典型工作任务1　湿空气的状态参数认知

2.1.1　任务目标

1.了解湿空气的组成。

2.掌握湿空气状态参数的含义。

2.1.2　相关配套知识

1.湿空气的组成

在空调工程中，我们把空气看作是由干空气和水蒸气两部分组成的混合物。为什么要这样来划分呢？这是因为，在正常情况下，大气中干空气的组成比例基本上是不变的，见表2-1，虽然在某些局部范围内，可能因为某些因素（如人的呼吸作用使氧气减少，二氧化碳的含量增加，或在生产过程中，产生了某些有害气体污染了空气）使空气的组成比例有所改变，但这种改变可以认为对干空气的热工特性影响很小。这样，在研究空气的物理性质时，可以把干空气作为一个整体来看待，以便分析讨论。

相对来说，湿空气中的水蒸气的含量很少，它来源于地球上的海洋、江河、湖泊表面水分的蒸发，各种生物的代谢，以及生产过程中。在湿空气中，水蒸气的百分比是不固定的，常常随着海拔、地区、季节、气候、湿源等各种条件的变化而变化。虽然湿空气中水蒸气的含量少，但它的变化对人们的影响却很大。如在南方多雨地区，空气比较潮湿，湿衣服就不容易干。夏天，会感到身上总是湿湿的，很不舒服。而在北方的兰州、乌鲁木齐等地区，由于空气干燥，在同样的温度下，就要舒适得多。空气中水蒸气的多少，除了对人们的日常生活有影响外，对工业生产也十分重要。如在纺织车间，相对湿度小时，纱线变粗变脆，容易产生飞花和断头。可是空气太潮湿也不行，纱线会粘结，不好加工。

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，这也是把水蒸气专门划分出来的原因之一。

2.湿空气的状态参数

湿空气的物理性质是由它的组成成分和所处的状态决定的。

湿空气的状态通常可以用压力、温度、相对湿度、含湿量及焓等参数来度量和描述，这些参数称为湿空气的状态参数。

在热力学中，常温常压下的干空气可视为理想气体。所谓理想气体，就是假设气体分子是一些有弹性的、不占有空间的质点，分子相互之间没有作用力。因为空调工程中所涉及的压力和温度都可以看作属于这个范畴，所以，空调工程中的干空气也可看作是理想气体。此外，湿空气中的水蒸气由于数量很少，而且处于过热状态，压力小，比体积大，也可近似看作理想气体。这样，水蒸气状态参数之间的关系也可用理想气体状态方程来表示。

（1）压力

①大气压力

气体的压力是指单位面积上所受到的气体的作用力，在国际单位制（SI）里，压力的单位是Pa（帕），1Pa=lN/m2。地球表面单位面积上所受到的大气的压力称为大气压力或大气压。大气的压力随海拔高度不同而变化。同时，在同一地区的不同季节，大气压力也有大约±5％的变化。图2-1是大气压力与海拔高度的关系。同一个海拔高度处，在不同的季节和不同的天气状况下，大气压力也有变化。通常把在0℃下、北纬45°处海平面上作用的大气压力作为一个标准大气压（atm），其数值为

1atm=101325Pa

在空调系统中，空气的压力常用压力表来测定。压力表指示的压力是所测量空气的绝对压力与当地大气压力的差值，称为工作压力（或表压力），工作压力与绝对压力的关系为

（空气的）绝对压力=当地大气压+工作压力（表压力）

如果没有特别指出，空气的压力都是指绝对压力。由于大气压力不是定值，因此，在设计和运行中应当考虑由于当地大气压的不同所引起的误差修正。工作压力并不代表空气压力的真正大小，只有绝对压力才是空气的一个基本状态参数。

②水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力

湿空气中水蒸气的分压力，是指湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积并具有与湿空气相同温度时所具有的压力。水蒸气分压力的大小，反映了湿空气中水蒸气含量的多少。水蒸气含量越多，其分压力也越大；在一定温度条件下，一定量的空气中能够容纳水蒸气的数量是有限度的。湿空气的温度越高，它允许的最大水蒸气含量也越大。当空气中水蒸气的含量超过最大允许值时，多余的水蒸气会以水珠形式析出，这就是结露现象，此时水蒸气达到饱和状态，所对应的湿空气称为饱和湿空气。由此可知，未饱和空气中，水蒸气含量没有达到最大允许值，它还具有吸收水蒸气的能力。我们周围的大气通常都是未饱和空气。

根据道尔顿分压力定律（混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和）可知，湿空气的总压力应等于水蒸气分压力与干空气分压力之和，即

B=pa+pv　　（2-1）

式中　B——湿空气的总压力，即当地大气压，Pa；

pa——干空气分压力，Pa；

pv——水蒸气分压力，Pa。

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量超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出。湿空气处于饱和状态时相应的水蒸气分压力称之为饱和水蒸气分压力，用pv，b表示。pv，b值仅取决于温度。

（2）温度

湿空气的温度是表示空气冷热程度的标尺。湿空气中干空气的温度与水蒸气的温度相等。湿空气温度的高低对人体的舒适感和某些生产过程的影响较大，因此温度是衡量空气环境对人和生产是否合适的一个非常重要的参数。温度的高低用“温标”来衡量，在空调中，目前国际上常用的有绝对温标（又称开氏温标），用符号T表示，单位为K（开尔文，简称开）；摄氏温标，用符号t表示，单位为℃；有些国家还采用华氏温标，用符号t表示，单位为℉。摄氏温标与绝对温标的换算关系为

t=T-273.15≈T-2F3　　（2-2）

（3）含湿量

含湿量可以确切地表示空气中实际含有的水蒸气量的多少。空调中常用含湿量的变化来表示空气被加湿或减湿的程度。在湿空气中与1kg干空气并存的水蒸气量称为含湿量，即

式中　d——含湿量，kg/kg（a）；

mv——水蒸气的质量，kg；

ma——干空气的质量，kg（a）。

若湿空气中含有1kg干空气和dkg水蒸气，那么，湿空气的质量应当是（1+d）kg。

如果对于湿空气中的干空气和水蒸气分别应用气体状态方程式，则由道尔顿分压力定律有

pvV=mvRvT

paV=maRaT

从中解出mv和ma，代入含湿量的定义式有

由于空气中的水蒸气含量很少，d的单位也可用g（克）来表示，即

（4）相对湿度φ

从含湿量的概念可知，其大小只表明了空气中水蒸气含量的多少，而不能表明空气的潮湿程度。怎样才能判断空气的潮湿程度呢？从上面含湿量d的计算式可以看出：当大气压力不变，温度t不变，空气的水蒸气分压力pv增加时，含湿量d也随之增大，空气的潮湿程度增大。所以，湿空气中的水蒸气分压力pv，与同温度下饱和水蒸气分压力pv，b的接近程度就反映了空气的潮湿程度。空气的水蒸气分压力与同温度下饱和空气的水蒸气分压力之比称为相对湿度，即

式中　φ——相对湿度；

pv——湿空气中的水蒸气分压力，Pa；

pv，b——相同温度下湿空气的饱和水蒸气分压力，Pa。

φ是表示空气接近饱和的程度。φ值小，说明空气干燥，远离饱和状态，吸收水蒸气的能力强；φ值大，则说明空气潮湿，接近饱和状态，吸收水蒸气的能力弱。φ=100％为饱和空气，φ=0则为干空气。

（5）比焓

比焓是空调中的一个重要参数，用来计算在定压条件下对湿空气加热或冷却时吸收或放出的热量。湿空气的比焓不是温度t的单值函数，而取决于温度和含湿量两个因素。温度升高，焓值可以增加，也可以减少，取决于含湿量的变化情况。

比焓是指1kg干空气的比焓和共存的dkg（或g）水蒸气的比焓的总和，单位kJ/kg干空气，取0℃时空气的焓值为零，则湿空气的焓可表示为

h=ha+dhv　　（2-7a）

式中　h——含有1kg干空气的湿空气所具有的焓，kJ/kg（a）；

ha——干空气的焓，kJ/kg（a），按式（2-7b）计算；

ha=cp，at=1.01t　　（2-7b）

hv——水蒸气的焓，kJ/kg，按式（2-7c）计算。

hv=2500kJ/kg+cp，vt　　（2-7c）

式中　cp，a——干空气的比定压热容，为1.01kJ/（kg·K）；

2500kJ/kg——0℃时水的汽化潜热。

水蒸气的比定压热容为1.84kJ/（kg·K）。

把ha和hv的表达式代入湿空气焓的计算式中，整理可得

h=（1.01+1.84d）t+2500d　　（2-7d）

式（2-7d）中，（1.01+1.84d）t是随温度而变化的量，通常称为“显热”。2500d是0℃时dkg水的汽化潜热，仅与含湿量d有关，称为“潜热”。由于2500比（1.01+1.84d）大得多，因而，当温度升高时，若含湿量有所下降，则综合后的结果有可能是湿空气的焓不一定会增加。

（6）干、湿球温度和露点温度

根据空气温度形成的过程和用途不同可将空气的温度分为干球温度、湿球温度和露点温度。

干球温度是指暴露于空气中而又不受太阳直接照射的干球温度表上所读取的数值，用t表示。

湿球温度也称热力学湿球温度。湿球温度是标定空气相对湿度的一种手段，其含义是，某一状态下的空气，同湿球温度表的湿润温包接触，发生绝热热湿交换，使其达到饱和状态时的温度。该温度是用温包上裹着湿纱布的温度表，在流速大于2.5m/s且不受直接辐射的空气中，所测得的纱布表面温度，以此作为空气接近饱和程度的一种度量。周围空气的饱和差愈大，湿球温度表上发生的蒸发愈强，而其湿度也就愈低。根据干、湿球温度的差值，可以确定空气的相对湿度。

通常，相对湿度可由干湿球温度计测量干、湿球温度得到。干湿球温度计含有两支普通温度计，如图2-2所示。

其中一支的温包直接和湿空气接触，其测得温度称为干球温度；另一支的温包则用保持浸润的湿纱布包着，测得温度称湿球温度。如果来流空气是未饱和的，那么湿纱布表面的水分会不断蒸发，由于水蒸发时吸收热量，从而使贴近纱布的一层空气温度降低。随着与主流空气建立的温差，主气流向纱布传热。当温度降低到一定程度时，传入纱布的热量正好等于水蒸发所需的热量，这时温度维持不变，此时的温度就是湿球温度。空气的相对湿度愈小，湿球温度比干球温度就低得愈多。如果空气是饱和的，则由于空气不能接纳更多的蒸汽，故纱布上水不会蒸发，这时湿球温度和干球温度是相同的。因此干湿球温度的差值与相对湿度存在一定的函数关系，如图2-3所示。

根据对露点温度和湿球温度的讨论，干球温度、湿球温度和露点温度的关系如下：

对于未饱和空气：

露点温度<湿球温度<干球温度

对于饱和空气：

露点温度=湿球温度=干球温度

应该指出，湿球温度计的读数和掠过湿球温度计的风速有一定的关系，湿球温度并非热力学状态参数。严格的场合应用绝热饱和温度作为确定湿空气状态的一个参数，但绝热饱和温度的确定很困难。研究表明，在风速超过2m/s直至40m/s以下的宽广范围内，湿球温度计的读数变化很小，故工程上近似用湿球温度替代绝热饱和温度，作为一种表征湿空气的状态参数。在以干、湿球温度查图表或进行计算求取相对湿度等时，应以通风式干—湿球温度计的读数为准。

露点温度：露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度，用tL表示。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。

露点温度对应的含湿量是饱和含湿量，当φ=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。

露点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。在空调工程中的很多除湿过程，就是利用结露规律进行的。

（7）密度和比体积

湿空气是由于空气和水蒸气混合而成，而干空气和水蒸气是均匀混合并占有相同的体积，因此，湿空气的密度等于干空气的密度和水蒸气的密度之和，对于湿空气，单位体积的气体所具有的质量称为密度，即

ρ=m/V　　（2-8）

式中　ρ——气体的密度，kg/m3；

m——气体的质量，kg；

V——气体所占有的体积，m3。

单位质量的物质所占有的体积称为比体积，也称为比容，用符号v表示，单位为m3/kg。比体积和密度实际上是两个相关的参数。两者呈倒数关系，即

式中　v——气体的比体积，m3/kg。

由于湿空气是由于空气和水蒸气组成的混合物，两者具有相同的温度并占有相同的体积，即

m=ma+mv

上式各项同除以体积V，则湿空气的密度等于干空气的密度加水蒸气的密度，即

ρ=ρa+ρv　　（2-10）

将理想气体状态方程代入式（2-10）有：

从式（2-10a）可知，在大气压力和温度相同的情况下，湿空气的密度比干空气小，即湿空气比干空气轻。

如果我们仔细观察一下生活中的现象，我们也会意识到，潮湿的空气比干燥的空气要轻，比如，我们蒸桑拿的时候，所处位置越高就越难受，这是因为高处的水蒸气多，进而导致氧气的浓度较低，当然出汗效果也更好。如果我们观察蒸馒头的蒸笼，你也会发现，上面水汽缭绕，下面却没有什么水蒸气。在夏季，人们感到潮湿的空气闷热，并不是由于它的密度较大的原因所致，而是因为潮湿的空气降低了人们的发汗能力。