1、 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
2、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 = g+ q i = ig + iq T = Tg = Tq, V = Vg = Vq p、 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/KgK; Rq=461J/KgK 、 g、 q分别为湿空气、干空气、水蒸汽的密度, Kg/m3 h、 hg、 h
3、q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
4、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gggggTRmVp =qqqqqTRmVp =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
5、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 :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
6、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
7、 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/k
8、g(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
9、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 ) ()qqgqgqqggqpBpp
10、ppmpmmmd= 622.0461287%100=qbqpp%100%100. =bqbqbddpBpBdddktCtChpqp)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
11、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 =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
12、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,qp 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 =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
13、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)kgkgpBpdbqbq干空气(/622.0,=i135)kgkgtpBtpdbqbq干空气(/)()(622.0,=)kgkgtpBtpdbqbq干空气(/)(8.0)(8.0622.0,=%100=qbqpp()qqpBpd= 622.0()qqpBpd= 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
14、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
15、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。这从推导的以湿球温度求解的相对湿度的公式也可得出,当 t=ts, Pqb=Pqb 时, =1。 对于空气来说, 损失的热量等于扩散到空气的水蒸汽吸收的热量,
16、虽然还要包括水蒸汽本身的内能,但因为太小,在工程上一般忽略不计,因此湿球温度是等焓线和 100%相对湿度线的交点, 实际应该是以热湿比线和饱和相对湿度线的交点: = i / d= 4.19 ts 国外一般是以实验数据来作湿球温度线。但也有忽略水蒸汽内能而以等焓线来表示的。 国外的焓湿图一般都有比容,但在国内,因为在空调范围内,空气的密度变化不大,工程上一般取1.2kg/m3,因此就不需要再在焓湿图上表示了。 焓湿图的应用 : 焓湿图可以表示出湿空气的所有状态点,在空调行业中经常要对湿空气进行处理,以达到对环境状态参数的调节,因此,只要给出一定的参数,就可以在焓湿图很清楚的表示出各状态参数以及变
17、化的过程,并利用已知参数和湿空气的特性计算出未知参数。因此焓湿图的应用主要有: 1查出湿空气的状态参数; 2表示湿空气经过热湿交换后的状态变化过程,并查出未知状态参数; 3表示两种不同状态湿空气混合后的状态变化过程,并查出未知状态参数; 一焓湿图上各参数之间的关系: 首先,焓湿图表示了湿空气的各个状态参数,他们之间的关系是怎么样的呢,通过上面的介绍, 已经可以了解大概了, 现总结如下, 所有湿空气参数可以分为五个独立参数 (组) : 1 干球温度 (t)或饱和水蒸气分压力 (Pqb),前者是独立参数,后者不是,但和干球温度一一对应,二者知其一即可; 2 湿球温度 (ts); 3 含湿量 (d)
18、,水蒸气分压力 (Pg),露点温度 (tl),其中含湿量是独立参数,而后两者都由含湿量决定,且是一一对应关系,因此三者知其一就可得出其他两个; 4 相对湿度 ( ); 5 焓 (i); 这五个独立参数(组)只要知道其中两个,就可以确定湿空气在焓湿图上的位置,如果都是独立参数,可以直接从图上查出,如果不是,则有时需要计算出独立参数才可以从图上查出,继而得出其他参数。这里还有一个参数: 饱和含湿量( db) ,根据下面的公式可知: 从公式 可知 因此饱和含湿量和饱和水蒸汽分压力一样,都是干球温度的单值函数,可和饱和水蒸汽分压力一样使用。 因为不同的大气压力有不同的焓湿图,因此使用焓湿图之前都要先确
19、定大气压力值,如果不是在高原地区,一般使用标准大气压力 atm 及对应的焓湿图。 二空气状态变化在焓湿图上的表示: 空气的处理设备有很多, 空气经过处理设备后状态会因为处理设备的不同原理而有不同的结果,在焓湿图上表示出来会很直观的知道空气变化的过程,下面分别介绍空气几种典型的状态变化过程: 1 等湿加热(干式)过程 :湿空气通过换热设备表面而不与热媒接触来获得热量,因此换热过程中虽然温度升高,但含湿量不 变。 处理设备 :表面式空气加热器(表冷 器通热水,水蒸汽,制冷剂) ,电加热器(加热管,电阻丝,()qqpBpd= 622.0()qbqbpBpdb= 622.0PTC) ,燃气加热器; 2
20、 等湿冷却(干式)过程: 湿空气也是通过换热设备表面而不和冷媒接触来进行冷却,但冷却设备表面的温度要比湿空气露点温度高,这样湿空气不会凝结出水,含湿量保持不变。 处理设备 :表冷器(通冷冻水) ,蒸发器(制冷剂) ; 3 等焓减湿过程 :利用固体吸湿剂(硅胶,分子筛,活性碳,氯化钙等)吸附湿空气中的水蒸汽,这时含湿量降低,吸附时水蒸汽会放出凝结热 (等于汽化热) , 这时湿空气只损失了水蒸汽本身的热量 (很小) ,因此可认为湿空气焓值近似不变。 处理设备 :转轮除湿机; 4等焓加湿过程: 湿空气通过与冷媒,主要是水接触,水因为与湿空气长时间接触,蒸发使温度会下降到湿空气的湿球温度(见湿球温度的
21、定义) ,然后水吸收湿空气的热量蒸发到湿空气中,因此湿空气的温度下降,但含湿量增大,因为水从湿空气吸收的热量又被蒸发的水蒸汽带回到湿空气中,虽然增加了水蒸汽本身的热量,但很小,因此整个过程可以认为湿空气的焓近似不变。 处理设备 :高压喷雾,喷淋,湿膜,二流体加湿器,超声波,离心式; 5等温加湿过程: 向湿空气直接喷水蒸汽,使湿空气和水蒸汽直接混合,这时湿空气的焓和含湿量都增加,而所增加的焓为所混入水蒸汽的全热量即:i = d x iq, iq 为每千克水蒸汽的焓, iq=2500+1.84t,这个刚好等于等温线的斜率,因此可以认为是等温加湿过程。 处理设备: 电极式,电热式,干蒸汽加湿,红外线
22、加湿器。 6减湿冷却(或冷却干燥)过程 :在上面等湿冷却过程中,当换热设备表面温度低于露点温度时,湿空气通过换热设备就会凝结出水,湿空气焓和含湿量都会减少。 处理设备: 表冷器(通冷冻水) ,蒸发器(制冷剂) 。 以上的过程是空气经过常用的空气处理设备后的状态变化过程, 在工程上湿空气都是经过上面的几个变化过程从而达到所需的状态。 湿空气在工程上的处理和计算: 空调系统的目的是使空调空间的空气参数达到所需状态,而空调参数主要是温度和湿度。设计一个空调系统,首先需要知道对空调空间的温度和湿度影响的因素及其大小,因此就需要计算冷负荷和湿负荷。如果是用冷负荷系数法计算逐时负荷,那可以分别计算出显热和
23、潜热,但如果是用估算法,那就只有总负荷。不过在现在节能要求的大环境下,对负荷的计算要求也不断提高,因此一般都会用冷负荷系数法计算出显热和潜热负荷。估算法可以作为参考。此外还有湿负荷的计算,因为对于舒适性空调一般不用调节湿度,因此一般也不计算湿负荷,但对于工艺性空调,湿度有时显得更重要,如纺织车间。 在空调工程上的计算主要有两类: 一对空气进行处理的过程 :空调房间或室外空气经过如上面所介绍的各种处理设备的过程,而经过这些过程,空气变成送风状态,然后进入空调房间并吸收房间的余热和余湿后状态变为房间空气状态,这些过程都是对空气进行处理的过程。 1湿空气经过空调房间的变化过程 :对于舒适性空调来说,
24、 空气经过蒸发器到达机器露点( A-B)就直接送到空调房间了,然后空气吸收空调房间的余热余湿( B-A) ,如果空气在吸收后到达空调房间所需状态,那空调房间就会一直保持所需状态,但因为空调房间的余热余湿并不等于蒸发器吸收的热量和排出的凝结水量,通常是排出的凝结水大于余湿,因此空调房间会越来越干燥(直到 A 点和 A点重合) 。但如果可以把机器露点移到 AB点线上,那送风吸收余热余湿后就可以到达房间状态。因此送风状态点的确定是一个关键问题。 国内一般是用已知余热余湿画出热湿比()线来进行辅助确定送风状态点,因为是辅助,因此确定热湿比线还不能确定送风状态点,还需要知道送风温差或送风量,见下面的计算
25、公式及在焓湿图的变化过程。 to 就是送风温差,这个根据不同要求来选取,通过换气次数可以计算出送风量,通过下面的公式,焓湿图及热湿比线就可以确定 O 点位置。 舒适性空调 : 送风温差 to( ) 换气次数 n(次 /h) 送风高度 5m 10 (6-10 ) 送风高度 5m 15 (10-12 ) 工艺性空调 :室温允许波动范围() 1.0 15 (机房空调 30) 1.0 6-10 5(高大房间除外 ) 0.5 3-6 8 0.1-0.2 2-5 150-20(工作不送风的除外 ) 1514ABAB以上方法只能确定送风点,而和设备无关,对于舒适性空调,如果设备选择过大,在实际运行时都是从上
26、面的 B 点送风到 A点,空调房间会比较干燥,因此正确计算负荷对于设备选择非常重要;对于工艺性空调,因为有多种空气处理过程综合使用,比较容易使空气达到送风状态点。 而国外很少用热湿比 () 线, 主要是用显热比 ( SHR)线和换热器曲线 (Coil Curves)。 首先计算出房间的显热和潜热,然后根据上式算出SHR, 在右下图二中画出过参考点 A 的 SHR 参考线 (蓝色线) , 然后再经过房间状态点 B 画平行于蓝色线的实际 SHR 线(绿色线) ,见右下图三,那送风状态点就在这根 SHR 线上, 这有点类似于我们的热湿比 () 线。再看左下图,因为房间状态点刚好在参考点,因此过 A点
27、的 SHR 线就是实际 SHR 线,再根据蒸发器进风状态点 C(因为是回风和新风混合,因此蒸发器进风状态点在 C 点)找到相应的换热器曲线,以及这根曲线和 SHR线的交点 D,这就是经过蒸发器处理后的出风状态点,也就是房间的送风状态点,在吸收房间余热余湿后,变为房间状态点 A, 这样整个过程就可以保持房间状态了。 然后再用上面的公式计算送风量(右上式是空气调节介绍的公式) 。 这种方法综合考虑了设备来确定送风量,这样可以尽可能保持房间所需状态,特别是对于空调的末端选择,这也是为什么空调末端一般用风量来标称的原因。 对需加热的房间而言,因为送的风没有含湿量的变化,因此送出的高温气体在房间吸收冷空
28、气,温度沿等含湿量线下降,类似于等湿冷却(干式)的过程;因为没有湿度的变化,计算比较简单。 2对湿空气加热加湿的过程: 这个过程和上面的介绍的过程有点类似,不同在于,上面的余热余湿是已知,求变化后的状态参数,现在介绍的过程是变化前后的状态参数已知,求所需加热量和加湿量: ()121 2qh d dh h+ =水()21 2 121qhh d dhhh= 水因为加湿过程所加的水蒸汽的比焓相对于湿空气的比焓要小很多, 因此可以忽略不计。 加热加湿会因为加湿方法或加湿加热量的不同分为两种过程:1-2:等温加湿; 1-3 等相对湿度加热加湿。 3湿空气经过蒸发器(表冷器)的变化过程 :当湿空气经过蒸发
29、器(表冷器)时,也会发生热量和湿量的转移, 刚好是上面过程的相反过程。 右图显示了这个过程中各种参数的变化,1q2 是盘管从湿空气吸收的热量,称为盘管的制冷量, mda 是送风量, mw 是冷凝水量,是从湿空气凝结出来的水量, W1/W2是进出口含湿量, h1/h2 是进出口比焓, hw2 是冷凝水的比焓。不过在实际计算中,因为冷凝水本身的热量( W1-W2) hw2 相对于湿空气变化的热量( h1-h2)来说小很多,因此一般忽略不计,因此盘管的制冷量为: 在设备控制中经常使用变风量来调整送风状态点,当风量变小时,制冷量和凝结水量都会变小。因此当负荷变化时,可通过调节送风量来调整送风状态点,以
30、保证房间状态。 二湿空气混合的变化过程: 在空调过程中经常会混全两种不同状态的空气,如一次回风系统中的新风和回风,二次回风系统中的回风和处理后的送风混合后再送入空调房间的过程。一般用下面的公式和方法来计算混合后的空气状态参数: 以上公式也反应了混合后的状态参数在焓湿图上的变化过程, 在图上很直观的表示出混合后的状态参数是以混合前的空气比例为基础得出混合后的状态参数, 上面只给出了比焓和含湿量的计算,其实温度也可用相同的方法计算出来。 132213aamhhmhh=12 3aa ammm+=11 2 2 33aa amd md md+=132213aamddmdd=11 2 2 33aa amh mh mh+=32 1332 13hh hhdd dd=322113aaamdmdmd+=322113aaamhmhmh+=)(2121hhmqda=)(12hhmqmQdada=