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干球溫度、露點(diǎn)溫度和濕球溫度
1. 干球溫度、露點(diǎn)溫度和濕球溫度
drybulb temperature, dew temperature, and wet-bulbtemperature
摘要：未飽和濕空氣中水蒸汽處于過熱狀態(tài)；而在飽和空氣中的水蒸汽處于飽和蒸汽狀態(tài)——平衡狀態(tài)。未飽和空氣達(dá)到飽和可以經(jīng)歷不同的途徑：在溫度不變的情況下，水分向空氣中蒸發(fā)，增加蒸汽分壓力，而蒸汽分壓力達(dá)到該溫度相應(yīng)的飽和壓力時(shí)，即可達(dá)到飽和空氣狀態(tài)；在保持濕空氣中蒸汽分壓力不變的情況下，降低濕空氣溫度，當(dāng)溫度降到與相應(yīng)的水蒸汽的飽和溫度時(shí)，空氣也達(dá)到飽和狀態(tài)。此時(shí)濕空氣的溫度稱為露點(diǎn)溫度，用符號(hào)表示。
1.1. 露點(diǎn)(或霜點(diǎn))溫度
露點(diǎn)(或霜點(diǎn))溫度：dewtemperature。露點(diǎn)溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因?yàn)椋?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。
1.1.1. 解釋一
在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當(dāng)空氣中所含水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)形成水滴時(shí)的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點(diǎn)溫度。即當(dāng)溫度降至露點(diǎn)溫度以下，濕空氣中便有水滴析出。降溫法清除濕空氣中的水分，就是利用此原理。
1.1.2. 解釋二
在日常生活中我們可以看到，到夜間空氣溫度降低時(shí)，空氣中的水分會(huì)有一部分析出，形成露水或霜。這說明在水蒸氣含量不變的情況下，由于溫度的降低，能夠使空氣中原來未達(dá)飽和的水蒸氣可變成飽和蒸氣，多余的水分就會(huì)析出。使水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度就叫作“露點(diǎn)”。測得露點(diǎn)溫度，就可以從水蒸氣的飽和含量表中查得其水蒸氣含量。由于溫度降低過程中水蒸氣含量并沒有改變，因此，測定露點(diǎn)實(shí)際上就是測定了空氣中的絕對(duì)濕度。如果露點(diǎn)越低，表示空氣中的水分含量越少。露點(diǎn)可用專用的露點(diǎn)儀測定。例如，空氣經(jīng)干燥器后的露點(diǎn)為-50℃，與-50℃對(duì)應(yīng)的飽和水分含量為38.89mg/m3，說明空氣中尚含有這些水分。如果露點(diǎn)為-60℃，則飽和水分含量為10.68mg/m3。露點(diǎn)越低，說明干燥程度越高。
1.1.3. 解釋三
它是指氣體中的水份從未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣的溫度，當(dāng)未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣時(shí)，有極細(xì)的露珠出現(xiàn)，出現(xiàn)露珠時(shí)的溫度叫做“露點(diǎn)”，它表示氣體中的含水量，露點(diǎn)越低，表示氣體中的含水量越少，氣體越干燥。露點(diǎn)和壓力有關(guān)，因此又有大氣壓露點(diǎn)(常壓露點(diǎn))和壓力下露點(diǎn)之分。大氣壓露點(diǎn)是指在大氣壓力下水份的凝結(jié)溫度，而壓力下露點(diǎn)是指該壓力下的水份凝結(jié)溫度，兩者有換算關(guān)系(可查換算表)，如壓力0.7MPa時(shí)壓力露點(diǎn)為5℃，則相應(yīng)的大氣壓(0.101MPa)露點(diǎn)則為-20℃。在氣體行業(yè)中，若無特殊說明，所指的露點(diǎn)均為大氣壓露點(diǎn)。
1.2. 干球溫度(dry bulb temperature)
暴露于空氣中而又不受太陽直接照射的干球溫度表上所讀取的數(shù)值。
干球溫度計(jì)溫度是溫度計(jì)空氣測量的溫度自由地被暴露在空氣，但是被保護(hù)從輻射和濕氣。干球溫度計(jì)溫度是通常被重視當(dāng)氣溫的溫度，并且它是真實(shí)的熱力學(xué)溫度。它是一個(gè)規(guī)則溫度計(jì)測量的溫度被暴露在氣流。不同于濕球溫度，干球溫度計(jì)溫度在天空中不表明相當(dāng)數(shù)量濕氣。在建筑，當(dāng)設(shè)計(jì)某一氣候的時(shí)，一個(gè)大廈它是重要考慮。 Nall稱它其中一“人的舒適和大廈節(jié)能的最重要的氣候可變物?！?/span>
干球溫度是接觸球體表面空氣的實(shí)際溫度，濕球溫度是球體表面附著有水時(shí)，水份蒸發(fā)帶走熱量后球體的溫度，水的蒸發(fā)量跟空氣的濕度有關(guān)，空氣濕度越大蒸發(fā)量越小，帶走的熱量越少，干濕球溫度差異越小；空氣濕度越小水蒸發(fā)量越大，帶走的熱量也越大，干濕球溫差也就越大，所以可以通過干濕球溫差的變化規(guī)律來反映當(dāng)前空氣濕度狀況。
1.3. 濕球溫度——wet-bulb temperature
濕球溫度——wet-bulb temperature，也稱熱力學(xué)濕球溫度。濕球溫度是標(biāo)定空氣相對(duì)濕度的一種手段。
濕球溫度難以用簡短的文字給出嚴(yán)謹(jǐn)確切的定義。濕球溫度是標(biāo)定空氣相對(duì)濕度的一種手段，其涵義是，某一狀態(tài)下的空氣，同濕球溫度表的濕潤溫包接觸，發(fā)生絕熱熱濕交換，使其達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。該溫度是用溫包上裹著濕紗布的溫度表，在流速大于2.5m/s且不受直接輻射的空氣中，所測得的紗布表面溫度，以此作為空氣接近飽和程度的一種度量。周圍空氣的飽和差愈大，濕球溫度表上發(fā)生的蒸發(fā)愈強(qiáng)，而其濕度也就愈低。根據(jù)干、濕球溫度的差值，可以確定空氣的相對(duì)濕度。
1.3.1. 原理
假設(shè)有一個(gè)理想的絕熱加濕器，它的器壁與外界環(huán)境是完全絕熱的。加濕器內(nèi)裝有溫度恒定的純水。若加入加濕器的濕空氣狀態(tài)參數(shù)為，，，i。濕空氣在絕熱加濕器內(nèi)，在定壓條件下以純水進(jìn)行絕熱加濕。假設(shè)絕熱加濕器足夠長，空氣與水有足夠的時(shí)間接觸，并且有足夠充分的接觸面積，使空氣在離開加濕器時(shí)能夠達(dá)到飽和狀態(tài)，器參數(shù)為s，s，。這時(shí)，出空氣溫度與水溫相同，水分蒸發(fā)所需要的熱量全部取自空氣，如果在整個(gè)過程中，不斷地向加濕器水池中補(bǔ)充壓力為，溫度為s的純水，以維持加濕器內(nèi)水量的不變，則世界氣象組織定義s為具有參數(shù)，，，i的濕空氣的熱力學(xué)濕球溫度，也稱絕熱飽和溫度。
1.3.2. 公式
由于在絕熱加濕過程中，水分蒸發(fā)所需要的熱量全部是取自空氣，空氣失掉顯熱后，溫度下降，焓值減少，而空氣得到水蒸氣帶來的汽化液體熱后，總的焓值增加，而且相對(duì)濕度增大到飽和。假定裝置是在穩(wěn)定的均勻的流動(dòng)狀態(tài)下工作的，在流量不變的情況下，由能量平衡公式得：
+-×=
移相得：
-= (d"s-)×t"s
上式說明，空氣焓的增加量等于蒸發(fā)水量(即為補(bǔ)充水量)的液體熱。式中，為水的質(zhì)量比熱，=4.19kJ/(kg*K)。上式是一直線方程，所以熱力學(xué)濕球溫度等值線是一直線。在-圖中，如果已知s，可畫出等溫線交飽和線于b點(diǎn)，由b點(diǎn)可查出s，及s。其終狀態(tài)點(diǎn)b即為已定；如設(shè)初狀態(tài)為a點(diǎn)是=0的干空氣，則=s－c×s×s由此值畫等焓線與縱坐標(biāo)軸相交，可決定a點(diǎn)，連接ab直線，即是熱力學(xué)濕球溫度線。
1.3.3. 作用
然而，絕熱加濕器并非濕實(shí)用裝置，所以一般都用干濕球溫度計(jì)讀出濕球溫度，以近似代替熱力學(xué)濕球溫度。
代替絕熱加濕器的實(shí)用裝置是干濕球溫度計(jì)。這種儀器是由兩支溫度計(jì)或由兩個(gè)其他的溫度敏感元件所組成。其中一支的感溫包裹上脫脂棉紗布，紗布的下端浸入盛有蒸餾水的玻璃小杯中，在毛細(xì)作用下紗布經(jīng)常處于潤滑狀態(tài)，將此溫度計(jì)稱為濕球溫計(jì)。使用時(shí)，在熱濕交換達(dá)到平衡，即穩(wěn)定的情況下，所測得的溫度稱為濕球溫度；另外未包紗布的溫度計(jì)相應(yīng)地稱作干球溫度計(jì)，它所測得的溫度稱為空氣的干球濕度，也就是實(shí)際的空氣溫度。以后分別用和表示空氣溫度與干球溫度。
濕球溫度計(jì)的讀數(shù)，實(shí)際上反映了濕紗布上水的溫度，但是，值得注意的是，并不是任一讀數(shù)都可以是濕球溫度，只有在熱交換達(dá)到平衡，即穩(wěn)定的狀態(tài)下的讀數(shù)才稱為濕球溫度。下面用傳熱傳濕原理來分析空氣流經(jīng)濕球表面時(shí)所發(fā)生的熱濕交換過。
當(dāng)空氣的相對(duì)的濕度<100%時(shí)，紗布上的水必然產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，若水的溫度高于空氣的溫度，蒸發(fā)所需的汽化熱必然首先取自水分本身，因此紗布上的水溫下降，濕球溫度計(jì)上的讀數(shù)，隨后讀數(shù)下降。無論原來的水溫多高，經(jīng)過一段時(shí)間后，水溫終將降至空氣干球溫度以下，這時(shí)，也就出現(xiàn)了空氣向水面的傳熱，此熱量隨著空氣與水之間的溫差的加大而增加，當(dāng)水溫降到某一數(shù)值時(shí)，空氣向水面的溫差傳熱恰好補(bǔ)償水分蒸發(fā)所吸收的汽化熱。此時(shí)，水溫不再下降，反映在濕球溫度計(jì)上的這一穩(wěn)定的溫度就是空氣的濕球溫度。如果濕球溫度紗布上的最初水溫低于濕球溫度，則空氣向水面的溫差傳熱一方面供給水蒸汽所需要的汽化熱，另一方面，供水溫的升高，隨著水溫的升高，傳熱量的減少，最終仍將達(dá)到溫度傳熱于蒸發(fā)需要的熱相等，水溫才穩(wěn)定并等于空氣濕球溫度。在空氣相當(dāng)濕球溫度不變的情況下，濕紗布上水分蒸發(fā)可以認(rèn)為濕穩(wěn)定的，從而蒸發(fā)所需的熱量也是一定的。
當(dāng)空氣相對(duì)濕度較低時(shí)，濕球溫度紗布上的水分蒸發(fā)快，蒸發(fā)需要的熱量多，水溫下降得也較多，因而干，濕球溫度溫差大。反之，如果空氣得相對(duì)濕度高，則干，濕球溫度溫差小。當(dāng)=100%時(shí)，濕紗布上的水分不再蒸發(fā)，干，濕球溫度也就相等了。由此可見，在一定的空氣的狀態(tài)下，干濕球溫度的差值反映了空氣相對(duì)濕度的大小。
濕球溫度是指同等焓值空氣狀態(tài)下，空氣中水蒸汽達(dá)到飽和時(shí)的空氣溫度，在空氣焓濕圖上是由空氣狀態(tài)點(diǎn)沿等焓線下降至100%相對(duì)濕度線上，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的干球溫度。
1.3.4. 測定
用濕紗布包扎普通溫度計(jì)的感溫部分，紗布下端浸在水中，以維持感溫部位空氣濕度達(dá)到飽和，在紗布周圍保持一定的空氣流通，使于周圍空氣接近達(dá)到等焓。示數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，此時(shí)溫度計(jì)顯示的讀數(shù)近似認(rèn)為濕球溫度。
把水銀溫度計(jì)的水銀球用濕紗布包裹，紗布的一端浸在水中以保持紗布充分潤濕。濕紗布中的水分不斷向空氣中蒸發(fā)時(shí)需要吸收熱量，這熱量靠由空氣傳到水銀球來補(bǔ)充。因此，水銀球的溫度比空氣的溫度低，亦即比沒有包有濕紗布前為低。此時(shí)測得的溫度稱為濕球溫度。通過所測得的空氣溫度和濕球溫度，便可以計(jì)算出空氣中所含的水蒸氣量。
1.4. 干濕球溫度對(duì)比
通常，相對(duì)濕度可由干濕球溫度計(jì)測量干、濕球溫度得到。干濕球溫度計(jì)含有兩支普通溫度計(jì)，如圖1。
圖1 干濕球溫度計(jì)
圖2干濕球溫度與相對(duì)濕度關(guān)系
其中一支的溫包直接和濕空氣接觸，其測得溫度稱為干球溫度；另一支的溫包則用保持浸潤的濕紗布包著，測得溫度稱濕球溫度。如果來流空氣是未飽和的，那么濕紗布表面的水分會(huì)不斷蒸發(fā)，由于水蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，從而使貼近紗布的一層空氣溫度降低。隨著與主流空氣建立的溫差，主氣流向紗布傳熱。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，傳入紗布的熱量正好等于水蒸發(fā)所需的熱量，這時(shí)溫度維持不變，此時(shí)的溫度就是濕球溫度?？諝獾南鄬?duì)濕度愈小，濕球溫度比干球溫度就低得愈多。如果空氣是飽和的，則由于空氣不能接納更多的蒸汽，故紗布上水不會(huì)蒸發(fā)，這時(shí)濕球溫度和干球溫度是相同的。因此干濕球溫度的差值與相對(duì)濕度存在一定的函數(shù)關(guān)系。
根據(jù)對(duì)露點(diǎn)溫度和濕球溫度的討論，干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度的關(guān)系如下：
對(duì)于未飽和空氣
<1，<<
對(duì)于飽和空氣
=1，==
應(yīng)該指出，濕球溫度計(jì)的讀數(shù)和掠過濕球溫度計(jì)的風(fēng)速有一定的關(guān)系，濕球溫度并非熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)。嚴(yán)格的場合應(yīng)用絕熱飽和溫度作為確定濕空氣狀態(tài)的一個(gè)參數(shù)，但絕熱飽和溫度的確定很困難。研究表明，在風(fēng)速超過2m/s直至40m/s以下的寬廣范圍內(nèi)，濕球溫度計(jì)的讀數(shù)變化很小，故工程上近似用濕球溫度替代絕熱飽和溫度，作為一種表征濕空氣的狀態(tài)參數(shù)。在以干、濕球溫度查圖表或進(jìn)行計(jì)算求取相對(duì)濕度等時(shí)，應(yīng)以通風(fēng)式干－濕球溫度計(jì)的讀數(shù)為準(zhǔn)。
相關(guān)問題：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)濕球溫度與空氣流的速度有關(guān)，為什么用濕球溫度作為描述濕空氣的一種參數(shù)？
解答：是的，可以這樣理解。露點(diǎn)溫度是濕空氣中水蒸汽分壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，濕球溫度圖2干濕球溫度與相對(duì)濕度關(guān)系，是濕球周圍飽和空氣層的水蒸汽分壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，因濕球周圍空氣層的水蒸汽分壓力不可能低于空氣中水蒸汽的分壓力，所以濕球溫度總是大于等于露點(diǎn)溫度？