空气和水的热湿交换原理

空气与喷水室喷出的水滴直接接触时，由于水分子作不规则运动的结果，在贴近水滴表面形成了一层温度等于水表面温度的饱和空气边界层，边界层内水蒸气分子的浓度或水蒸气分压力取决于边界层的饱和温度。空气与水滴之间的热湿交换实质就是空气与饱和边界层中空气的热湿交换。

发生在水滴周围空气与水滴表面饱和边界层空气之间的显热交换量dQx为：

式中：α——空气与水滴表面饱和边界层之间的显热交换系数，W/（m2·K）；

t——周围空气的温度，℃；

tb——水滴表面饱和边界层的空气温度，℃；

dF——水滴的表面积，m2。

如果水滴表面饱和边界层温度高于周围空气温度，则由边界层向周围空气传热。反之，则由周围空气向边界层传热。这种空气与水之间的因温度差而发生的热量交换称为显热交换。

图6－18　空气与水滴的热湿交换

如果边界层内水蒸气分子浓度大于周围空气中的水蒸气分子浓度（即边界层的水蒸气分压力大于周围空气的水蒸气分压力），则水蒸气分子从边界层跑入周围空气的量就比较多，相当于水分向周围空气蒸发，空气就被加湿了。反之，水蒸气分子从周围空气跑入边界层比较多时，水分便从周围空气中凝结出来，空气就被干燥了。通常遇到的“蒸发”与“凝结”现象，就是这种作用的结果。在蒸发过程中，边界层中减少了的水蒸气分子又由水滴中的水分子补充；在凝结过程中，边界层中过多的水蒸气分子将回到水滴中去。由此可见，边界层与空气之间的水蒸气分子浓度差（或者说水蒸气分压力差）是发生湿交换（潜热交换）的推动力。

空气与水滴之间的湿交换量dW为：

式中：β——空气与水滴表面之间按水蒸汽分压力差计算的湿交换系数，kg/（N·s）；

pq——周围空气的水蒸气分压力，N/m2；

pqb——饱和边界层的饱和水蒸气分压力，N/m2。

由于空气中水蒸气分压力差在比较小的范围内可以用具有不同湿交换系数的含湿量差代替，所以也可以把空气与水滴的湿交换量dW表示为：

式中：σ——空气与水滴表面之间按含湿量差计算的湿交换系数，kg/（m2·s）；(www.xing528.com)

d——周围空气的含湿量，kg/kg；

db——饱和边界层的饱和空气含湿量，kg/kg。

因此与湿交换同时发生的潜热交换量dQq为：

式中：r——为饱和边界层温度下水的汽化潜热，J/kg。

水滴与周围空气之间的热量交换是显热交换和潜热交换的总和，所以总热交换量dQz：

根据热湿交换理论，通常空气中的热湿交换都符合或近似符合刘伊斯关系，即

式中：cp——为湿空气的定压比热，J/（kg·K）。

把式（6－38）代入式（6－37）中，得到：

即

dQz＝σ［（cpt＋rd）－（cptb＋rdb）］dF

因为空气的焓h≈cpt＋rd，所以上式可写成：

式中：h——周围空气的焓，J/kg；

hb——饱和边界层饱和空气的焓，J/kg。

由此可见，在热湿交换同时进行时，推动总热交换的动力是空气的焓差。因此，总热交换量与湿空气的焓差有关或者说与周围空气和饱和边界层空气的湿球温度差有关。