暖通空調工程最終目的就是實現對空氣狀態的調節,所以對于暖通人來說,空氣是我們需要研究的重中之重。
空氣是圍繞在地球上的無色無味無嗅的混合氣體,人們通常會將環繞在地球的空氣層稱之為大氣。但是由于地球表面更多的是海洋、江河與湖泊,所以會存在大量的水分蒸發成水蒸氣進入大氣中,從而形成空氣與水蒸氣的混合氣體。
所以我們就可以將大氣理解成為干空氣與水蒸氣的混合體,在暖通空調工程中將這種氣體稱之為濕空氣,也就是我們呼吸的空氣。
在小學自然科目中我們就學過,空氣主要由水蒸氣、氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳、氖氣、氦氣等微量氣體組成,這些組成成分除了水蒸氣不穩定因素對人類生產生活影響比較大以外,其他氣體都相對比較穩定,除了溫度變化造成影響,其他幾乎可以忽略不計。
空氣的干燥潮濕程度對產品質量與人體感受都有直接影響,水蒸氣含量的變化會使濕空氣的物理性質發生改變。所以為了控制空氣中的水蒸氣含量對生產、生活的影響,研究濕空氣狀態參數就變的尤為重要。
1、大氣壓力Pa 想要了解濕空氣的狀態參數,就必須要知道一個概念:大氣壓力Pa。地球表面單位面積上所受的空氣層的壓力叫作大氣壓力,通常用Pa表示。
我們知道大氣壓力并不是一個定值,隨著海拔、溫度的變化,會略有不同 ,通常人們以北緯45°處的海平面全年平均大氣壓作為一個標準大氣壓,其數值為101325Pa。
所以在暖通空調設計計算中一定要選取項目所在地大氣壓作為重要參考依舊,因為不同大氣壓下的空氣狀態焓濕圖是存在較大差異的,這一點以后我們在具體講述。
2、水蒸氣分壓力p 濕空氣中水蒸氣分壓力是指在某種溫度下,水蒸氣獨占濕空氣的體積時所產生的壓力。
在微觀學中,氣體的壓力是氣體分子對器壁撞擊程度的體現,隨著溫度的升高,分子撞擊器壁的機會越多,氣體壓力也就越高。引申到水蒸氣分壓力p中來也是同樣的道理。
水蒸氣分壓力的大小反映了空氣中水蒸氣含量的多少,水蒸氣含量越多,其分壓力也越大,反之也是同樣的道理。
在這種情況下,科學家們引入了未飽和空氣和飽和空氣的概念。
所謂未飽和空氣就是指濕空氣中水蒸氣分壓力和水蒸氣含量都還沒有達到最大值,還具有吸附水蒸氣的能力;飽和空氣是指濕空氣中水蒸氣分壓力達到了最大值,已經不在具有吸附水蒸氣的能力。
當超過某一界限之后,濕空氣中多余的水蒸氣就會以水珠的形式析出,這也就是空調冷凝水形成重要原理。
溫度越高,水蒸氣分壓力越大,吸附水蒸氣的能力越強;相反溫度越低,水蒸氣分壓力越低,原來濕空氣中的水蒸氣就會析出,這就是工藝性空調機組冷卻除濕的依據原理。
3、密度ρ 密度的概念大家都知道,單位體積的物質質量統稱為密度ρ。
前面講到濕空氣是由干空氣與水蒸氣混合而成,并且他們混合后相對均勻分布。所以濕空氣密度等于干空氣密度ρg和水蒸氣密度ρq之和,單位同樣應該為kg/m³。
在標準大氣壓下,干空氣密度為1.205kg/m³,而水蒸氣的相對分子質量遠小于干空氣的相對分子質量,所以濕空氣密度ρ≈ρg,在實際工程中濕空氣密度ρ取值為1.2kg/m³。
4、含濕量d 含濕量作為濕空氣中一個重要的狀態參數,它指對應1kg干空氣的濕空氣中所含的水蒸氣量,單位為kg/kg干空氣。
但是由于濕空氣中水蒸氣量占比較小,所以工程中多選用g/kg干空氣作為含濕量的單位。
水蒸氣分壓力越大,含濕量也越大,它們兩者是一個相輔相成的關系。
在空調工程中,常常選用含濕量做為空氣被加濕或者減濕的程度,所以在工藝性空調中,尤其是凈化空調系統中含濕量是一個非常重要的計算參數,它是計算系統冬季加濕量的重要參考依據。
5、相對濕度φ 由于含濕量只能反應濕空氣中含有水蒸氣的絕對含量,并不能反應空氣的吸濕能力,因此科學家們又引入了濕空氣中水蒸氣相對含量的參數指標:相對濕度φ。
它指空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣分壓力比值。相對濕度反映了在某一溫度下,濕空氣中水蒸氣接近飽和狀態的程度。
相對濕度越小,說明空氣距離飽和狀態越遠,吸水能力越強,空氣越干燥;相反相對濕度越大,說明空氣距離飽和狀態越近,吸水能力越弱,空氣越潮濕。
相對濕度φ與含濕量d都是反應空氣中水蒸氣含量的重要參數。前者反應同溫度下濕空氣接近飽和狀態的程度,后者反應濕空氣中水蒸氣的具體含量。二者看似相同,實則具有本質區別,要注意重點區分。
6、濕空氣的比焓h 空氣調節過程中,常常需要確定空氣狀態變化過程中發生的熱量交換。在熱力學中,我們通常認為空氣狀態的變化近似為等壓過程,可以直接用焓差來表示熱交換量。
濕空氣的比焓h是以1kg干空氣為計算基礎。
1kg干空氣的比焓與dkg水蒸氣的比焓之和,稱為(1+d)kg濕空氣的比焓。科學家們通過推理得出濕空氣的比焓公式為:
h=(1.01+1.84d)t+2500d
(1.01+1.84d)t是與溫度有關的熱量,在工程中我們稱之為“顯熱”;2500d是0℃是dkg水的汽化熱,它隨著含濕量的變化而變化,與溫度有關,工程中將這部分稱之為“潛熱”。