/min， 试求合流后空气的相对湿度、温度和含湿量。按上题所得关系利用h-d图求 解。 m1q m2q