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第二章 湿空气的状态参数与焓湿图的应用

在空调工程中，研究与改造的对象是空气环境，所使用的媒介物往往也是空气。因而，首先需要对空气的物理性质有所了解。在这一章里，讨论下述四个问题：（1）空气的组成和物理性质；（2）空气的状态参数；（3）焓湿图的绘制和应用；（4）几种典型的空气处理过程在焓湿图中的应用。

第一节 湿空气的状态参数

一、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所组成的混和物。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，如表2-1所示。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。

表2-1 空气的主要组成成分

主要组成成分 氮 氧 氩 二氧化碳 分子量 28.016 32.000 39.944 44.010 体积百分比（﹪） 78.084 20.946 0.934 0.033 相对来说，湿空气中的水蒸气的数量很少，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。例如，在南方多雨地区，空气就比较潮湿，湿衣服就不容易干。夏天，会感到身上的汗老不干，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，就要舒适的多。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。例如，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

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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。

二、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。因此，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，比容大，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，即

pv?RT （2-1）

pV?mRT （2-2） 式中 p——气体的绝对压力(Pa)；

v——气体的比容(m3/ kg) ；

V——气体的总体积(m3)；；

m——气体的总质量(kg)； T——气体的热力学温标(K)；

R——气体常数[J/(kg·K)]，取决于气体的性质。其中干空气和水蒸气的气体常数分别为：

。 Ra=287J/(kg·K)，Rv = 46lJ/(kg·K）

（一）压力 ⒈ 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，压力的单位是帕（Pa）,1Pa＝1N/m2（式中 N表示牛顿），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。大气压力不是一个定值，随着海拔高度的增加而减小，图2-1是大气压力与海拔高度的关系。即使在同一个海拔高度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度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

latm = 101325Pa =1.01325bar

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图2-1 大气压力与海拔高度的关系 在空调系统中，空气的压力常用压力表来测定，仪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，因地而异。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。由于工作压力是空气压力与当地大气压力的差值，它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。

⒉ 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。根据气体分子运动论的学说，气体分子越多，撞击容器壁面的机会越多，表现出的压力也就越大。因而，水蒸气分压力的大小也就反映了水蒸气含量的多少。

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。湿空气的总压力就等于水蒸气分压力与干空气分压力之和，即

B?pa?pv (2-3) 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数目超过某一限量时，多余的水蒸气就会凝结成水从空气中析出。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，则称湿空气处于饱和状态，亦称为饱和空气；此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。各种温度下的饱和水蒸气分压力值，可以从湿空气性质表中查处，见附录A-1。

（二）温度

空气的温度是表示空气的冷热程度。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℃；有的国家也采有华氏温标，符号为t，单位为℉；摄氏温标与绝对温标的换算关系为：

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t?T?273.15≈T?273 （2-4）

（三）含湿量

在空气的加湿和减湿处理过程中，常用含湿量这个参数来衡量空气中水蒸气的变化情况。其定义为：在湿空气中与1kg干空气并存的水蒸气量称为含湿量，单位为kg/kg（a），即

d?mv/ma

式中 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： d?Rapv287pvpv （2-5） ??0.622Rvpa461(B-pv)B?pv由于空气中的水蒸气含量很少，d的单位也可用克来表示，即 d?622(四) 相对湿度?

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，而看不出空气的潮湿程度。怎样才能判断空气的潮湿程度呢？相对湿度这个参数可以解决这个问题。相对湿度的定义为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，即 式中 ?——湿空气的相对湿度；

； 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）。

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

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pv （2-6）

B?pv??pv ?100﹪ （2-7）

pv,b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。相对湿度??0时，是干空气，

?=100％时为饱和湿空气。

对于?有两点需要注意：

（1）?和d的区别：?表示空气接近饱和的程度，也就是空气在一定温度下吸收水分的能力，但并不反映空气中水蒸气含量的多少；而d可表示空气中水蒸气的含量，但却无法直观地反映出空气的潮湿程度和吸收水分的能力。

例如有温度为 t=10℃，d=7.63g/kg(a)和t=30℃，d=15g/kg(a)两种状态的空气。从表面上看，似乎第一种状态的空气要干燥些。其实却并非如此。从附录A-1中可知，第一种状态的空气已是饱和空气，而第二种状态的空气距离饱和状态的含湿量db=27.2g/kg(a)还很远。这时，?=55％左右，还有很大的吸湿能力。

（2）饱和水蒸气分压力是温度的单值函数，即：pv,b?f(t)由工程热力学的知识我们知道，水在定压汽化过程中，在如图2-2 b）所示的湿蒸汽区里，温度和压力都不变，饱和压力和饱和温度维持ps?f(t)的关系。而饱和水蒸气状态点是在湿蒸汽区的饱和线上，因而服从这种关系。根据这个特点，湿空气的饱和水蒸气分压力pv,b =ps?f(t),即可从有关的水蒸气图表中查取。 图2-2 水蒸气的压力—容积图 （五）焓

由热力学理论可以知道，在定压过程中，空气变化时初、终状态的焓差，就反映了状态变化过程中热量的变化。因为在空调工程中，湿空气的状态变化过程可以近似看做是定压过程。所以，湿空气状态变化前后的热量变化就可以用它们的焓差来计算。

湿空气的焓也是以 1kg干空气作为计算基础。即 1kg干空气的焓加dkg水蒸气的焓的总和，称为（1＋d）kg湿空气的焓。如果取 0℃的干空气和0℃的水的焓为零，则湿空气的焓可表示为

h?ha?dhv

式中 h——含有1kg干空气的湿空气所具有的焓［kJ/kg(a)］；

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