第一节湿空气的组成和物理性质_中央空调运行管理实务-QQ阅读男生玄幻网

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第一节湿空气的组成和物理性质

一、湿空气的组成

在空调工程中，空气或大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，我们称其为湿空气。干空气的成分主要是氮、氧、氩气及其他微量气体，多数成分比较稳定，可将干空气作为一个稳定的混合物来看待。

为统一干空气的热力学性质、标准组成，便于热工计算，一般将海平面高度的清洁干空气成分作为目前推荐的干空气标准成分，其主要成分见表1-1。

表1-1 干空气的主要成分

干空气中除二氧化碳外，其他气体的含量是非常稳定的。而二氧化碳的含量随动、植物的生长状态，气象条件，生产排放物等因素有较大变化。然而由于其含量非常小，含量变化对干空气性质的影响可以忽略。所以在研究空气物理性质时，允许将干空气作为一个整体考虑。

湿空气中的水蒸气（简称蒸汽）含量很少。它来源于地球上的海洋、江河、湖泊表面水分的蒸发，各种生物的新陈代谢过程，以及生产工艺过程。在湿空气中，水蒸气所占的百分比是不稳定的，时常随着海拔、地区、季节、气候、湿源等各种条件而变化。虽然湿空气中水蒸气的含量少，但它对湿空气的状态变化影响却很大。由于它可以引起湿空气干、湿程度的改变，又会使湿空气的物理性质随之变化，并且对人体的舒适、产品质量、工艺过程和设备的维护等将产生直接的影响，所以本章会重点研究有关这方面的问题。

此外，在接近地球表面的大气中，还悬浮有尘埃、烟雾、微生物，以及各种排放物等。它们虽然对空气品质会造成一定的影响，但由于这些物质并不影响湿空气的物理性质，因此本章不涉及这些内容。

二、湿空气状态参数

在空气调节系统的设计计算、空调设备的选择及运行管理中，往往要涉及湿空气的状态参数和状态变化等问题。湿空气的物理性质也是由它的组成成分和所处的状态决定的。

在热力学中，常温常压下（空调属于此范畴）的干空气可认为是理想气体。所谓理想气体，就是假设气体分子是一些弹性的、不占空间的质点，分子之间没有相互作用力。而湿空气中的水蒸气一般处于过热状态，量很少，可近似地视为理想气体。这样，即可利用理想气体的状态方程式来表示干空气和水蒸气的主要状态参数——压力、温度、比体积等的相互关系，即

p_gV=m_gR_gT或p_gv_g=R_gT （1-1）

p_qV=m_qR_qT或p_qV_q=R_qT （1-2）

式中 p_g，p_q——干空气及水蒸气的压力（Pa）；

V——湿空气的总容积（m³）；

m_g，m_q——干空气及水蒸气的质量（kg）；

R_g，R_q——干空气及水蒸气的气体常数，R_g=287J/（kg·K），R_q=461J/（kg·K）；

T——湿空气的热力学温度（K）；

v_g，v_q——干空气及水蒸气的比体积（m³/kg）。

湿空气的状态参数通常可以用压力、温度、含湿量、比焓（全书简称为焓）等参数来度量和描述，这些参数称为湿空气的状态参数。下面分别叙述空调工程中几种常用的湿空气的状态参数。

图1-1 大气压与海拔的关系

（一）压力

1.大气压力

环绕地球的空气层对单位地表面积所形成的压力称为大气压力（或湿空气总压力），大气压力通常用B表示，单位用帕（Pa）或千帕（kPa）。

大气压力不是一个定值，它随各地海拔不同而存在差异。大气压力与海拔的关系如图1-1所示。海拔越高的地方，大气压力越低。例如，我国北部沿海城市天津海拔为3.3m，夏季大气压力为100480Pa，冬季为102660Pa；西藏高原上的拉萨市海拔为3658m，夏季大气压力为65230Pa，冬季为65000Pa。可见，拉萨市比沿海城市的气压低得多。

大气压力不仅与海拔有关，还随季节、气候的变化稍有高低，大气压力值一般在±5%范围内波动。由于大气压力不同，空气的物理性质也会不同，反映空气物理性质的状态参数也要发生变化。所以，在空气调节的设计和运行中，如果不考虑当地大气压力的大小，就会造成一定的误差。在工程热力学上，通常以北纬45°处海平面的全年平均气压作为一个标准大气压或物理大气压（单位为atm），其数值为

1atm=101325Pa=1.01325bar

应特别指出的是，在空调系统中，是用仪表测定空气压力的，但仪表上指示的压力称为工作压力（过去称为表压力），工作压力（也称真空压力）不是空气的绝对压力，而是与当地大气压的差值，其相互关系为

（空气）绝对压力=当地大气压力-真空压力（表压力）（1-3）

如果没有特别指出，空气的压力都是指绝对压力。当地大气压力值可以用“大气压力计”测得。

图1-2 例1-1示意图

【例1-1】在某一中央空调回风管道中，用斜式微压计测量风道的真空度，如图1-2所示，夹角为α=30°，压力计中使用液体密度ρ=0.8×10³kg/m³的煤油，斜管中液注长度l=200mm。求风道中的空气真空压力值（Pa）？若当地大气压力为101325Pa，求风道中空气的绝对大气压力？

解：回风管道的空气真空压力为

p_v=ρglsinα=（0.8×10³×0.2×0.5）Pa=80Pa

由式（1-3）得风道的空气绝对压力为大气压力减真空压力，即

p=B-p_v

=101325Pa-80Pa

=101245Pa

2.水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力

湿空气中，水蒸气单独占有湿空气的容积，并具有与湿空气相同的温度时，所产生的压力，称之为水蒸气分压力，用p_q表示。

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，参与组成的各种气体都具有与混合气体相同的体积和温度。由前所述，湿空气可视为理想气体，其湿空气的总压力（大气压力）（单位为Pa）为干空气的分压力与水蒸气的分压力之和，即

B=p_g+p_q （1-4）

从气体分子运动论的观点来看，压力是由于气体分子撞击容器壁而产生的宏观效果。因此，水蒸气分压力大小直接反映了水蒸气含量的多少。

在一定温度下，空气中的水蒸气含量越多，空气就越潮湿，水蒸气分压力也越大。如果空气中水蒸气的含量超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水而从空气中析出。这说明，在一定温度条件下，湿空气中的水蒸气含量达到最大限度时，则称为湿空气处于饱和状态，也称为饱和空气，此时相应的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压力，用p_q，b表示。饱和水气分压力p_q，b仅取决于空气的温度。

（二）温度

温度是表示空气的冷热程度的。温度的高低用“温标”来衡量。目前国际上常用的有绝对温标（又称为开氏温标），符号为T，单位为K；摄氏温标，符号为t，单位为℃；有的国家也采用华氏温标，符号为Q，单位为℉。这三种温标的换算关系为

图1-3 干、湿球温度计测试原理

1.干球温度t与湿球温度t_s

图1-3所示的干、湿球温度计是一个典型的空气干、湿球温度测量仪器。这种测量仪表由两支温度计或由两个其他的温度敏感元件所组成。其中一支温度计的感温头上包裹脱脂棉纱布，纱布的下端浸入盛有蒸馏水的容器中，在毛细管作用下，纱布处于润湿状态，将此温度计称为湿球温度计，所测得的读数称为空气的湿球温度；另一支未包纱布的温度计相应地称作干球温度计，它所测得的温度称为空气的干球温度，也就是实际的空气温度。分别用t和t_s表示空气的干球温度和湿球温度。

湿球温度计的读数，实际上反映了湿纱布上水的温度。但是，值得注意的是，并不是任何一个读数都可以认为是湿球温度，只有在热湿交换达到平衡，即稳定条件下的读数才称之为湿球温度。这是因为热湿交换达到平衡时，空气对湿球纱布的对流热量等于湿球纱布上水分散发所吸收的汽化热（曾称为汽化潜热）。

应该指出的是，由于水与空气之间的热湿交换过程都与湿球周围的空气流速有关。因此，在相同的空气条件下，空气流过湿球纱布表面的流速不同时，所测得的湿球温度也会产生差异。当空气流速较小时，热湿交换不充分，所测得湿球温度误差较大；当空气流速较大时，热湿交换进行得充分，所测得湿球温度较准确。实验表明，当空气流速为0.5～4m/s时，湿球温度趋于稳定。因而，要准确反映空气的湿球温度，应使流经湿球纱布的空气流速在2.5m/s以上。空气的干球、湿球温差集中反映了空气相对湿度的大小。

2.露点温度t_L

若假设空气中水蒸气质量不变（即空气含湿量不变），在冷却空气时，随着空气温度的下降，空气达到饱和状态，这时空气所对应的温度就称为露点温度，用t_L表示。这时，如果对空气温度进一步冷却，空气中就会有水析出，空气的含湿量开始减少。

在空调技术中，常利用冷却方法使空气温度降到露点温度以下，以便水蒸气从空气中析出凝结成水，从而达到干燥空气的目的。

如果在某种空气环境中有一个冷表面温度为t_w，当t_w＜t_L时，该表面上就会有凝结水出现，即结露；而当表面温度t_w＞t_L时，不结露。由此可见，是否结露取决于表面温度和空气露点温度两者间的关系。在空调工程中，要确保冷水和冷凝水管道表面温度大于露点温度，以免造成不必要的损失。

3.机器露点温度

空气的露点温度与空调系统的“机器露点温度”是有区别的，后者是经过人为的对空气加湿或减湿冷却后所达到的近于饱和的空气状态。

在加湿或减湿空气处理过程中，表面式冷却器外表面的平均温度称为“机器露点温度”；经过喷水室处理的空气比较接近于φ=100%状态，习惯上将其状态称为“机器露点”。

（三）含湿量

在空气的加湿和减湿处理过程中，常用含湿量来衡量空气中的水蒸气的变化情况。定义为：在湿空气中与1kg干空气同时并存的水蒸气量，称为空气含湿量（单位为kg/kg（干））。

d=m_q/m_g

式中 m_g——干空气质量（kg）；

m_q——水蒸气的质量（kg）。

由式（1-1）、式（1-2）和式（1-4），不难得出

由于空气中的水蒸气含量一般较小，d可以用单位g/kg（干）来表示，即

分析上式不难看出，当干空气压力一定时，空气的含湿量仅取决于蒸汽分压力p_q。即，蒸汽分压力p_q越大，空气含湿量也就越大。

在一定温度下，饱和空气中的水蒸气量已达到最大限度，它不再具有吸湿能力，即不能再接纳水蒸气。这时空气所具有的含湿量，称为该温度下湿空气的饱和含湿量，用d_b表示。

空气温度与饱和水蒸气压力及饱和含湿量的关系见表1-2。

表1-2 空气温度与饱和水蒸气压力及饱和含湿量的关系

（四）相对湿度

所谓相对湿度，就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，用符号φ表示，即

由式（1-8a）可知，相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。显然，φ值越小，表示空气离饱和程度越远，空气较为干燥，吸收水蒸气能力越强；φ值越大，表示空气更接近饱和程度，空气较为潮湿，吸收水蒸气能力越弱。当φ=0时，则为干空气；φ=100%时，则为饱和空气。所以由φ值的大小，可以直接看出空气的干湿程度。相对湿度和含湿量都是表示空气湿度的参数，但意义却不相同：φ能表示空气接近饱和的程度，却不能表示水蒸气的含量多少，而d能表示水蒸气的含量多少，却不能表示空气接近饱和的程度。

相对湿度还有其他的表达形式，由式（1-7a）得

对于湿空气