湿空气的典型过程概述

一、空气调节装置工作概况

空气调节装置中的主要设备有滤器、加热器、冷却器、加湿器和风机等，如图7-8所示，夏季，加热器和加湿器停止工作，由风机将一部分舱室内的空气（称回风）和外界新鲜空气（称新风）混合吸入。混合风经滤器去掉灰尘后，进入壁面温度低于露点的冷却器进行降温去湿。然后把这种经过降温去湿的空气通入各舱室，以维持舱室空气处于适宜状态。冬季，冷却器停止工作，混合风进入加热器使温度升高，再向它喷水或喷水蒸气，使其含湿量增加。然后把这种经过升温加湿的空气通入各舱室，以维持舱室内的空气处于适宜状态。

由此可见，空气调节装置对空气的加工处理，就是对不同状态的湿空气升温或降温、加湿或去湿的过程。

图7-8 空气调节装置示意图

二、湿空气的几种典型过程

1.混合过程

船舶上常将一部分舱室内的空气与外界新鲜空气混合后，由通风机吸入，经空气调节设备处理后，再送入舱室，这样要比只从外界吸入新风经济得多，例如，冬天室内的空气温度比室外高，混合后，可使加热器消耗的蒸汽量减少；而在夏天，因为使用空气调节装置，室内空气温度低于外界空气温度，吸入部分回风与新鲜空气混合后，可减少制冷装置的热负荷，节约能量。如图7-9所示，设已知新风的状态为点1（h1，d1），其干空气质量为ma，1，回风的状态为点2 （h2，d2），其干空气质量为ma，2，在h-d图上求混合后的状态点3。

图7-9 确定混合后湿空气的状态

混合后干空气的质量为

混合后湿空气中的水蒸气的质量为

改写为

同理，混合后湿空气的焓值为

亦可改写为

用式（b）比式（a），可得

根据式（7-25），从新风状态到混合风状态的1—3过程与从回风状态到混合风状态的2—3过程具有相同的斜率。可见，在h-d图上，点3在1，2两点所连的直线上。点3在1—2直线上的位置取决于回风量与新风量的比值。由式（a）及式（7-25）可得

当回风量ma，2等于新风量ma，1，即ma，2/ma，1＝1时，点3位于线段1—2的中点。当回风量ma，2大于新风量ma，1时，点3靠近回风点2。这样，求混合后湿空气的状态参数时，只要在h-d图上把参与混合的两个状态点连成直线，再根据回风量ma，2与新风量ma，1的比值，即可确定混合后的状态点3。

例7-2 某船空气调节装置回风量与新风量的比值ma，2/ma，1＝4（最大允许数值），冬季新风状态t1＝﹣10℃，＝70％，室内回风t2＝20℃，＝50％。求混合后湿空气的状态参数。

解在h-d图上找出点1和点2，如图7-10所示。将点1、2连成直线，按ma，2/ma，1＝1—3线段/2—3线段＝4来确定点3。于是从h-d图上可求得混合后的湿空气状态，t3＝14.9 C，＝57％，d3＝6g/kg，h3＝30.2kJ/kg（各值均可由附图4查得）。

2.加热过程

湿空气经过加热器被定压加热时，由于其中的水蒸气质量未变，所以这一过程称为定含湿量过程，在图7-11所示的h-d图上用垂线1—2表示。因为d和湿空气的压力不变，所以湿空气中水的分压力和露点都不变。此外，在定d过程中，由于其中水蒸气的质量的分压力不变，外界加给湿空气的热量全部用来增加其显热（表现为湿空气的温度升高）。因此，定d过程又是定潜热过程。

（1＋0.001d）kg湿空气在定d加热过程1—2中吸收热量为

图7-10 例7-2用图

图7-11 湿空气的加热过程

例7-3 如图7-12所示，将t1＝12.6℃，＝63％的湿空气定d加热到t2＝40℃，求（1＋0.001d）kg湿空气吸收的热量。

解在h-d图上由t1，可以确定点1，再由点1作一直线与d垂直且与t2相交得点2，于是（1＋0.001d）kg湿空气吸收的热量为

3.冷却过程

如图7-13所示，若冷却器温度为t2，高于该湿空气的露点温度td（＝t2），则该冷却过程为定含湿量过程，见图中1—2的过程线。

若冷却的温度为t3，低于湿空气的露点温度td（＝t2′），则该冷却过程按122′3进行，湿空气中有一部分水蒸气凝结成水而泄走，致使湿空气中的d减小，这种冷却过程就不是定d过程，而是一种焓、湿均减的过程。

图7-12 例7-3用图

图7-13 空气的冷却过程

在冷却器中实际测出的出口状态参数并不是点3，而是1—3直线上的某一点4。这是因为，湿空气流经冷却器时只有一部分贴近壁面流动而被冷却到点3的状态，其余部分则不断地与点3状态的湿空气混合。所以点4必然在1—3直线上。冷却器的管距越小，管中纵向排数越多，趋于点3的湿空气量就越多，冷却器出口处的湿空气状态参数4就越接近点3。

4.加湿过程

空气调节装置中的加湿过程可分为喷水和喷蒸汽两种。

（1）喷水加湿过程

湿空气在空气调节装置中被喷水加湿时，喷入的水被蒸发为水蒸气使湿空气的含湿量增加。若未加湿前湿空气的状态为h1，d1，加湿后状态变为h2，d2，则以1kg干空气为基准，加入水的质量为

随加入的水带进湿空气的焓为(www.xing528.com)

由于水的比焓h W在低压下较之比汽化潜热小很多，以及0.001（d2－d1）也很小，所以

即

因此，工程上可近似地把喷水加湿过程按定焓过程处理，如图7-14中的过程1—2所示。

（2）喷蒸汽加湿过程

对湿空气喷蒸汽加湿时，喷蒸汽直接进入湿空气增加其含湿量。若未加湿前湿空气的状态为h1，d1，加湿后状态变为h2，d2，则以1kg干空气为基准，加入蒸汽的质量为

随加入蒸汽带进湿空气的焓为

低压下蒸汽的比焓（参见本章第二节）可写为

式中，tin为喷入蒸汽的温度。若喷入蒸汽温度tin等于原湿空气的干球温度t，即tin＝t，则喷蒸汽加湿过程为定温过程。若tin≠t，因在空调范围内，tin不太高，因而1.86tin与2501.0相比始终很小，所以喷入蒸汽的温度对原湿空气的温度影响很小。因此，工程上可近似地把喷蒸汽加湿过程按定温过程处理，如图7-14中的过程1—3所示。

图7-14 h-d图中的加湿过程

复习思考题

1.何谓理想气体混合物的分体积？

2.理想混合气体的分数有哪几种？

3.试写出理想混合气体的气体常数R及比定热容cp的表达式。

4.湿空气与由多种非凝结气体组成的混合气体有何相同与不同之处？

5.用什么方法可使未饱和空气变为饱和空气？如果把20℃时的饱和空气在定压下加热到30℃，它是否还是饱和空气？

6.未饱和湿空气经绝热饱和过程达到饱和状态，问其中水蒸气的熵值如何变化？为什么？

7.露点意义何在？两种湿空气相对湿度一样，温度高与温度低的哪个含湿量大？为什么？

8.零下10℃的空气中为什么还含有水蒸气？这些水蒸气为何不结成冰呢？

9.什么情况下能达到定含湿量的冷却过程？定含湿量的加热过程有没有限制条件？

10.喷蒸汽加湿过程与喷水加湿过程有何不同？

习题

1.已知空气的体积分数为：

试计算其平均分子量、气体常数和各组成气体的分压力（设总压力为1atm）。

2.氮和氩的理想气体混合物以50kg/min的流量流经一加热器，混合气体流入加热器时的状态为40℃，0.1013MPa，流出时为260℃，0.1013MPa。如果混合气体中氮的体积为40％，问加入热量为多少？

3.燃烧1kg重油产生的燃气为20kg，其中CO2为3.16kg；O2为1.15kg；水蒸气H2O为1.24kg；其余为N2（燃气中的水蒸气可看作理想气体）。试确定：

（1）燃气的质量分数、摩尔分数；（2）燃气的折合分子质量、折合气体常数；（3）燃烧1kg重油所产生的燃气在标准状态时的体积；（4）在1atm，200℃时，燃气的分压力；（5）在1atm，200℃时，燃气的焓和热力学能（令0℃时热力学能和焓均为零）。

4.湿空气的温度为60℃，相对湿度＝50％，试求水蒸气的分压力。

5.某船空气调节装置的回风与新风风量之比ma，2/ma，1＝3.5；夏季，新风状态t1＝38℃，＝40％，室内回风t2＝26℃，＝60％，求混合后空气的状态参数。

6.一股气流其压力为p1＝0.101325MPa，温度t1＝20℃，相对湿度＝30％，流量qv＝15m3/min；另一股空气流其压力p2＝0.101325MPa，温度t2＝35℃，相对湿度＝80％，流量为q V＝20m3/min。两股空气流在绝热条件下进行混合，求混合气体的：（1）相对湿度；（2）含湿量；（3）比体积。

7.干球温度t＝32℃、相对湿度＝37％的湿空气，稳定地流过淋水室经绝热加湿成空气和湿空气，若大气压等于0.1MPa，求淋水室入口处空气的相对湿度。

8.设干湿球温度计的读数为：干球温度t＝30℃，湿球温度t W＝25℃，大气压力pb＝0.1013MPa，试用h-d图确定湿空气的各参数（h，d，，td）。

9.湿空气的温度t＝25℃，压力1atm，相对湿度＝50％。求：（1）水蒸气分压力；（2）露点；（3）干空气和水蒸气的密度；（4）含湿量；（5）已知干空气的气体常数R＝0.287kJ/（kg·K），如果将其冷却至t2＝10℃，求每千克空气析出的水分。

10.已知房间内墙表面温度为16℃，如果室内空气的温度为22℃，试问防止墙表面发生凝结水珠现象，室内空气相对湿度最大不应超过多少？

11.体积V＝60m3的容器内装着温度为50℃的饱和空气，容器内的真空度为0.03 MPa。经过一段时间后，由外界漏入1kg干空气，这时容器中有0.1kg的水蒸气凝结成水（水的体积可忽略不计）。设大气压力为0.1MPa，求终态时容器内工质的压力和温度。

12.夏季，外界湿空气状态t1＝35℃、＝0.6，经风机压缩后，温度升高了3℃，求风机出口状态点2。然后湿空气进入冷却器中冷却，在冷却器出口测得空气温度t3＝12℃，并测得冷却器管壁t＝5℃，试确定状态点3。空气在风管中流动摩擦生热，温度升高了2℃，变为状态点4，试根据上述条件在h-d图上绘出各过程线，并说明若要求房间温度为28℃，按热湿比ε＝8000过程变化，值应为多少。