吉大工程熱力學(xué)講義第12章 濕空氣VIP

一般情況下，空氣中或多或少都含有一些水蒸氣，故稱其為濕空氣。完全不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。雖然在一般情況下由于水蒸氣含量很小，在分析空氣的狀態(tài)變化時(shí)可以不考慮水蒸氣的影響。但是，經(jīng)常有一些狀態(tài)變化過程涉及到空氣中水蒸氣所產(chǎn)生的影響，這時(shí)就必須分析空氣中水蒸氣的含量及狀態(tài)的變化特點(diǎn)。例如，在物料的干燥及加濕過程中，在采暖通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)工程中，都涉及到這類過程。本章主要講述有關(guān)濕空氣的基本概念，描述濕空氣狀態(tài)的參數(shù)及其相互關(guān)濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物。在常溫常壓下，濕空氣中水蒸氣的分壓力很低，可以近似地看作理想氣體，因而濕空氣可以看作為理想氣體混合物。按理想氣體混合物的性質(zhì)，濕空氣的壓力p應(yīng)為干空氣的分壓力pa與水蒸氣p＝pa+pv(12-1)一般情況下，濕空氣中水蒸氣的分壓力總是低于空氣溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力，即濕空氣中的水蒸氣處于過熱蒸汽的狀態(tài)。這種由過熱水蒸氣和干空氣組成的濕空氣稱為未飽和濕空氣。未飽和濕空氣中水蒸氣的狀態(tài)如圖12-1上點(diǎn)A所示。如保持濕空氣的溫度不變，使?jié)窨諝庵兴魵獾暮吭黾?，則濕空氣中水蒸氣的分壓力pv也隨之增大。當(dāng)pV增大至當(dāng)時(shí)空氣溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力ps時(shí)，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，如圖上B點(diǎn)所示。這時(shí)濕空氣中水蒸氣的含量達(dá)到對(duì)應(yīng)溫度下的最大值。這種由飽和水蒸氣和干如果濕空氣受冷而溫度降低，則濕空氣中水蒸氣在其分壓力pv保持不變的條件下溫度不斷降低，其狀態(tài)變化過程如圖上A-C所示。當(dāng)濕空氣的溫度降低到水蒸氣的分壓力pv所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，如圖上C點(diǎn)所示。從C點(diǎn)開始，如果濕空氣再受冷，就會(huì)在濕空氣中出現(xiàn)露滴。因此，把濕空氣中水蒸氣的分壓力pv所對(duì)應(yīng)的飽和溫度稱為濕空氣的露點(diǎn)溫度，或簡稱露點(diǎn)，用td表示。露點(diǎn)可用露點(diǎn)計(jì)或濕度計(jì)測定。露點(diǎn)計(jì)中利用乙醚在金器中蒸發(fā)而使容器表面溫度連續(xù)下降，當(dāng)容器外表面上開始出現(xiàn)露滴時(shí)的溫度，就是濕空氣的露點(diǎn)溫度。根據(jù)露點(diǎn)溫度的定義，露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力就是濕空氣中水蒸氣的分壓力pv，故濕空氣中水蒸氣的含量，通常采用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和含每立方米濕空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量稱為濕空氣的絕對(duì)濕度。絕對(duì)濕度的數(shù)值，等于濕空氣溫度及水蒸氣分壓力所確定的狀態(tài)下水蒸氣的密度ρv。絕對(duì)濕度的數(shù)值可由水蒸氣圖或表查在一定的溫度下，飽和濕空氣中所含水蒸氣的量達(dá)最大值，故其絕對(duì)濕度值最大。因此，可取未飽和濕空氣的絕對(duì)濕度和飽和濕空氣的絕對(duì)濕度的比值，表示濕空氣中水蒸氣含量的飽和程度，稱為相對(duì)濕度，用φ表示，即式中，ρs為飽和濕空氣的絕對(duì)濕度。相對(duì)濕度說明了濕空氣進(jìn)一步吸收水蒸氣的能力。相對(duì)濕度愈小，其吸收水蒸氣的能力愈大，而相對(duì)濕度為100％的飽和濕空氣，其吸收水蒸氣的能力為零。若根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程近似計(jì)算，相對(duì)濕度可按式(12-2)相對(duì)濕度常用毛發(fā)濕度計(jì)或干濕球溫度計(jì)測定。干濕球溫度計(jì)由兩個(gè)溫度計(jì)組成。一個(gè)為普通溫度計(jì)，稱為干球溫度計(jì)，另一個(gè)是濕球溫度計(jì)，它是一個(gè)在水銀球上包有濕布的普通溫度計(jì)。干球溫度計(jì)所測得的溫度，就是濕空氣的溫度。濕球所測得的溫度則是濕布中水的溫度。在未飽和濕空氣中，濕布中 的水總在不斷蒸發(fā)，并要吸收汽化熱，因此濕布中水的溫度將低于濕空氣的溫度。濕空氣的相對(duì)濕度愈小，濕布中水分蒸發(fā)得愈快，而濕球溫度就愈低。反之，在飽和濕空氣中，濕布中的水不能蒸發(fā)，于是濕球溫度和干球溫度相等。將濕空氣的相對(duì)濕度和干球溫度、濕球溫度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系畫成圖線(如圖12-2所示)，就可按照干、濕球溫度計(jì)上的讀氣壓力為0.1MPa的條件下繪制的。當(dāng)大氣壓力偏離0.1MPa很多需注意的是，濕球溫度不僅與濕空氣的相對(duì)濕度有關(guān)還受蒸發(fā)和傳質(zhì)速率的影響。顯然，相對(duì)濕度相同的濕空氣，流速大時(shí)要比流速小時(shí)的濕球溫度低。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)空氣流速在2～10m/s范圍內(nèi)，可忽略流速對(duì)濕球溫度的影響。在查圖表和氣中干空氣的質(zhì)量是不變的，因而經(jīng)常采用氣的濕空氣所含有的水蒸氣的質(zhì)量，來表示干空氣)(12-4)mpVRgavmpVRgamspsRgvJ/(kgK)代入上式，即可按式(12-4)把含濕量近似地又按相對(duì)濕度的關(guān)系式φ=pv/ps，上式可表示為該式說明：當(dāng)濕空氣的壓力p一定時(shí)，濕空氣的含濕量d取決于濕空氣的相對(duì)濕度φ。當(dāng)相對(duì)濕度為100％，即水蒸氣的分壓力等于飽和壓力ps時(shí)，含濕量d就達(dá)到最大值。如果提高濕空氣的溫度，則對(duì)應(yīng)的水蒸氣的飽和壓力ps即增高，因而濕空氣的最大含例12-1設(shè)大氣壓力為0.1MPa，溫度為30℃,相對(duì)濕度為60%，試求3。已知相對(duì)濕度φ=60%，故可以得到pv=φps＝0.6×0.004241MPa=0.002544MPa根據(jù)飽和水蒸氣表，當(dāng)ps＝0.002544MPa時(shí)，ts＝21.5℃,該溫度即為露點(diǎn) 干空氣為分析計(jì)算濕空氣的狀態(tài)變化及其水蒸氣含量用公式進(jìn)行計(jì)算外，還可應(yīng)用根據(jù)有關(guān)計(jì)算式制成的工程用的線化時(shí)的有關(guān)問題，故濕空氣過程分析總是按單位質(zhì)量干空氣所對(duì)應(yīng)的濕空氣進(jìn)行計(jì)算。這時(shí)，濕空氣的焓值為1kg干空氣的焓與式中，h、ha、hv的單位為kJ/kg(干空氣)；d的單位為g/kg(干空氣)。若規(guī)定0℃時(shí)干空氣的焓及飽和水的焓為零，則按焓的表h＝1.004t+0.001d(2501+1.859t)⑶定溫線。如圖上t=tA線所示。由式(12-6a)可知，當(dāng)溫度為定值時(shí)，焓h和含濕量d之間保存線性關(guān)系，故定溫線為一直線，但不同溫度的定溫線其斜⑷定相對(duì)濕度線。如圖上φ=飽和濕空氣區(qū)。圖中φ=100％曲線以下的部分是無意義的，故⑸含濕量與水蒸氣分壓力的換算關(guān)系線，即pv＝f(d)線。該本書附錄中的焓-含濕量圖是按濕空氣壓力等于0.1MPa的條件所繪制的，若用于分析濕空氣壓力范圍為0.1±0.025MPa的濕利用焓-含濕量圖，可以確定濕空氣的各種參數(shù)，也可以表例12-2按例12-1條件，即濕空氣壓力為0.1MPa、溫度為30℃、相對(duì)濕度為60%，試由h-d圖求濕空氣的露點(diǎn)溫度、焓、含濕量及水蒸氣的分壓解查附錄中濕空氣的h-d圖，當(dāng)t＝30℃及φ=60%時(shí)，有水蒸氣分壓力pv：由d＝16.2線和pv＝f(d)線的交點(diǎn)，得pv＝2.5kPa=2.5×10-3MPa。露點(diǎn)溫度td：由d＝16.2線和φ=100%的飽和曲線的交點(diǎn)，得該點(diǎn)溫度 為21.5℃,即td＝21.5℃。工程中經(jīng)常涉及到的濕空氣熱力過程是濕空氣的加熱、冷卻及冷卻去濕、加濕、混合過程。對(duì)濕空氣熱力過程的分是討論濕空氣的狀態(tài)變化，及其與外界的能量交換情況。下面介工程中濕空氣的加熱過程，一般是在定壓條件下完成的。加熱過程的特征是，濕空氣溫度升高，含濕量保持不變。如圖12-4中過程1-2所示，在焓-含濕量圖上，濕空氣的加熱過程沿定含濕量線向溫度升高的方向進(jìn)行，濕空氣的焓值增加，相對(duì)濕度降加熱過程中，濕空氣的吸熱式中，h1、h2為單位質(zhì)量干空氣的濕空氣在過程初、終態(tài)時(shí)的焓未飽和濕空氣的冷卻過程與加熱過程的特征相反。在冷程中，濕空氣保持含濕量不變，溫度降低。如圖12-4中過程1-2'所示，在焓-含濕量圖上，未飽和濕空氣的冷卻過程沿定含濕量如圖12-4所示，如將濕空氣繼續(xù)冷卻至3點(diǎn)，溫度降至其露點(diǎn)溫度，濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)。如再進(jìn)一步冷卻，就有水蒸氣不斷凝結(jié)析出，濕空氣的含濕量隨之降低，即飽和濕空氣的冷卻過程伴隨著去濕作用，所以常被稱為冷卻去濕過程。如圖12-4中過程3-4所示，在焓-含濕量圖上，濕空氣的冷卻去濕過程沿著φ=100％的相對(duì)濕度線含濕量減小的方向進(jìn)行。在該過程中，濕空如在冷卻去濕過程中，含單位質(zhì)量干空氣的濕空氣析出的水份為d3-d4。根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，冷卻去濕過程中，濕空氣的焓降應(yīng)等于冷卻介質(zhì)帶走的熱量與凝結(jié)水帶走的能量之和，即式中：h3、d3和h4、d4分別為單位質(zhì)量干空氣的濕空氣的初、終態(tài)時(shí)的焓與含濕量；q為冷卻介質(zhì)帶走的熱量；hv為凝結(jié)水的比絕熱加濕過程中，單位質(zhì)量干空氣的濕空氣吸收的水分為d2-d1，濕空氣的焓增為水分帶入的能量，即式中：h1、d1和h2、d2分別為單位質(zhì)量干空氣的濕空氣的初、終態(tài)時(shí)的焓與含濕量；hv為水的焓。因?yàn)檫^程中水分帶入濕空氣中的能量0.001(d2－d1)hv與濕空氣的焓h1、h2相比很小，可忽略不 因此，濕空氣的絕熱加濕過程可近似地看作定焓過程。在h—d圖上，濕空氣的絕熱加濕過程應(yīng)沿等焓線向含濕量增大的方向進(jìn)將狀態(tài)不同的濕空氣氣流混合，可得到滿足溫氣流絕熱混合所得到的濕空氣的狀態(tài)，取決設(shè)混合前濕空氣各氣流的流量、含濕量及比焓分別為qm2，…空氣的流量、含濕量及比焓為qm、d及h，則根據(jù)質(zhì)量守恒定qm＝qm1+qm2+…+qmnqmd＝qm1d1+qm2d2+…+qmndnqmh＝qm1h1+qm2h2+…+qmnhn根據(jù)混合前濕空氣各氣流的流量和狀態(tài)，即可按以上三式確定絕例12-3設(shè)大氣壓力為0.1MPa，溫度為30℃,相對(duì)濕度為80%。如果利用空氣調(diào)節(jié)設(shè)備使溫度降到10℃去除水分，然后加熱到20℃,試確定所解利用附錄中濕空氣的h-d圖，按下列各過程求解，則各過程的關(guān)系(2)自點(diǎn)1按定含濕量過程冷卻降溫至點(diǎn)2，φ2＝100%，即飽和濕分水蒸氣凝結(jié)為水而析出，濕空氣沿飽和空氣線(φ=100%)降低含濕量。當(dāng)溫度降低至10℃時(shí)，含濕量(4)接著進(jìn)行加熱過程，濕空氣的含濕量保持不變氣)的定含濕量線升溫至20℃,這時(shí)濕空氣的相對(duì)濕度φ4＝52%。這就是例12-4設(shè)大氣壓力為0.1MPa，溫度為20℃,相對(duì)濕度為60%，現(xiàn)將空氣加熱至溫度為50℃,送入干燥箱用于干燥物品。若空氣從干燥箱出來時(shí)的溫度為30℃,試求空氣從干燥箱內(nèi)(2)自點(diǎn)1加熱空氣時(shí)，含濕量d1不變，濕空氣沿定含濕量線溫度升高到t2=50℃。由點(diǎn)2知相對(duì)濕度φ2＝12%， (3)在干燥箱內(nèi)，物品從熱空氣吸熱而使水分汽化，使?jié)窨諝獾暮瑵窳吭黾?。同時(shí)，水蒸氣把從熱空氣所得的熱量仍以水蒸氣焓的形式帶回濕空氣，故濕空氣的焓不變。因此，將沿h＝73.5g/kg(干空氣)的定焓線降低至30℃,于是可由圖確定濕空氣終態(tài)的相對(duì)濕度φ3＝64%，含濕量d3＝17.1由上可知，空氣從干燥箱內(nèi)物品帶出的水分，即為過程前后濕空氣的d3－d2＝17.1g/kg(干空氣)－8.9g/kg(干空氣12-1濕空氣的濕球溫度和露點(diǎn)溫度的數(shù)值何者大？在什么條件下兩12-2含濕量和相對(duì)濕度都是說明濕空氣中水蒸氣含量的參數(shù)，但兩12-4冬季由室外向室內(nèi)輸送空氣時(shí)除應(yīng)加熱提高其溫度外，還應(yīng)作12-1設(shè)濕空氣中水蒸氣的狀態(tài)為：(1)pv＝0.001MPa，t＝20℃;v＝0.004MPa，t＝29℃。試求按水蒸氣表12-2濕空氣的溫度為50℃,相對(duì)濕度為50%，試求絕對(duì)濕度及水蒸12-3設(shè)大氣壓力為0.1MPa，干球溫度為40℃,濕球溫度為32℃,12-4按習(xí)題12-1的條件，設(shè)濕空氣的壓力為0.1MPa，試求濕空氣的12-6冬天，室外空氣溫度為0℃、壓力為0.1MPa、相對(duì)濕度為80%，引入室內(nèi)后溫度升高至17℃,試根據(jù)濕空氣的h-d圖確定室內(nèi)空氣的12-7濕空氣的壓力為0.1MPa，溫度為30℃,相對(duì)濕度為90%?，F(xiàn)欲得溫度為20℃、相對(duì)濕度為76%的濕空氣，試用h-d圖求解該空氣調(diào)節(jié)過12-8濕空氣的壓力為0.1MPa，溫度為10℃,相對(duì)濕度為50%?，F(xiàn)欲得到溫度為20℃、相對(duì)濕度為