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南京御风环境技术有限公司

干球温度、露点温度和湿球温度

1. 干球温度、露点温度和湿球温度

drybulb temperature, dew temperature, and wet-bulbtemperature

摘要:未饱和湿空气中水蒸汽处于过热状态;而在饱和空气中的水蒸汽处于饱和蒸汽状态——平衡状态。未饱和空气达到饱和可以经历不同的途径:在温度不变的情况下,水分向空气中蒸发,增加蒸汽分压力,而蒸汽分压力达到该温度相应的饱和压力时,即可达到饱和空气状态;在保持湿空气中蒸汽分压力不变的情况下,降低湿空气温度,当温度降到与相应的水蒸汽的饱和温度时,空气也达到饱和状态。此时湿空气的温度称为露点温度,用符号表示。

1.1. 露点(或霜点)温度

露点(或霜点)温度:dewtemperature。露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时的温度。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值,可为什么用它来表示湿度呢?这是因为,当空气中水汽已达到饱和时,气温与露点温度相同;当水汽未达到饱和时,气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。

1.1.1. 解释一

在一定的空气压力下,逐渐降低空气的温度,当空气中所含水蒸气达到饱和状态,开始凝结形成水滴时的温度叫做该空气在空气压力下的露点温度。即当温度降至露点温度以下,湿空气中便有水滴析出。降温法清除湿空气中的水分,就是利用此原理。

1.1.2. 解释二

在日常生活中我们可以看到,到夜间空气温度降低时,空气中的水分会有一部分析出,形成露水或霜。这说明在水蒸气含量不变的情况下,由于温度的降低,能够使空气中原来未达饱和的水蒸气可变成饱和蒸气,多余的水分就会析出。使水蒸气达到饱和时的温度就叫作“露点”。测得露点温度,就可以从水蒸气的饱和含量表中查得其水蒸气含量。由于温度降低过程中水蒸气含量并没有改变,因此,测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。如果露点越低,表示空气中的水分含量越少。露点可用专用的露点仪测定。例如,空气经干燥器后的露点为-50,与-50对应的饱和水分含量为38.89mg/m³,说明空气中尚含有这些水分。如果露点为-60,则饱和水分含量为10.68mg/m³。露点越低,说明干燥程度越高。

1.1.3. 解释三

它是指气体中的水份从未饱和水蒸气变成饱和水蒸气的温度,当未饱和水蒸气变成饱和水蒸气时,有极细的露珠出现,出现露珠时的温度叫做“露点”,它表示气体中的含水量,露点越低,表示气体中的含水量越少,气体越干燥。露点和压力有关,因此又有大气压露点(常压露点)和压力下露点之分。大气压露点是指在大气压力下水份的凝结温度,而压力下露点是指该压力下的水份凝结温度,两者有换算关系(可查换算表),如压力0.7MPa时压力露点为5,则相应的大气压(0.101MPa)露点则为-20。在气体行业中,若无特殊说明,所指的露点均为大气压露点。

1.2. 干球温度(dry bulb temperature)

暴露于空气中而又不受太阳直接照射的干球温度表上所读取的数值。

干球温度计温度是温度计空气测量的温度自由地被暴露在空气,但是被保护从辐射和湿气。干球温度计温度是通常被重视当气温的温度,并且它是真实的热力学温度。它是一个规则温度计测量的温度被暴露在气流。不同于湿球温度,干球温度计温度在天空中不表明相当数量湿气。在建筑,当设计某一气候的时,一个大厦它是重要考虑。 Nall称它其中一“人的舒适和大厦节能的最重要的气候可变物。”

干球温度是接触球体表面空气的实际温度,湿球温度是球体表面附着有水时,水份蒸发带走热量后球体的温度,水的蒸发量跟空气的湿度有关,空气湿度越大蒸发量越小,带走的热量越少,干湿球温度差异越小;空气湿度越小水蒸发量越大,带走的热量也越大,干湿球温差也就越大,所以可以通过干湿球温差的变化规律来反映当前空气湿度状况。

1.3. 湿球温度——wet-bulb temperature

湿球温度——wet-bulb temperature,也称热力学湿球温度。湿球温度是标定空气相对湿度的一种手段。

湿球温度难以用简短的文字给出严谨确切的定义。湿球温度是标定空气相对湿度的一种手段,其涵义是,某一状态下的空气,同湿球温度表的湿润温包接触,发生绝热热湿交换,使其达到饱和状态时的温度。该温度是用温包上裹着湿纱布的温度表,在流速大于2.5m/s且不受直接辐射的空气中,所测得的纱布表面温度,以此作为空气接近饱和程度的一种度量。周围空气的饱和差愈大,湿球温度表上发生的蒸发愈强,而其湿度也就愈低。根据干、湿球温度的差值,可以确定空气的相对湿度。

1.3.1. 原理

假设有一个理想的绝热加湿器,它的器壁与外界环境是完全绝热的。加湿器内装有温度恒定的纯水。若加入加湿器的湿空气状态参数为,,,i。湿空气在绝热加湿器内,在定压条件下以纯水进行绝热加湿。假设绝热加湿器足够长,空气与水有足够的时间接触,并且有足够充分的接触面积,使空气在离开加湿器时能够达到饱和状态,器参数为s,s,。这时,出空气温度与水温相同,水分蒸发所需要的热量全部取自空气,如果在整个过程中,不断地向加湿器水池中补充压力为,温度为s的纯水,以维持加湿器内水量的不变,则世界气象组织定义s为具有参数,,,i的湿空气的热力学湿球温度,也称绝热饱和温度。

1.3.2. 公式

由于在绝热加湿过程中,水分蒸发所需要的热量全部是取自空气,空气失掉显热后,温度下降,焓值减少,而空气得到水蒸气带来的汽化液体热后,总的焓值增加,而且相对湿度增大到饱和。假定装置是在稳定的均匀的流动状态下工作的,在流量不变的情况下,由能量平衡公式得:

+-×=

移相得:

-= (d"s-)×t"s

上式说明,空气焓的增加量等于蒸发水量(即为补充水量)的液体热。式中,为水的质量比热,=4.19kJ/(kg*K)。上式是一直线方程,所以热力学湿球温度等值线是一直线。在-图中,如果已知s,可画出等温线交饱和线于b点,由b点可查出s,及s。其终状态点b即为已定;如设初状态为a点是=0的干空气,则=s-c×s×s由此值画等焓线与纵坐标轴相交,可决定a点,连接ab直线,即是热力学湿球温度线。

1.3.3. 作用

然而,绝热加湿器并非湿实用装置,所以一般都用干湿球温度计读出湿球温度,以近似代替热力学湿球温度。

代替绝热加湿器的实用装置是干湿球温度计。这种仪器是由两支温度计或由两个其他的温度敏感元件所组成。其中一支的感温包裹上脱脂棉纱布,纱布的下端浸入盛有蒸馏水的玻璃小杯中,在毛细作用下纱布经常处于润滑状态,将此温度计称为湿球温计。使用时,在热湿交换达到平衡,即稳定的情况下,所测得的温度称为湿球温度;另外未包纱布的温度计相应地称作干球温度计,它所测得的温度称为空气的干球湿度,也就是实际的空气温度。以后分别用和表示空气温度与干球温度。

湿球温度计的读数,实际上反映了湿纱布上水的温度,但是,值得注意的是,并不是任一读数都可以是湿球温度,只有在热交换达到平衡,即稳定的状态下的读数才称为湿球温度。下面用传热传湿原理来分析空气流经湿球表面时所发生的热湿交换过。

当空气的相对的湿度<100%时,纱布上的水必然产生蒸发现象,若水的温度高于空气的温度,蒸发所需的汽化热必然首先取自水分本身,因此纱布上的水温下降,湿球温度计上的读数,随后读数下降。无论原来的水温多高,经过一段时间后,水温终将降至空气干球温度以下,这时,也就出现了空气向水面的传热,此热量随着空气与水之间的温差的加大而增加,当水温降到某一数值时,空气向水面的温差传热恰好补偿水分蒸发所吸收的汽化热。此时,水温不再下降,反映在湿球温度计上的这一稳定的温度就是空气的湿球温度。如果湿球温度纱布上的最初水温低于湿球温度,则空气向水面的温差传热一方面供给水蒸汽所需要的汽化热,另一方面,供水温的升高,随着水温的升高,传热量的减少,最终仍将达到温度传热于蒸发需要的热相等,水温才稳定并等于空气湿球温度。在空气相当湿球温度不变的情况下,湿纱布上水分蒸发可以认为湿稳定的,从而蒸发所需的热量也是一定的。

当空气相对湿度较低时,湿球温度纱布上的水分蒸发快,蒸发需要的热量多,水温下降得也较多,因而干,湿球温度温差大。反之,如果空气得相对湿度高,则干,湿球温度温差小。当=100%时,湿纱布上的水分不再蒸发,干,湿球温度也就相等了。由此可见,在一定的空气的状态下,干湿球温度的差值反映了空气相对湿度的大小。

湿球温度是指同等焓值空气状态下,空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度,在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100%相对湿度线上,对应点的干球温度。

1.3.4. 测定

用湿纱布包扎普通温度计的感温部分,纱布下端浸在水中,以维持感温部位空气湿度达到饱和,在纱布周围保持一定的空气流通,使于周围空气接近达到等焓。示数达到稳定后,此时温度计显示的读数近似认为湿球温度。

把水银温度计的水银球用湿纱布包裹,纱布的一端浸在水中以保持纱布充分润湿。湿纱布中的水分不断向空气中蒸发时需要吸收热量,这热量靠由空气传到水银球来补充。因此,水银球的温度比空气的温度低,亦即比没有包有湿纱布前为低。此时测得的温度称为湿球温度。通过所测得的空气温度和湿球温度,便可以计算出空气中所含的水蒸气量。

1.4. 干湿球温度对比

通常,相对湿度可由干湿球温度计测量干、湿球温度得到。干湿球温度计含有两支普通温度计,如图1。

 

图1 干湿球温度计

 

图2干湿球温度与相对湿度关系

其中一支的温包直接和湿空气接触,其测得温度称为干球温度;另一支的温包则用保持浸润的湿纱布包着,测得温度称湿球温度。如果来流空气是未饱和的,那么湿纱布表面的水分会不断蒸发,由于水蒸发时吸收热量,从而使贴近纱布的一层空气温度降低。随着与主流空气建立的温差,主气流向纱布传热。当温度降低到一定程度时,传入纱布的热量正好等于水蒸发所需的热量,这时温度维持不变,此时的温度就是湿球温度。空气的相对湿度愈小,湿球温度比干球温度就低得愈多。如果空气是饱和的,则由于空气不能接纳更多的蒸汽,故纱布上水不会蒸发,这时湿球温度和干球温度是相同的。因此干湿球温度的差值与相对湿度存在一定的函数关系。

根据对露点温度和湿球温度的讨论,干球温度、湿球温度和露点温度的关系如下:

对于未饱和空气

<1,<<

对于饱和空气

=1,==

应该指出,湿球温度计的读数和掠过湿球温度计的风速有一定的关系,湿球温度并非热力学状态参数。严格的场合应用绝热饱和温度作为确定湿空气状态的一个参数,但绝热饱和温度的确定很困难。研究表明,在风速超过2m/s直至40m/s以下的宽广范围内,湿球温度计的读数变化很小,故工程上近似用湿球温度替代绝热饱和温度,作为一种表征湿空气的状态参数。在以干、湿球温度查图表或进行计算求取相对湿度等时,应以通风式干-湿球温度计的读数为准。

相关问题:根据经验湿球温度与空气流的速度有关,为什么用湿球温度作为描述湿空气的一种参数?

解答:是的,可以这样理解。露点温度是湿空气中水蒸汽分压力对应的饱和温度,湿球温度图2干湿球温度与相对湿度关系,是湿球周围饱和空气层的水蒸汽分压力对应的饱和温度,因湿球周围空气层的水蒸汽分压力不可能低于空气中水蒸汽的分压力,所以湿球温度总是大于等于露点温度?