典型工作任務1　濕空氣的狀態參數認知

2.1.1　任務目標

1.了解濕空氣的組成。

2.掌握濕空氣狀態參數的含義。

2.1.2　相關配套知識

1.濕空氣的組成

在空調工程中，我們把空氣看作是由干空氣和水蒸氣兩部分組成的混合物。為什么要這樣來劃分呢？這是因為，在正常情況下，大氣中干空氣的組成比例基本上是不變的，見表2-1，雖然在某些局部范圍內，可能因為某些因素（如人的呼吸作用使氧氣減少，二氧化碳的含量增加，或在生產過程中，產生了某些有害氣體污染了空氣）使空氣的組成比例有所改變，但這種改變可以認為對干空氣的熱工特性影響很小。這樣，在研究空氣的物理性質時，可以把干空氣作為一個整體來看待，以便分析討論。

相對來說，濕空氣中的水蒸氣的含量很少，它來源于地球上的海洋、江河、湖泊表面水分的蒸發，各種生物的代謝，以及生產過程中。在濕空氣中，水蒸氣的百分比是不固定的，常常隨著海拔、地區、季節、氣候、濕源等各種條件的變化而變化。雖然濕空氣中水蒸氣的含量少，但它的變化對人們的影響卻很大。如在南方多雨地區，空氣比較潮濕，濕衣服就不容易干。夏天，會感到身上總是濕濕的，很不舒服。而在北方的蘭州、烏魯木齊等地區，由于空氣干燥，在同樣的溫度下，就要舒適得多。空氣中水蒸氣的多少，除了對人們的日常生活有影響外，對工業生產也十分重要。如在紡織車間，相對濕度小時，紗線變粗變脆，容易產生飛花和斷頭。可是空氣太潮濕也不行，紗線會粘結，不好加工。

因此，從空氣調節的角度來說，空氣的潮濕程度是我們十分關心的問題，這也是把水蒸氣專門劃分出來的原因之一。

2.濕空氣的狀態參數

濕空氣的物理性質是由它的組成成分和所處的狀態決定的。

濕空氣的狀態通常可以用壓力、溫度、相對濕度、含濕量及焓等參數來度量和描述，這些參數稱為濕空氣的狀態參數。

在熱力學中，常溫常壓下的干空氣可視為理想氣體。所謂理想氣體，就是假設氣體分子是一些有彈性的、不占有空間的質點，分子相互之間沒有作用力。因為空調工程中所涉及的壓力和溫度都可以看作屬于這個范疇，所以，空調工程中的干空氣也可看作是理想氣體。此外，濕空氣中的水蒸氣由于數量很少，而且處于過熱狀態，壓力小，比體積大，也可近似看作理想氣體。這樣，水蒸氣狀態參數之間的關系也可用理想氣體狀態方程來表示。

（1）壓力

①大氣壓力

氣體的壓力是指單位面積上所受到的氣體的作用力，在國際單位制（SI）里，壓力的單位是Pa（帕），1Pa=lN/m2。地球表面單位面積上所受到的大氣的壓力稱為大氣壓力或大氣壓。大氣的壓力隨海拔高度不同而變化。同時，在同一地區的不同季節，大氣壓力也有大約±5％的變化。圖2-1是大氣壓力與海拔高度的關系。同一個海拔高度處，在不同的季節和不同的天氣狀況下，大氣壓力也有變化。通常把在0℃下、北緯45°處海平面上作用的大氣壓力作為一個標準大氣壓（atm），其數值為

1atm=101325Pa

在空調系統中，空氣的壓力常用壓力表來測定。壓力表指示的壓力是所測量空氣的絕對壓力與當地大氣壓力的差值，稱為工作壓力（或表壓力），工作壓力與絕對壓力的關系為

（空氣的）絕對壓力=當地大氣壓+工作壓力（表壓力）

如果沒有特別指出，空氣的壓力都是指絕對壓力。由于大氣壓力不是定值，因此，在設計和運行中應當考慮由于當地大氣壓的不同所引起的誤差修正。工作壓力并不代表空氣壓力的真正大小，只有絕對壓力才是空氣的一個基本狀態參數。

②水蒸氣分壓力與飽和水蒸氣分壓力

濕空氣中水蒸氣的分壓力，是指濕空氣中的水蒸氣單獨占有濕空氣的體積并具有與濕空氣相同溫度時所具有的壓力。水蒸氣分壓力的大小，反映了濕空氣中水蒸氣含量的多少。水蒸氣含量越多，其分壓力也越大；在一定溫度條件下，一定量的空氣中能夠容納水蒸氣的數量是有限度的。濕空氣的溫度越高，它允許的最大水蒸氣含量也越大。當空氣中水蒸氣的含量超過最大允許值時，多余的水蒸氣會以水珠形式析出，這就是結露現象，此時水蒸氣達到飽和狀態，所對應的濕空氣稱為飽和濕空氣。由此可知，未飽和空氣中，水蒸氣含量沒有達到最大允許值，它還具有吸收水蒸氣的能力。我們周圍的大氣通常都是未飽和空氣。

根據道爾頓分壓力定律（混合氣體的總壓力等于各組成氣體的分壓力之和）可知，濕空氣的總壓力應等于水蒸氣分壓力與干空氣分壓力之和，即

B=pa+pv　　（2-1）

式中　B——濕空氣的總壓力，即當地大氣壓，Pa；

pa——干空氣分壓力，Pa；

pv——水蒸氣分壓力，Pa。

在一定溫度下，空氣中的水蒸氣含量越多，空氣就越潮濕，水蒸氣分壓力也越大。如果空氣中水蒸氣的量超過某一限量時，多余的水蒸氣就會凝結成水從空氣中析出。濕空氣處于飽和狀態時相應的水蒸氣分壓力稱之為飽和水蒸氣分壓力，用pv，b表示。pv，b值僅取決于溫度。

（2）溫度

濕空氣的溫度是表示空氣冷熱程度的標尺。濕空氣中干空氣的溫度與水蒸氣的溫度相等。濕空氣溫度的高低對人體的舒適感和某些生產過程的影響較大，因此溫度是衡量空氣環境對人和生產是否合適的一個非常重要的參數。溫度的高低用“溫標”來衡量，在空調中，目前國際上常用的有絕對溫標（又稱開氏溫標），用符號T表示，單位為K（開爾文，簡稱開）；攝氏溫標，用符號t表示，單位為℃；有些國家還采用華氏溫標，用符號t表示，單位為℉。攝氏溫標與絕對溫標的換算關系為

t=T-273.15≈T-2F3　　（2-2）

（3）含濕量

含濕量可以確切地表示空氣中實際含有的水蒸氣量的多少。空調中常用含濕量的變化來表示空氣被加濕或減濕的程度。在濕空氣中與1kg干空氣并存的水蒸氣量稱為含濕量，即

式中　d——含濕量，kg/kg（a）；

mv——水蒸氣的質量，kg；

ma——干空氣的質量，kg（a）。

若濕空氣中含有1kg干空氣和dkg水蒸氣，那么，濕空氣的質量應當是（1+d）kg。

如果對于濕空氣中的干空氣和水蒸氣分別應用氣體狀態方程式，則由道爾頓分壓力定律有

pvV=mvRvT

paV=maRaT

從中解出mv和ma，代入含濕量的定義式有

由于空氣中的水蒸氣含量很少，d的單位也可用g（克）來表示，即

（4）相對濕度φ

從含濕量的概念可知，其大小只表明了空氣中水蒸氣含量的多少，而不能表明空氣的潮濕程度。怎樣才能判斷空氣的潮濕程度呢？從上面含濕量d的計算式可以看出：當大氣壓力不變，溫度t不變，空氣的水蒸氣分壓力pv增加時，含濕量d也隨之增大，空氣的潮濕程度增大。所以，濕空氣中的水蒸氣分壓力pv，與同溫度下飽和水蒸氣分壓力pv，b的接近程度就反映了空氣的潮濕程度。空氣的水蒸氣分壓力與同溫度下飽和空氣的水蒸氣分壓力之比稱為相對濕度，即

式中　φ——相對濕度；

pv——濕空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；

pv，b——相同溫度下濕空氣的飽和水蒸氣分壓力，Pa。

φ是表示空氣接近飽和的程度。φ值小，說明空氣干燥，遠離飽和狀態，吸收水蒸氣的能力強；φ值大，則說明空氣潮濕，接近飽和狀態，吸收水蒸氣的能力弱。φ=100％為飽和空氣，φ=0則為干空氣。

（5）比焓

比焓是空調中的一個重要參數，用來計算在定壓條件下對濕空氣加熱或冷卻時吸收或放出的熱量。濕空氣的比焓不是溫度t的單值函數，而取決于溫度和含濕量兩個因素。溫度升高，焓值可以增加，也可以減少，取決于含濕量的變化情況。

比焓是指1kg干空氣的比焓和共存的dkg（或g）水蒸氣的比焓的總和，單位kJ/kg干空氣，取0℃時空氣的焓值為零，則濕空氣的焓可表示為

h=ha+dhv　　（2-7a）

式中　h——含有1kg干空氣的濕空氣所具有的焓，kJ/kg（a）；

ha——干空氣的焓，kJ/kg（a），按式（2-7b）計算；

ha=cp，at=1.01t　　（2-7b）

hv——水蒸氣的焓，kJ/kg，按式（2-7c）計算。

hv=2500kJ/kg+cp，vt　　（2-7c）

式中　cp，a——干空氣的比定壓熱容，為1.01kJ/（kg·K）；

2500kJ/kg——0℃時水的汽化潛熱。

水蒸氣的比定壓熱容為1.84kJ/（kg·K）。

把ha和hv的表達式代入濕空氣焓的計算式中，整理可得

h=（1.01+1.84d）t+2500d　　（2-7d）

式（2-7d）中，（1.01+1.84d）t是隨溫度而變化的量，通常稱為“顯熱”。2500d是0℃時dkg水的汽化潛熱，僅與含濕量d有關，稱為“潛熱”。由于2500比（1.01+1.84d）大得多，因而，當溫度升高時，若含濕量有所下降，則綜合后的結果有可能是濕空氣的焓不一定會增加。

（6）干、濕球溫度和露點溫度

根據空氣溫度形成的過程和用途不同可將空氣的溫度分為干球溫度、濕球溫度和露點溫度。

干球溫度是指暴露于空氣中而又不受太陽直接照射的干球溫度表上所讀取的數值，用t表示。

濕球溫度也稱熱力學濕球溫度。濕球溫度是標定空氣相對濕度的一種手段，其含義是，某一狀態下的空氣，同濕球溫度表的濕潤溫包接觸，發生絕熱熱濕交換，使其達到飽和狀態時的溫度。該溫度是用溫包上裹著濕紗布的溫度表，在流速大于2.5m/s且不受直接輻射的空氣中，所測得的紗布表面溫度，以此作為空氣接近飽和程度的一種度量。周圍空氣的飽和差愈大，濕球溫度表上發生的蒸發愈強，而其濕度也就愈低。根據干、濕球溫度的差值，可以確定空氣的相對濕度。

通常，相對濕度可由干濕球溫度計測量干、濕球溫度得到。干濕球溫度計含有兩支普通溫度計，如圖2-2所示。

其中一支的溫包直接和濕空氣接觸，其測得溫度稱為干球溫度；另一支的溫包則用保持浸潤的濕紗布包著，測得溫度稱濕球溫度。如果來流空氣是未飽和的，那么濕紗布表面的水分會不斷蒸發，由于水蒸發時吸收熱量，從而使貼近紗布的一層空氣溫度降低。隨著與主流空氣建立的溫差，主氣流向紗布傳熱。當溫度降低到一定程度時，傳入紗布的熱量正好等于水蒸發所需的熱量，這時溫度維持不變，此時的溫度就是濕球溫度。空氣的相對濕度愈小，濕球溫度比干球溫度就低得愈多。如果空氣是飽和的，則由于空氣不能接納更多的蒸汽，故紗布上水不會蒸發，這時濕球溫度和干球溫度是相同的。因此干濕球溫度的差值與相對濕度存在一定的函數關系，如圖2-3所示。

根據對露點溫度和濕球溫度的討論，干球溫度、濕球溫度和露點溫度的關系如下：

對于未飽和空氣：

露點溫度<濕球溫度<干球溫度

對于飽和空氣：

露點溫度=濕球溫度=干球溫度

應該指出，濕球溫度計的讀數和掠過濕球溫度計的風速有一定的關系，濕球溫度并非熱力學狀態參數。嚴格的場合應用絕熱飽和溫度作為確定濕空氣狀態的一個參數，但絕熱飽和溫度的確定很困難。研究表明，在風速超過2m/s直至40m/s以下的寬廣范圍內，濕球溫度計的讀數變化很小，故工程上近似用濕球溫度替代絕熱飽和溫度，作為一種表征濕空氣的狀態參數。在以干、濕球溫度查圖表或進行計算求取相對濕度等時，應以通風式干—濕球溫度計的讀數為準。

露點溫度：露點溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度，用tL表示。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變為露珠時候的溫度叫露點溫度。露點溫度本是個溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因為，當空氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點溫度相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。所以露點與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。

露點溫度對應的含濕量是飽和含濕量，當φ=100％時，從相對濕度的含義可知d=db，這時等溫線和100％相對濕度線的交點就是露點溫度。

露點溫度在冬天的玻璃窗上或夏季的自來水管上常常可以看到有凝結水或露水存在，這一現象可以用露點溫度形成來解釋。在空調工程中的很多除濕過程，就是利用結露規律進行的。

（7）密度和比體積

濕空氣是由于空氣和水蒸氣混合而成，而干空氣和水蒸氣是均勻混合并占有相同的體積，因此，濕空氣的密度等于干空氣的密度和水蒸氣的密度之和，對于濕空氣，單位體積的氣體所具有的質量稱為密度，即

ρ=m/V　　（2-8）

式中　ρ——氣體的密度，kg/m3；

m——氣體的質量，kg；

V——氣體所占有的體積，m3。

單位質量的物質所占有的體積稱為比體積，也稱為比容，用符號v表示，單位為m3/kg。比體積和密度實際上是兩個相關的參數。兩者呈倒數關系，即

式中　v——氣體的比體積，m3/kg。

由于濕空氣是由于空氣和水蒸氣組成的混合物，兩者具有相同的溫度并占有相同的體積，即

m=ma+mv

上式各項同除以體積V，則濕空氣的密度等于干空氣的密度加水蒸氣的密度，即

ρ=ρa+ρv　　（2-10）

將理想氣體狀態方程代入式（2-10）有：

從式（2-10a）可知，在大氣壓力和溫度相同的情況下，濕空氣的密度比干空氣小，即濕空氣比干空氣輕。

如果我們仔細觀察一下生活中的現象，我們也會意識到，潮濕的空氣比干燥的空氣要輕，比如，我們蒸桑拿的時候，所處位置越高就越難受，這是因為高處的水蒸氣多，進而導致氧氣的濃度較低，當然出汗效果也更好。如果我們觀察蒸饅頭的蒸籠，你也會發現，上面水汽繚繞，下面卻沒有什么水蒸氣。在夏季，人們感到潮濕的空氣悶熱，并不是由于它的密度較大的原因所致，而是因為潮濕的空氣降低了人們的發汗能力。