湿空气和焓湿图的介绍

湿空气和焓湿图湿空气概论：在空调系统设计中，无论是工业用的，如纺织车间，计算机房，还是民用的，如办公室，商场等，要处理的对象都是空气，因此，了解空气的性质和变化规律才能使空气的调节符合设计要求，为了方便设计计算，空调行业的前辈们绘制了焓湿图（Psychrometric Chart ），它是空调系统设计中一个重要的工具，为了更好地理解空气和焓湿图，先认识一下空气的特性。

在我们生活周围的空气在空调上的定义是：干空气和水蒸气的混合物，被称为湿空气：湿空气＝干空气(g)＋水蒸气(q)为了研究和计算的方便，假设我们周围的湿空气是理想气体：就是气体分子不占有空间的质点，分子间没有相互作用力。

而湿空气中的水蒸气是处于过热状态，而数量微少，分压力很低，比容很大。

因此理想气体状态方程式也适用于湿空气：而作为理想气体，有以下性质： p = pg + pq m=mg+mq ρ=ρg+ρq ‘i = ig + iqT = Tg = Tq, V = Vg = Vqp 、pg 、 pq —分别为湿空气,、干空气（g ）、水蒸汽(q)压力，Pa ； m 、mg 、mq —分别为湿空气、干空气、水蒸汽的质量，Kg ； Rg 、 Rq —分别为干空气及水蒸汽的气体常数， Rg=287J/Kg·K ； Rq=461J/Kg·K ρ、ρg 、ρq—分别为湿空气、干空气、水蒸汽的密度，Kg/m3 ‘h 、hg 、hq—分别为湿空气、干空气、水蒸汽的焓 T 、Tg 、Tq—分别为湿空气、干空气、水蒸汽的温度 V 、Vg 、Vq—分别为湿空气、干空气、水蒸汽的体积湿空气是由干空气和水蒸汽组成，而干空气的成分变化一般不大，而且没有相变，因此比较容易处理，而水蒸汽会随环境的变化而变化，而且达到饱和状态时还会凝结出水分，因此处理比较复杂，而为了理解水蒸气对湿空气的影响，先了解下面几个概念： 大气压力（p/B ）一般定义是：以北纬45度处海平面的全年平均气压为一个标准大气压力（或物理大气压），p/B=101325Pa ，要注意的是，随着海拔的升高，大气压力不断下降，这时用标准大气压力得出的相关参数就不能再使用了，因为随着压力的下降，湿空气的密度也随着下降，因此，相同容积的湿空气经过风机后全压也会下降，见下式，这时需换算出对应值：另外，大气压力是测试出来的，因此： 绝对压力=当地大气压力+工作压力（表压），这里如果不注明，都指的是绝对压力。

水蒸汽分压力和饱和水蒸汽分压力（pq ，pqb ）：根据道尔顿定律，理想的混合气体的总压力等于组成该混合气体的各种气体的分压力之和，参与组gg g gg T R m V p =q q q q q T R m V p=成的各种气体都具有与混合气体相同的体积和温度。

对于湿空气，主要分成干空气和水蒸汽，因此分压力也主要分成干空气分压力和水蒸汽分压力，而对于饱和湿空气时的水蒸汽分压力，称之为饱和水蒸汽分压力，它反映了水蒸汽在湿空气含量中的一个最大值，而未饱和的分压力则反映了水蒸汽含量接近最大值（饱和值）的程度。

含湿量d ：在湿空气中，与1kg 干空气同时并存的水蒸汽的质量 。

g/kg(干空气)为了反应湿空气中水蒸气的含量接近饱和状态的程度，又定义了相对湿度ϕ：空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比：用前面的含湿量的公式代入计算可得后式，其中db 是同温度下饱和水蒸汽的含湿量，称为饱和含湿量（db ）因为含湿量更常用，因此计算更方便简单，且只会有1～3%的误差。

露点温度tl ：在一定温度下，当水蒸汽的含湿量达到饱和含湿量，也就是相对湿度达到100% 时，如果含湿量继续增加就会析出凝结水。

而饱和含湿量会随着温度的下降而变小，对于含湿量为d 的未饱和湿空气，它的饱和含湿量肯定比它大，当温度下降，而d 不变，这时饱和含湿量也下降，当饱和含湿量降到等于d 时，那这时的温度就定义为露点温度。

这个温度反映了湿空气饱和状态时的温度，可以通过调节这个温度来除去湿空气中的水蒸汽。

因为对湿空气的处理比较复杂，即有温度的变化，还有水蒸汽含量的变化，而这些参数一般是通过计算热交换量和湿交换量得出，为了方便计算，因此定义了一个状态参数焓来反映湿空气不同条件下的状态：焓h ：指1kg 干空气的比焓和与1kg 干空气并存的d g 水蒸气的比焓的总和，单位是kJ/kg 干空气，虽然单位是每kg 干空气，但实际数量是(1+d/1000)kg 湿空气的焓，但因为一般d 值比较小（通常用g 来标称），因此经常在计算湿空气质量时会忽略d 值，但它的潜热因比较大，在计算时不能忽略。

取0℃时干空气和0℃的水的焓值为零，则湿空气的焓可表示为：kJ/kg(干空气)z 其中 Cp=1.005 kJ/kg ℃，是干空气的定压比热，Cpq=1.84 kJ/kg ℃，是水蒸汽的定压比热 z 当 t =0℃ 时 汽化潜热r = 2500 kJ/kg 水 代入得： h =1.01t + (2500+1.84t) d/1000 kJ/kg(干空气)焓的前半部分是干空气的比焓，指的是干空气从0℃到t ℃时吸收的热量，后半部分是水蒸汽的比焓，水蒸汽的比焓又分为：2500kJ/kg （水蒸汽）是零度水转化为蒸汽时的气化潜热，后一部分是水蒸汽从0℃到t ℃时吸收的热量，因为计算对象是水蒸汽，因此对于与1kg 干空气并存的水蒸汽，从含湿量的公式定义可知为d 克，因此要乘上d ，而Cpq 和汽化潜热r 都是以kg 为单位，因此要除以1000，最后得出的焓为kJ/kg(干空气)。

对于100℃的水蒸汽的单位比焓： Hq =2500+1.84x100=2684 kJ/kg(水蒸汽)也可以从水这边去计算，把0℃的水加热到100℃，所需热量从下表查得：Hs=419.1kJ/kg ，继续加热蒸发成水蒸汽，查得汽化潜热为r’=2257.1 kJ/kg ，因此：Hq=419.1+2257.1=2676.2kJ/kg ，正好是下表中100 ℃水蒸汽的比焓。

但对于和1kg 干空气并存的水蒸汽的比焓要乘上水蒸汽的质量d ，因此Hw =（2500+1.84x100）kJ/kg(水蒸汽)X( d /1000)kg/kg(干空气) =2684d kJ/kg(干空气) 上面的公式可以变为： h = (1.01t+1.84td/1000)+2500d/1000 kJ/kg(干空气)()qq g q g q q g g q p B p p p p m p m m m d −====622.0461287%100×=qb qp p ϕ%100%100.×≈×−−=b qbq b d d p B p B d d ϕdk t C t C h pq p )2500(++=公式前半部分热量的变化只和温度有关，称之为“显热”，后半部分是水的汽化热，只与含湿量的变化有关，称为“潜热”。

下面给出了水和湿空气的一些物性参数，在计算热量和含湿量变化时需要用到。

焓湿图(i-d 图)的画制：要了解焓湿图（i-d 图），先看看焓湿图（i-d 图）是如何画出来的： 一．以焓线（深绿线）和含湿量线（天蓝色线）（夹角为135度）为座标，以图中红点为零点画出座标轴，其实这个座标是异化的座标，因为零点不是在同一点。

二．然后等温线（粉红色线）用公式：i = 1.01t + (2500+1.84t ) d 画出，但因为不同温度，斜率（2500+1.84t ）是不同的，如t=10℃时，i =10 .1 + (2500+18.4 ) d ，当T=60℃时，i =60 .6 + (2500+110.4 ) d ，而因为2500比1.84t 大很多，因此在图上显示是近似平行线（是否平行线并不影响使用）三．等相对湿度线（红色线）可用其中Pbq 是温度的单值函数，例如，当ϕ=0.8时：当取T=10℃时，然后通过查找相应的由实验得出的饱和水蒸汽分压力，计算出d ，然后画出等温线和等含湿量线交于一点，选择不同的温度可以计算出不同的含湿量从而得出不同的点，将这些点连起来就是等相对湿度线了。

在100%线的左上方是未饱和区，右下方是过饱和区，因此会凝结出雾状水，也称有雾区。

其他状态参数：水蒸汽分压力线(上图天蓝色座标红色刻度)： 根据公式可知，在标准大气压下，q p 只和含湿量有关，可在同一座标用不同刻度表示。

露点温度：由露点温度的定义可知，露点温度对应的含湿量是饱和含湿量，当ϕ=100%时，从相对湿度的含义可知d=db ，这时等温线和100%相对湿度线的交点就是露点温度。

湿球温度：根据质交换理论，在水和空气接触的表面，由于水分子作不规则运动会形成一个温度等于水表面的饱和空气边界层，当不饱和空气吹过这个边界层时，饱和水蒸汽会因为浓度差（或水蒸汽分压力）kg kg p B p d bq bq 干空气(/622.0,,ϕϕ−=°）kg kg t p B t p d b q b q 干空气(/)()(622.0,,ϕϕ−=）kg kg t p B t p d b q b q 干空气(/)(8.0)(8.0622.0,,−=%100×=qbq p p ϕ()qqp B p d −=622.0()qq p B p d −=622.0差），从边界层向空气扩散，这就是蒸发现象，而蒸发所需的热量来源于水本身，因此水温会下降，这时空气和水之间会因为温度差而使水会从空气中吸收热量，在最初的时候，水吸收的这部分热量并不能满足蒸发所需的热量，因此水蒸发还需要吸收水本身的热量而使水温度继续下降，当从空气吸收的热量等于水蒸发所需的热量时，水的温度不再下降，达到稳定状态，这时的水温就是湿球温度。

另一方面，水蒸汽扩散到空气，蒸发量决定于两者的浓度差，因此空气越干燥，也就是相对湿度越小，两者浓度差越大，水蒸汽蒸发越多，这时吸收水的热量也越多，水温下降得也越大，从空气中吸取的热量也越多，空气温度下降得也越大，直到空气相对湿度达到饱和为止，水和空气的热湿交换达到平衡。

空气的流速就是让空气和水的热湿交换充分而快速的进行，这时，水温可以很快达到稳定值，这时测量出来的水温才是湿球温度。

湿球温度计就是利用这个原理来测量湿球温度的。

从以上的描述可知，湿球温度反映的是空气的饱和程度，而且可以通过和干球的温度差来表述，温度相差大说明饱和程度低，也就是相对湿度小，需吸收较多的热量来蒸发较多的水蒸汽。

湿球温度在焓湿图（i-d图）上的表示：从上面的描述可知，当水从空气吸收的显热等于水蒸汽蒸发吸收的潜热，这时水的温度不再下降，这时水温等于湿球温度，对于空气来说，流过水面后吸收水蒸汽变成饱和湿空气，温度也因为传热而下降，最后等于湿球温度，因此这时饱和空气温度线应该落在100%的相对湿度线上。