工程热力学第三版电子教案第8章.docx

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工程热力学第三版电子教案第8章

第8章湿空气

8．1本章基本要求

理解绝对湿度、相对湿度、含湿量、饱和度、湿空气密度、干球温度、湿球温度、露点温度和角系数等概念的定义式及物理意义。

熟练使用湿空气的焓湿图。

掌握湿空气的基本热力过程的计算和分析。

8．2本章难点

湿空气是一种理想混合气体，遵循理想混合气体的性质，但它与一般理想混合气体又有重要区别，由于湿空气中的水蒸汽分压力达到饱和压力时将引起部分水蒸汽的冷凝，湿空气中的水蒸汽的含量将随之改变，因此要注意湿空气的特殊性质：

（1）结露和露点：

湿空气在定压下降温到与水蒸汽分压力相对应的饱和温度时，所出现的冷凝现象称为结露，其温度为露点，即水蒸汽分压力相对应的饱和温度为露点温度。

（2）饱和湿空气和未饱和湿空气：

依据其湿空气中水蒸汽是否达到饱和状态，可划分这两类湿空气。

（3）湿空气的干球温度和湿球温度：

湿空气的温度称为干球温度，用湿纱布包住水银温度计的水银柱球部时，紧贴湿球表面的饱和湿空气温度称为湿球温度。

通常湿球温度低于干球温度，高于露点温度。

8．3例题

例1：

如果室外空气的参数为p=1.0133bar，t=30℃,

=0.90，现欲经空气调节设备供给

=20℃，

=0.60的湿空气，试用h-d图分析该空气调节过程，并计算析出的水分及各过程中的热量。

解：

利用h-d图分析计算该题所给条件下的空调过程，如图8.1，根据所给条件t=30℃,

=0.90，

在h-d图上确定初态1,并查得

=62.2kJ/k（a），

=15.7g/kg（a）

同样,由

=20℃，

=0.60在图上确定终态2,并查得

=34.1kJ/k（a），

=15.7g/kg（a），由定

线与

=1线的交点4,

查得

=26.4kJ/kg（a）,

=

空调过程的分析：

定湿冷却过程：

湿空气的冷却过程，因其组成成分不变，即含湿量不变,但相对湿度增加,温度下降,直降到露点。

所以,是定湿降温过程。

例如,在h-d图上自初态1沿

=15.7g/kg（a）的定湿线进行到与

=1线的交点3。

此时已成饱和空气,再继续冷却，过程自状态3沿饱和线（临界线）进行,直至与终态含湿量相等的状态4,在这个冷却去湿阶段中,将有水蒸气凝结成水析出,并放出热量。

1-4过程的放热量，可用焓差表示,即

q=

=26.4-62.2=-35.8kJ/kg（a）

式中负号表示冷却时湿空气放出热量。

冷却去湿过程：

每公斤干空气所析出的水分等于湿空气含湿量的减少量,即

=7.1-15.7=-8.6g/kg（a）

式中负号表示湿空气析出水分。

加热过程：

为了达到工程所要求的湿度，常采用降温去湿,但往往使温度过低（如4点

，为了保证空调后的气体温度（本题要求20℃），去湿后，常常需要加热升温。

如在图8.1中就是自状态4沿定

线进行到终点2,温度升高，含湿量不变，相对湿度下降，这是定湿加热过程。

加热过程的吸热量也可以用焓差表示,即

=34.1-26.4=7.7kJ/kg（a）

图8.1

例2：

已知干湿球湿度计的读数为：

干球温度t1=28℃，湿球温度t2=19℃，当时的大气压力为p1=1bar，用查湿空气图求出的含湿量、露点、相对湿度和焓值。

解：

查湿空气的h-d图，当干球温度t1=28℃、湿球温度t2=19℃时，湿空气的含湿量为d1=0.0105kg/（kg/kg（a）），露点td=14.6℃，相对温度ϕ=44%，湿空气的焓h=55（kg/kg（a））。

如与计算值相比，由图上查得的数值误差不大，可以看出湿空气图应用起来简单方便，很有实用价值。

图8.2

图8.2

例3：

夏天，大气压力p=1.0133bar，室外空气t1=34℃，ϕ1=80%。

空调装置向室内供应t3=20℃，ϕ3=50%的调节空气，空气供应量mA=50kg/min。

如果空调过程如图8.2所示，先将空气冷却去湿，然后再加热至要求的状态。

试计算：

（1）每分钟空气需要除去的水分；

（2）每分钟冷却介质应带走的热量；

（3）加热器加入的热量。

解：

按给定参数和过程在h—d图上查出状态点1、2、3的有关参数，根据t1、ϕ1查得

d1=0.0274kg/（kg干空气）

h1=105kJ/（kg干空气）

根据t3、ϕ3查得

d3=0.0073kg/（kg干空气）

h3=38kJ/（kg干空气）

冷却去湿过程达到的状态为d2=d3=0.0073kg/（kg干空气）的饱和空气状态，照此查得

h2=105kg/（kg干空气）

t2=9℃

（1）空气中需要除去的水分为

（2）冷却介质带走的热量为

其中凝结水的焓为

故有

（3）加热器加入的热量为

例4：

空气的温度t=12℃，压力p=760mmHg，相对湿度ϕ=25%，在进入空调房间前，要求处理到d2=5g/kg干空气，进入空气处理室的空气流量为120m3/min。

假定空气处理室所用的喷雾水的水温为tw=12℃。

若是分别按下列三种过程进行（图8.3）：

（1）等干球温度处理；

（2）等相对湿度处理；

（3）绝热加湿处理。

求进入房间的空气相对湿度、温度、处理每公斤干空气由加热器传热的热量。

解：

（1）等干球温度处理过程

向空气中喷入水，使湿空气的含湿量增加，但由于水在蒸发时要吸热，所以空气的干球温度必然要下降（因为将空气的显热变成了汽化潜热）。

因此要维持空气干球温度不变，在喷雾和加湿的同时，还必须用加热盘管向空气供给足够的热量，以维持处理前后空气的干球温度不变。

若喷入空气中的水全部被空气吸收，则根据稳定流动能量方程，由盘管供给空气的热量应为：

由质量平衡

根据t1=12℃，ϕ1=25%，从h－d图上查得空气的初参数分别为：

d1=2.1g/kg干空气，h1=18.5kJ/kg干空气，

v1=0.82m3/kg

空气处理室出口的参数为：

d2=5g/kg干空气，tdrv2=12℃，ϕ2=57%，

h2=18.5kJ/kg干空气

流入的空气流量为120m3/min，比容v1=0.82m3/kg。

∴

从质量平衡的关系式求得：

∴加热盘管的供热量为：

（2）等相对湿度处理过程

由于要求出口含湿量d2=5g/kg干空气，所以根据ϕ1=ϕ2=25%及d2=5g/kg干空气，由h-d图上查得其它各参数分别为：

=25.5℃，h2=38.1kJ/kg干空气

入口空气量仍为120m3/min

∴ma=146.03kg/min，mw=0.423kg/min，

h2=50.4kJ/kg

加热盘管的加热量为：

（3）绝热加湿过程

绝热加湿过程传给空气的热量为零，所以空气的焓保持不变，即h1=h2。

由于要求d2=5g/kg/kg（a）从h-d图上查得其余各参数为：

=5℃，ϕ2=93%

过程中加热量：

Q=0

图8.4三种处理过程在H-d上的表示

现将三种处理过程画在h-d图上如图8.4所示。

8．4思考及练习题

1．有人说，相对温度表示湿空气吸收水蒸气的能力，所以相对湿度相同时在不同温度下湿空气的能力是相同的，这种说法是否正确？

说明理由。

2．湿空气的露点能否等于湿球温度？

能否大于湿球温度？

3．湿空气和湿蒸气有什么不同？

饱和湿空气和饱和蒸气有什么不同？

4．为什么说未饱和空气中的水蒸气处于过热状态？

5．在高温下湿空气中水蒸气分压力pw大于大气压力时，相对湿度计算公式ϕ=pw/ps是否还适用？

6．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？

7．为什么说热力学湿球温度是湿空气的状态参数，而湿球温度计测得的温度值不是湿空气的状态参数？

8．冬天刮风阴天，气温为零上2℃，相对湿度为50%，在室外晾晒的湿衣服会出现什么现象？

为什么？

9．在冷水塔中能把热水冷却到比大气温度还低，是否违反热力学第二定律？

10．有一冷却水塔，冷却水量为w=227t/h，进口水温为t1=38℃，被冷却至t2=21℃。

进入冷却塔的空气温度为ta1=21℃，相对湿度ϕ1=50%；排出的空气ta2=32℃，相对湿度ϕ2=100%（图8.4）。

求：

（1）空气的小时流量；

（2）水的小时蒸发量。

11．下列说法对吗？

为什么？

（1）ϕ=0时，空气中完全没有水蒸气，由此类比，ϕ=100%时，湿空气中完全都是水蒸气。

（2）空气的相对湿度愈大，含湿量愈高。

（3）空气的相对湿度不变，温度愈高，则空气愈干燥；反之，则愈潮湿。

12．如果等量的干空气和湿空气，降低的温度相同，二者放出的热量相等吗？

为什么？

13．将温度为

=38℃，相对温度

=40%的湿空气进行冷却成

=10℃的饱和空气，若进入减湿器的湿空气流量为45.4kg/h,求：

（a）析出的凝结水。

（b）传热量。

大气压力B=1bar,可应用h-d图

14．如果相对湿度ϕ=0.30、温度t=8℃的空气，在空调设备中加热至30℃；然后喷雾蒸发，冷却至26℃。

试求：

（1）加热量[kJ/kg（a）]；

（2）最后的相对湿度。

大气压力为1.0133bar。

15．为了保证室内温度为20℃、相对湿度为0.70，需要通过空调设备，使室内外终年交换气体。

若夏季室外气温为28℃、ϕ为0.85；冬季气温为0℃、ϕ为0.55。

试分析计算冬夏两季空调过程中，

（1）放热量和加热量；

（2）析出或加入的水分。

16．有一空调房间，工艺要求的空气状态参数：

t=20℃，ϕ=60%，房间每小时产生的余热Q=18840kJ/h，产生的余湿为D=1.5kg/h，允许的送风温差为Δt=5℃。

试在H-d图上确定送风的状态参数（t、ϕ、d、h）。

17．欲使一股温度t1=38℃，相对湿度ϕ=80%。

流量为28.3m3/min的气流与另一股温度t2=13℃的冷气流相混合而获得相对湿度ϕ=100%、t=20℃的混合气流，求冷气流的相对湿度ϕ2和流量。

18．有一房间地板面积为325m2，地板到天花板的高度为2.4m，房间空气温度t=24℃，相对度ϕ=50%。

如空气压力为1bar，问房间内有多少公斤的水蒸汽？

19．欲将干球温度

=36℃，相对湿度ϕ1=60%的室外空气处理到

=21℃和相对湿度ϕ2=50%的状态。

如空气的压力为1bar，其处理过程是将室外空气先在喷雾室内冷却干燥到所要求的露点状态，然后再进行加热。

若喷雾水由tw1=3℃升高至tw2=9℃；处理的空气量为17m3/min。

试求：

（1）喷雾室出口的空气温度；

（2）从空气中析出的水量；

（3）喷水量。

20．在冬季为了增加送入房间空气的相对湿度，往往采用对空气喷饱和蒸汽的办法。

现有一流量为1018.8m3/h的气流，在大气压为1bar下，其干球湿度

=27℃，相对湿度ϕ1=40%。

若向气流中每小时喷入t1=100℃的饱和蒸汽27kg，试求：

喷入蒸汽后，混合气流的含湿量d2和它的干球温度

。

21．将压力p1=1bar，干球温度

=36℃，湿球温度

=36℃的湿空气1700m3，经压缩和冷却至t2=36℃，p2=6.3bar。

问：

（1）此时有多少凝结水产生？

（2）若先将所产生的凝结水从缸中排出，然后再让压缩空气膨胀至大气压力（1bar）和大气温度（36℃），膨胀后空气的相对湿度是多少？

22．将

=36℃、ϕ=70%的湿空气，与干球温度

=28℃，湿球温度

=26℃的湿空气以1:

2的质量比例相混合，若当地大气压B=1bar。

（1）求混合气体的温度和含湿量；

（2）若将此混合气体再经盘管加热至

=25℃，求对每公斤干空气所加入的热量。

23．

=20℃，相对湿度ϕ=45%的再循环湿空气与干球温度

=35℃和湿球温度

=28℃的室外新鲜空气相混合。

如果循环空气和新鲜空气的容积比为3:

1，大气压力B=1bar，求混合湿空气的干球湿度和湿球温度。

24．一个房间墙的内表面温度为t=16℃，室内空气的干球温度

=21℃，为了避免墙内表面结露，室内允许的空气最大相对湿度应该是多少？

25．进入干燥器的空气压力p=1.013bar，温度t1=49℃，相对湿度ϕ1=10%；离开干燥器时相对湿度ϕ2=90%；空气的流量为2270kg/h。

求：

（1）空气所带走的水分；

（2）出干燥器时空气的温度。

（空气与干燥器为一系统，与外界绝热）。

26．空气的干球温度

=55℃，露点温度

=27℃，压力p=2bar，在稳定流动条件下进入干燥器，其流量为5000kg/h。

离开干燥器时总压力不变，而干球温度

=40℃。

求每小时空气所带走的湿量。

27．压气机将室外的洁净空气（

=0.lMPa,

=20℃，相对湿度

=60%）充入高压氧舱，最终舱内空气压力

=0.3Mpa,试确定氧舱内空气的状态参数（

）?

8．5自测题

一、是非题

1．水在大气中喷淋冷却，能使其温度低于大气温度（）

2．确定未饱和空气的状态，需三个独立的状态参数（）

3．己知湿空气的温度t、相对湿度

及水蒸汽分压力，就可以确定其热力状态（）。

4．相对湿度相同的湿空气，具有相同的吸收水蒸汽的能力（）

5．阴雨天中,由于空气中增加了水蒸汽量，所以大气压力增大了。

（）

6．饱和湿空气中的水蒸汽一定是干饱和蒸汽（）。

7．未饱和湿空气达到饱和时的温度就是露点。

（）

8．湿空气的相对湿度越大,其水蒸汽分压力越大。

（）

9．温球温度是自然环境下可能达到的最低温度。

（）

10．湿空气的相对湿度愈大，其含湿量愈大。

（）

二、选择题

1．饱和空气具有下列关系_________

（A）

（B）

（C）

（D）

2．当湿空气与干空气具有相同的压力和温度时，则_______

（A）湿空气的密度<干空气的密度

（B）湿空气的密度>干空气的密度:

（C）湿空气的密度=干空气的密度

（D）两者大小不能确定

3．湿空气的露点是________不变达到饱和时温度

（A）比容（B）焓（C）温度（D）水蒸汽分压力

4．湿空气在大气压力及温度不变的情况下，当绝对湿度越大，则含湿量_______

（A）越大（B）越小（C）不变〈D〉不能确定。

5．定湿球温度线_______

（A）严格地说是一条等焓线（B）是一条角系数小于等焓线的直线

（C）是一条角系数大于等焓线的直线（D）是一条近于水平的直线。

6．未饱和空气具有下列关系_______。

（A）

（B）

（C）

（D）

7．湿空气处在一定的温度及压力下，湿空气的密度越大，则湿空气的含湿量_______。

（A）越大（B）越小（C）不变（D）大小不能确定

8．确定湿空气状态的一组参数是_______

（A）干球温度和含湿量（B）干球温度、含湿量及水蒸汽分压力

（C）干球温度和相对湿度（D）干球温度、相对湿度及大气压力。

三、填空

1．混合气体质量成分与容积成分的换算关系为_________，式中各量分别表示___________。

2．湿空气焓的计算式为_________，单位是________。

3．总压力一定时,具有相同含湿量的两种未饱和空气,温度高则相对湿度_______,温度低则相对湿度_______。

4．总压力一定时,具有相同含湿量的两种未饱和空气,温度高的绝对湿度_______，温度低的绝对湿度_______。

5．湿空气的角系数的定义式是_______，其变化范围从_______到_______。

6．空气绝热加湿过程通常采用____________，定温加湿过程采用___________。

7．己知湿空气的压力B，含湿量d及露点

，则_________确定湿空气的状态。

8．新风和回风的混合点在_________线上。

混合质量比

与混合点分割该线段成_______比。

9．空气绝热加湿过程通常采用_______。

定温加湿过程采用_________。

四、名词解释

1．角系数

2．绝对湿度

3．湿空气的焓

4．相对湿度

5．含湿量

五、计算题

1．绝热刚性容器，用绝热隔板将其分为相等的两部分,容积均为1

容器一边有l0bar,300℃的N

，另一边有2bar,600℃的CO

抽出隔板后,两部分气体达到均匀混合,求混合气体的压力,温度及混合过程熵增量。

（设C

=1.12kJ/kg-K，C

=1.15kJ/kg-K）。

2．2

，30℃,1bar的湿空气中含有40克的水蒸汽。

求

（1）湿空气的相对湿度

（2）湿空气的密度。

已知30℃饱和水蒸汽性质:

=0.04242bar,

=125.66kJ/kg,

=2555.9kJ/kg,v'=0.001

/kg,v'’=32.93

/kg。

不用h-d图求解。

3．

=18℃,

=30%，容积流量为14

/min的湿空气与

=38℃,

=50%，容积流量为8

/min湿空气绝热流动混合。

混合前后的压力均为1bar，求混合后湿空气的焓、含湿量、相对湿度及温度。

不用h-d图，用h-s图