工程热力学湿空气样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。
第8章 湿 空 气
本章基本要求
理解绝对湿度、 相对湿度、 含湿量、 饱和度、 湿空气密度、 干球温度、 湿球温度、 露点温度和角系数等概念的定义式及物理意义。
熟练使用湿空气的焓湿图。
掌握湿空气的基本热力过程的计算和分析。

8.1 湿空气性质
一、 湿空气成分及压力
湿空气=干空气+水蒸汽

二、 饱和空气与未饱和空气
未饱和空气=干空气+过热水蒸汽 饱和空气=干空气+饱和水蒸汽
注意: 由未饱和空气到饱和空气的途径:
1． 等压降温
2． 等温加压
露点温度: 维持水蒸汽含量不变, 冷却使未饱和湿空气的温度降至水蒸汽的饱和状态, 所对应的温度。

三、 湿空气的分子量及气体常数

结论: 湿空气的气体常数随水蒸汽分压力的提高而增大

四、 绝对湿度和相对湿度
绝对湿度: 每立方米湿空气中所含水蒸汽的质量。
相对湿度: 湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度的比值,

相对湿度反映湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。
思考: 在某温度t下, 值小, 表示空气如何, 吸湿能力如何;
值大, 示空气如何, 吸湿能力如何。
相对湿度的范围: 0<<1。
应用理想气体状态方程 , 相对湿度又可表示为

五、 含温量(比湿度)
由于湿空气中只有干空气的质量不会随湿空气的温度和湿度而改变。定义:
含湿量(或称比湿度): 在含有1kg干空气的湿空气中, 所混有的水蒸气质量称为湿空气的)。
g/kg(a)
六、 焓
定义: 1kg干空气的焓和0.001dkg水蒸汽的焓的总和

代入: g/kg(a)
七、 湿球温度
用湿纱布包裹温度计的水银头部, 由于空气是未饱和空气, 湿球纱布上的水分将蒸发, 水分蒸发所需的热量来自两部分:
1． 降低湿布上水分本身的温度而放出热量。
2． 由于空气温度t高于湿纱布表面温度, 经过对流换热空气将热量传给湿球。

当达到热湿平衡时,湿纱布上水分蒸发的热量全部来自空气的对流换热,纱布上水分温度不再降低, 此时湿球温度计的读数就是湿球温度。

湿球加湿过程中的热平衡关系式:

由于湿纱布上水分蒸发的数量只有几克, 而湿球温度计的读数又较低, 在一般的通风空调工程中能够忽略不计。
因此

结论: 经过湿球的湿空气在加湿过程中, 湿空气是一个等焓过程。

8．2 湿空气的焓湿图

一、 定焓线与定含湿量线
二、 定干球温度线
三、 定相对湿度线
四、 水蒸汽分压力线

五、 热湿比
湿空气在热湿处理过程中, 由初态点1变化到终态点2。
若在过程1-2中, 在h-d图上热、 湿交换过程1-2将是连接初态点1与终态点2的一条直线, 这一条直线具有一定的斜率, 称为热湿比。

表明: 湿空气在热、 湿交换过程1-2的方向与特点
热湿比ε在h-d图上反映了过程线1-2的倾斜度, 也称角系数。

8．3 湿空气的基本热力过程

一、 加热过程
是干燥工程中不可缺少的组成过程之一。

状态参数:
kJ /kg(a)
二、 冷却过程

( 负值) kJ /kg(a)
若 等含湿量冷却

三、 绝热加湿过程

每kg干空气吸收水蒸汽: g /kg(a)
四、 定温加湿过程

kJ /kg(a)
五、 湿空气的混合
混合后的状态点:

六、 湿空气的蒸发冷却过程

例1: 如果室外空气的参数为p=1.0133bar, t=30℃,=0.90, 现欲经空气调节设备供给=20℃, =0.60的湿空气, 试用h-d图分析该空气调节过程, 并计算析出的水分及各过程中的热量。
解: 利用h-d图分析计算该题所给条件下的空调过程, 如图8.1, 根据所给条件t=30℃,=0.90, 在h-d图上确定初态1,并查得=62.2kJ/k(a), =15.7g/kg(a)
同样,由=20℃, =0.60在图上确定终态2,并查得
=34.1kJ/k(a), =15.7g/kg(a), 由定线与=1线的交点4,查得
=26.4kJ/kg(a), =
空调过程的分析:
定湿冷却过程: 湿空气的冷却过程, 因其组成成分不变, 即含湿量不变,但相对湿度增加,温度下降,直降到露点。因此,是定湿降温过程。例如,在h-d图上自初态1沿=15.7g/kg(a)的定湿线进行到与=1线的交点3。此时已成饱和空气,再继续冷却, 过程自状态3沿饱和线(临界线)进行,直至与终态含湿量相等的状态4,在这个冷却去湿阶段中,将有水蒸气凝结成水析出,并放出热量。1-4过程的放热量, 可用焓差表示,即
q==26.4-62.2=-35.8kJ/kg(a)
式中负号表示冷却时湿空气放出热量。

冷却去湿过程: 每公斤干空气所析出的水分等于湿空气含湿量的减少量,即
=7.1-15.7=-8.6g/kg(a)
式中负号表示湿空气析出水分。

加热过程: 为了达到工程所要求的湿度, 常采用降温去湿,但往往使温度过低(如4点, 为了保证空调后的气体温度(本题要求20℃), 去湿后, 常常需要加热升温。是自状态4沿定线进行到终点2,温度升高, 含湿量不变, 相对湿度下降, 这是定湿加热过程。加热过程的吸热量也能够用焓差表示,即
=34.1-26.4=7.7kJ/kg(a)

例2: 已知干湿球湿度计的读数为: 干球温度t1=28℃, 湿球温度t2=19℃, 当时的大气压力为p1=1bar, 用查湿空气图求出的含湿量、 露点、 相对湿度和焓值。
解: 查湿空气的h-d图, 当干球温度t1=28℃、 湿球温度t2=19℃时, 湿空气的含湿量为d1=0.0105kg/( kg/kg(a)) , 露点td=14.6℃, 相对温度j=44%, 湿空气的焓h=55( kg/kg(a)) 。如与计算值相比, 由图上查得的数值误差不大, 能够看出湿空气图应用起来简单方便, 很有实用价值。

例3: 夏天, 大气压力p=1.0133bar, 室外空气t1=34℃, j1=80%。空调装置向室内供应t3=20℃, j3=50%的调节空气, 空气供应量mA=50kg/min。如果空调过程, 先将空气冷却去湿, 然后再加热至要求的状态。试计算: ( 1) 每分钟空气需要除去的水分; ( 2) 每分钟冷却介质应带走的热量; ( 3) 加热器加入的热量。
解: 按给定参数和过程在h—d图上查出状态点1、 2、 3的有关参数, 根据t1、 j1查得 d1=0.0274kg/(kg干空气) h1=105kJ/(kg干空气)
根据t3、 j3查得 d3=0.0073kg/(kg干空气) h3=38kJ/(kg干空气)
冷却去湿过程达到的状态为d2=d3=0.0073kg/(kg干空气)的饱和空气状态, 照此查得
h2=105kg/(kg干空气) t2=9℃
( 1) 空气中需要除去的水分为

( 2) 冷却介质带走的热量为
其中凝结水的焓为
故有
( 3) 加热器加入的热量为

例4: 空气的温度t=12℃, 压力p=760mmHg, 相对湿度j=25%, 在进入空调房间前, 要求处理到d2=5g/kg干空气, 进入空气处理室的空气流量为120m3/min。假定空气处理室所用的喷雾水的水温为tw=12℃。若是分别按下列三种过程进行:
( 1) 等干球温度处理; ( 2) 等相对湿度处理; ( 3) 绝热加湿处理。求进入房间的空气相对湿度、 温度、 处理每公斤干空由加热器传热的热量。
解: ( 1) 等干球温度处理过程
向空气中喷入水, 使湿空气的含湿量增加, 但由于水在蒸发时要吸热, 因此空气的干球温度必然要下降( 因为将空气的显热变成了汽化潜热) 。因此要维持空气干球温度不变, 在喷雾和加湿的同时, 还必须用加热盘管向空气供给足够的热量, 以维持处理前后空气的干球温度不变。
若喷入空气中的水全部被空气吸收, 则根据稳定流动能量方程, 由盘管供给空气的热量应为:
由质量平衡
根据t1=12℃, j1=25%, 从h－d图上查得空气的初参数分别为:
d1=2.1g/kg干空气, h1=18.5kJ/kg干空气, v1=0.82m3/kg
空气处理室出口的参数为:
d2=5g/kg干空气, tdrv2=12℃, j2=57%, h2=18.5kJ/kg干空气
流入的空气流量为120m3/min, 比容v1=0.82m3/kg。
∴

从质量平衡的关系式求得:

∴加热盘管的供热量为:

( 2) 等相对湿度处理过程
由于要求出口含湿量d2=5g/kg干空气, 因此根据j1=j2=25%及d2=5g/kg干空气, 由h-d图上查得其它各参数分别为:
=25.5℃, h2=38.1kJ/kg干空气
入口空气量仍为120m3/min
∴ ma=146.03kg/min, mw=0.423kg/min,
h2=50.4kJ/kg
加热盘管的加热量为:

( 3) 绝热加湿过程
绝热加湿过程传给空气的热量为零, 因此空气的焓保持不变, 即h1=h2。由于要求d2=5g/ kg/kg(a)从h-d图上查得其余各参数为:
=5℃, j2=93% 过程中加热量: Q=0

本章难点
湿空气是一种理想混合气体, 遵循理想混合气体的性质, 但它与一般理想混合气体又有重要区别, 由于湿空气中的水蒸汽分压力达到饱和压力时将引起部分水蒸汽的冷凝, 湿空气中的水蒸汽的含量将随之改变, 因此要注意湿空气的特殊性质:
(1) 结露和露点: 湿空气在定压下降温到与水蒸汽分压力相对应的饱和温度时, 所出现的冷凝现象称为结露, 其温度为露点, 即水蒸汽分压力相对应的饱和温度为露点温度。
(2) 饱和湿空气和未饱和湿空气: 依据其湿空气中水蒸汽是否达到饱和状态, 可划分这两类湿空气。
(3) 湿空气的干球温度和湿球温度: 湿空气的温度称为干球温度, 用湿纱布包住水银温度计的水银柱球部时, 紧贴湿球表面的饱和湿空气温度称为湿球温度。一般湿球温度低于干球温度, 高于露点温度。

思考题
1．有人说, 相对温度表示湿空气吸收水蒸气的能力, 因此相对湿度相同时在不同温度下湿空气的能力是相同的, 这种说 法是否正确? 说明理由。
2．湿空气的露点能否等于湿球温度? 能否大于湿球温度?
3．湿空气和湿蒸气有什么不同? 饱和湿空气和饱和蒸气有什么不同?
4．为什么说未饱和空气中的水蒸气处于过热状态?
5．在高温下湿空气中水蒸气分压力pw大于大气压力时, 相对湿度计算公式j=pw/ps是否还适用?
6．用什么方法可使未饱和空气变为饱和空气? 如果把20℃时的饱和空气在定压下加热到30℃, 它是否还是饱和空气?
7．为什么说热力学湿球温度是湿空气的状态参数, 而湿球温度计测得的温度值不是湿空气的状态参数?
8．冬天刮风阴天, 气温为零上2℃, 相对湿度为50%, 在室外晾晒的湿衣服会出现什么现象? 为什么?
9．在冷水塔中能把热水冷却到比大气温度还低, 是否违反热力学第二定律?

作业: 8-2、 8-5、 8-8、 8-9、 8-10、 8-11、 8-13

热平衡方程解决但需要指定50度热水加热后回水温度是多少? 这里假定回水温度为45度。
200方空气升温13度需用的热量计算: 空气比热cp=1.003kJ/(kg*K)( 与初始温度有关, 但粗略计算定为常数) , 空气的密度1.2kg/立方米( 与温度有关, 但粗略计算定为常数) , 1方=1立方米
Q空气=200立方*1.2kg/立方米*1.003kJ/(kg*K)*13k=3129.36kj
水的比热=4.2kj/(kg*K)
Q水=x千克*4.2kj/(kg*K)*( 50-45) k=21x
3219.36kj=21x 解得x=153.3kg
提醒: 此时空气升温终了时温度最高不会超过50度
13000×1.2×1.003×A=3562×3600 A=13.66

焓值的定义与计算公式 

空气中的焓值是指空气中含有的总热量, 一般以干空气的单位质量为基准, 称作比焓。工程中简称为焓, 是指一千克干空气的焓和与它相对应的水蒸气的焓的总和。 
在工程上, 我们能够根据一定质量的空气在处理过程中比焓的变化, 来判定空气是得到热量还是失去了热量。 
空气的比焓增加表示空气中得到热量; 空气的比焓减小表示空气中失去了热量。 
在计算气流经过换热器的换热量的时候, 气流一侧的换热量计算经过焓差计算相当简便: Q= M*(H_out-H_in)  
Q是换热量 M是气流质量流量 H为气流比焓值。 
其实这不只针对气流, 对于气液两相的制冷剂流动, 也是同样的计算方法。  
空气焓值的定义及空气焓值的计算公式 
空气的焓值是指空气所含有的总热量, 一般以干空气的单位质量为基准。 焓用符号i表示, 单位是kj/kg干空气。 
湿空气焓值等于1kg干空气的焓值与d kg水蒸气焓值之和。    湿空气焓值计算公式化:     
i=1.01t+(2500+1.84t)d = ( 1.01+1.84d) t+2500 d   ( kj/kg干空气)  式中:   

t—空气温度℃    
d —空气的含湿量 g/kg干空气    
1.01— 干空气的平均定压比热 kj/(kg.K)    1.84— 水蒸气的平均定压比热kj/(kg.K)    2500— 0℃时水的汽化潜热 kj/kg    由上式能够看出:  
( 1.01+1.84d) t是随温度变化的热量, 即”显热”;  
而2500d 则是0℃时d kg水的汽化潜热, 它仅随含湿量而变化, 与温度无关, 即是”潜热”。    
上式经常见来计算冷干机的热负荷。  

i=1.01t+(2500+1.84t)d 或i=(1.01+1.84d)t+2500d  ( kj/kg干空气)   式中: t—空气温度℃ d —空气的含湿量 g/kg干空气 1.01 —干空气的平均定压比热 kj/(kg.K) 1.84 —水蒸气的平均定压比热kj/(kg.K) 2500 —0℃时水的汽化潜热 kj/kg 由上式能够看出: ( 1.01+1.84d) t是随温度变化的热量, 即”显热”; 而2500d 则是0℃时dkg水的汽化潜热, 它仅随含湿量而变化, 与温度无关, 即是”潜热”。 上式经常见来计算空气后得理设备中冷干机的热负荷