湿空气的物理性质和i-d图用法

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湿空气参数焓湿图工程边界

湿空气的物理性质和i-d图用法

搞清湿空气参数推导与i-d图各工况下的工程边界

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湿空气参数焓湿图工程边界

湿空气的物理性质和i-d图用法

搞清湿空气参数推导与i-d图各工况下的工程边界

1第 1 页 · 湿空气的物理性质和i-d图用法

什么是湿空气

上一节我们从体感切入,认识了湿空气这个暖通主角。但工程上必须把它单独拎出来——因为它的成分并不恒定:水蒸气含量会在很大范围内漂移。这是理解 i-d 图为什么存在的关键。

干空气
由 N₂、O₂、CO₂ 等混合而成,比例基本恒定,是湿空气的'底料'
水蒸气
含量可在 0 到饱和分压力之间大幅变化,是湿空气的'变量'
机械混合
干空气与水蒸气不发生化学反应,各自独立占有一部分压力
总压 = 分压之和
湿空气总压力 = 干空气分压力 + 水蒸气分压力(道尔顿分压定律)
一杯糖水对应 →湿空气

水是溶剂(对应干空气,量基本固定),糖是溶质(对应水蒸气,可多可少);糖的多少决定甜度——对应含湿量

p=pg+pvp = p_{g} + p_{v}
2第 2 页 · 什么是湿空气

绝对湿度与含湿量

上一页把湿空气拆成干空气加水蒸气,那'里面有多少水'怎么定量?两种问法给出两个量,对应不同的工程用途。

绝对湿度 ρ_v
单位体积湿空气中水蒸气的质量,g/m³。直观,但随温度变化(气体热胀冷缩)。
含湿量 d
单位质量干空气中水蒸气的质量,g/kg 干空气。i-d 图的横轴就是它。
为什么选 d
干空气质量不随温度变;只加热不增减水分时 d 守恒,ρ_v 却随体积膨胀而下降。
盐水浓度(按溶剂算)对应 →含湿量 d(按干空气算)

干空气=溶剂,水蒸气=溶质;d=每kg干空气溶的g数,基准稳定。

d=mvma=0.622pvBpvd = \dfrac{m_v}{m_a} = 0.622 \cdot \dfrac{p_v}{B - p_v}
3第 3 页 · 绝对湿度与含湿量

相对湿度φ

上页我们学了含湿量 d,它只告诉你空气里实际有多少水。但同样 d=10g/kg 的空气,夏天黏腻、冬天却清爽——差别不在于水多不多,而在于空气离「装不下」还差多远。

定义
φ = 实际水蒸气分压力 / 同温度下饱和水蒸气分压力
物理意义
反映空气距离饱和还差多远,即还能吸纳多少水汽
取值范围
0~100%,φ=100% 达饱和(露点),再降温即析出凝结水
温度影响
d 不变时升温,饱和压力 p_s 增大,φ 下降,空气变「渴」
工程作用
判断结露风险、干燥终点、产品保存条件的核心指标
可伸缩容量的水杯对应 →相对湿度

杯中水量对应 d,杯子容量对应 p_s,水位占比即 φ;升温杯子撑大,水位相对下降

φ=pvps,t\varphi = \frac{p_v}{p_{s,t}}
4第 4 页 · 相对湿度φ

焓h的定义

上一页用φ回答了湿空气『离饱和多远』,但空调冷热负荷计算时更想知道:把这团湿空气从0°C加热到t°C,总共要塞进去多少能量?答案就是焓h。

焓的基准
以1kg干空气为基准,附带d kg水蒸气,总能量从0°C起算,单位kJ/kg(干空气)
第一项1.01t
干空气显热:c_p≈1.01 kJ/(kg·°C),1kg干空气从0°C升到t°C
第二项2500d
水蒸气潜热:0°C下汽化潜热r₀≈2500 kJ/kg,每kg水蒸气携带2500 kJ
修正项0.001d·t
水蒸气显热修正:水蒸气自身从0°C升到t°C,量级小但高温工况不可忽略
烧一壶开水对应 →湿空气焓的三项构成

壶身升温=干空气显热,水升温=水蒸气显热,水汽化=水蒸气潜热

h=1.01t+2500d+0.001dt[kJ/kg(干空气)]h = 1.01t + 2500d + 0.001d\cdot t \quad [kJ/kg(干空气)]
5第 5 页 · 焓h的定义

焓的构成图解

总焓h由三项叠加构成:1.01t显热、2500d潜热、2500基准。下图展示流向。

图解渲染中…
a1.01为干空气定压比热,t为空气温度℃b2500是0℃水的汽化潜热,d为含湿量c0℃基准常数项,差值计算时自动抵消
6第 6 页 · 焓的构成图解

湿球温度原理

绝热饱和温度的概念,包扎湿纱布的温度计为何能反映湿度

湿球温度原理
绝热饱和温度的概念,包扎湿纱布的温度计为何能反映湿度
7第 7 页 · 湿球温度原理

露点温度定义

上一页湿球温度靠蒸发降温到饱和,今天反过来——空气本身水分不动,单纯等压降温,降到某个温度水汽恰好装不下,这个临界温度就是露点。

等湿冷却至饱和
保持含湿量d不变,等压降温至φ=100%那一刻的温度
d = d_s(t_d)
露点温度下,含湿量恰好等于该温度下的饱和含湿量
一一对应
每个d唯一确定一个t_d;反之亦然
三温度排序
未饱和空气中恒有 t_d ≤ t_s ≤ t;三者相等即饱和
工程意义
表面温度低于t_d必结露——风口结露、冷桥发霉皆源于此
冰可乐罐表面冒汗对应 →露点温度

罐壁温度低于空气露点→水汽冷凝;露点就是'会不会结露'的那条温度线

d=0.622pv,s(td)pbpv,s(td)d = 0.622 \dfrac{p_{v,s}(t_d)}{p_b - p_{v,s}(t_d)}
8第 8 页 · 露点温度定义

湿球温度vs露点温度

两个名字里都带"饱和",很多人误以为是同一回事。其实一个反映蒸发冷却能力,一个锁定含湿量——搞混就会查错i-d图。

湿球温度
  • 空气绝热加湿到饱和时的稳定温度
  • 湿球温度计:湿纱布吸水+稳定气流
  • 与干球温差越大,空气越干燥
  • 工程上用来在i-d图上查焓h
露点温度
  • 等含湿量d降温到水蒸气凝结的温度
  • 露点仪/冷镜法,镜面析出凝结水
  • 与干球温差越大,含湿量d越小
  • 工程上用来在i-d图上查含湿量d
判断"会不会结露"用露点,判断"能不能蒸发制冷"用湿球。未饱和时湿球≥露点;二者相等即空气恰好饱和。
9第 9 页 · 湿球温度vs露点温度

i-d图的坐标系统

从坐标原点出发,先认两条正交轴,再看等值线如何分布,最后理解网格如何定位空气状态。

图解渲染中…
a4每千克干空气携带的水蒸气克数a5每千克干空气携带的焓值a6等d线是竖直线,d相同则i可变a7等i线是水平线,i相同则d可变
10第 10 页 · i-d图的坐标系统

i-d图上的特性线族

四条线族构成i-d图骨架:垂直的等t线、水平的等td线、上凸的等φ线、略斜的等ts线。

图解渲染中…
X等t线垂直、等td线水平,二者方向正交构成坐标网格Y等φ是曲线簇,等ts近似直线,二者走向近似
11第 11 页 · i-d图上的特性线族

读图确定空气状态

已知干球温度与湿球温度,四步在i-d图上把空气状态点定位出来。

1
画等干球温度线
在图上找到对应t的等温线,向右上方倾斜,是定位的第一根参考线
2
画等湿球温度线
找到对应t_w的等温线,向左上方倾斜,与等焓线近似平行但斜率略异
3
两线交点即状态点
两独立参数唯一确定交点,这个交点就是空气状态点A
4
查图读其他参数
向d轴投影读含湿量d,向i轴投影读焓h,看穿越哪条φ曲线定相对湿度
12第 12 页 · 读图确定空气状态

热湿处理过程图示

加热、加湿、冷却、除湿、混风等典型过程在i-d图上的表示方法

热湿处理过程图示
加热、加湿、冷却、除湿、混风等典型过程在i-d图上的表示方法
13第 13 页 · 热湿处理过程图示

确定机器露点

确定机器露点要把等焓冷却除湿过程画到图上——四步走完即可锁定交点。

1
标初始状态
在i-d图上找到处理前空气状态点(送风或室内点)
2
绘等焓线
过该点沿h不变方向向低温方向延伸
3
交90%曲线
等焓线与φ=90%曲线的交点即为机器露点
4
读机器露点参数
从交点读出Ld对应的温度t、含湿量d、焓h
14第 14 页 · 确定机器露点

核心概念自测

点击作答

在 i-d 焓湿图上,对于未饱和空气,等焓线与等湿球温度线的关系是?

15第 15 页 · 核心概念自测

本讲要点回顾

  • 三个独立参数确定状态,其余皆函数
  • i-d图五条线,每条锁定一个状态维度
  • 过程方向比大小更重要,反映能量变化
  • 湿球表蒸发强度,露点标含湿上限
延伸主题:空气热湿处理设备选型送风状态点与热湿比焓湿图在空调系统设计
16第 16 页 · 本讲要点回顾

延伸思考

先合上书,自己想三分钟再看参考答案。好问题比答案值钱。

1湿球温度与露点温度相等意味着什么?为什么湿球温度始终不低于露点温度?

参考答案湿球=露点→空气已饱和(φ=100%)。湿球过程含湿量只能增加或不变,饱和时增湿到极限即等于湿球温度本身,因此湿球≥露点恒成立。

2寒冷地区墙体内部结露的位置如何用露点温度判断?保温层失效的临界条件是什么?

参考答案沿墙厚逐层算出各点壁温与对应露点温度;若某层壁温低于室内侧露点,水蒸气就在此凝结。保温失效临界即保温层冷侧壁温≤露点。

3i-d图能快速读出送风参数,为什么实际工程仍要做焓差法验证?什么场景必须验?

参考答案i-d图假设理想绝热过程,忽略设备真实换热与回风混合;部分负荷、风机温升、再热工况偏差大。焓差法基于实测能量平衡,能兜住这些边界。

17第 17 页 · 延伸思考