湿空气性质与焓湿图

众有小课堂之：湿空气性质与焓湿图

干空气的成分：主要成分是氮（N2）和氧（O2）。干空气中N2的体积分数约为78%；O2的体积分数约为21%；其余的1%左右时其他气体。

湿空气：由干空气和一定量的水蒸气混合而成的大气。大气中的水蒸气含量是不多的，它与干空气的质量比在千分之几到千分之二十几的范围内。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：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。

湿空气的物理性质

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p、温度t、相对湿度φ 、含湿量d及比焓h等参数来度量和描述。这些参数称为湿空气的状态参数。

一、空气的压力

       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p=pg+ps。

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。标准大气压力是p=101325Pa。

道尔顿气体分压定律道尔顿气体分压定律  

在任何容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同。也就是说，一定量的气体在一定容积的容器中的压强仅与温度有关。例如，零摄氏度时，1mol 氧气在 22.4L 体积内的压强是 101.3kPa 。如果向容器内加入 1mol 氮气并保持容器体积不变，则氧气的压强还是 101.3kPa，但容器内的总压强增大一倍。可见，1mol 氮气在这种状态下产生的压强也是 101.3kPa 。

道尔顿（Dalton）总结了这些实验事实，得出下列结论：某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和，这就是气体分压定律（law of partial pressure）。

湿空气的物理性质

二、空气的温度

干球温度：是温度计在普通空气中所测出的温度，即我们一般天气预报里常说的气温 。

湿球温度：指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度，在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100%相对湿度线上，对应点的干球温度 。
露点温度：在含湿量不变的条件下冷却空气，一直冷却到空气中的水蒸气开始凝结成水的那一时刻的温度。

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。

干湿球湿度计：是测定气温、气湿的一种仪器。由两支规格*相同的温度计组成，一支称为干球温度计，其温泡暴露在空气中，用以测量环境温度；另一支称为湿球温度计，其温泡用特制的纱布包裹起来，并设法使纱布保持湿润，纱布中的水分不断向周围空气中蒸发并带走热量，使湿球温度下降。水分蒸发速率与周围空气含水量有关，空气湿度越低，水分蒸发速率越快，导致湿球温度越低。可见，空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。干湿球湿度计就是利用这一现象，通过测量干球温度和湿球温度来确定空气湿度的。

三、含湿量

含湿量d是指单位质量干空气中含有的水蒸汽量。

单位是kg/kg（干空气）或g/kg（干空气）。

含湿量d的数值计算：d=0.622ps/（p-ps）

四、相对湿度

相对湿度是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。

空气的相对湿度φ 越大，也就是越潮湿。 φ 的zui大值是1（或100%），这相当于饱和空气。如果φ =0，这表明空气中不含水蒸气（干空气）。

五、比焓

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。

包含单位质量干空气的湿空气的比焓值h应是

h=hg+dhs=1.01t+d（2500+1.84t）或h=（1.01+1.84d）t+2500d

推导过程

比焓h是用来表示物质系统能量状态的一个参数，其数值等于比定压热容cp乘温度t，即                     h= cpt

      干空气的比定压热容cp，g=1.01kj/（kg·K），故温度为t时干空气的比焓值hg为                               

                                    hg=1.01t

       水蒸气的比定压热容cp，s=1.84kj/（kg·K），温度为t时水蒸气的比焓值hs为

                                    hs=2500+1.84t   

式中2500是单位质量的水在0℃时变成水蒸气所需要的汽化热（kj/kg）。

        湿空气的比焓是以单位质量干空气作为基数计算的。伴随着单位质量干空气的还有d质量水蒸气。可见包含单位质量干空气的湿空气的比焓值好h应是

                h=hg+dhs=1.01t+d（2500+1.84t）或h=（1.01+1.84d）t+2500d

湿空气的物理性质

在式中(1.01+1.84d)t是随着温度的变化而变化的热量，称为“显热”。而2500d是0℃时，d 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（1.01+1.84d）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。

理论上，对于一定的大气压，只要知道空气的任意两个参数，就能算出所有其他参数。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，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h-d图。

这里需要强调的是，每一张h-d图都是按规定的大气压绘制的，因此在计算工作中，应选用与要求大气压相符的（或接近的）焓湿图。

等φ 线是曲线

等h线是倾斜直线

等d线是垂直线

等t线接近水平，看似平行，实际互不平行。

zui低的一根等φ 线，其值为φ =100%。这条曲线称为饱和线。状态在这条线上的空气处于饱和状态。在其他φ 线上的空气都是非饱和的。空气状态不可能位于饱和线以下的区域中。