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干球溫度、露點溫度和濕球溫度
1. 干球溫度、露點溫度和濕球溫度
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，而蒸汽分壓力達到該溫度相應的飽和壓力時，即可達到飽和空氣狀態(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，當溫度降到與相應的水蒸汽的飽和溫度時，空氣也達到飽和狀態(tài)。此時濕空氣的溫度稱為露點溫度，用符號表示。
1.1. 露點(或霜點)溫度
露點(或霜點)溫度：dewtemperature。露點溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點溫度。露點溫度本是個溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因為，當空氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點溫度相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。所以露點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，當空氣中所含水蒸氣達到飽和狀態(tài)，開始凝結形成水滴時的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點溫度。即當溫度降至露點溫度以下，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，空氣中的水分會有一部分析出，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飽和的水蒸氣可變成飽和蒸氣，多余的水分就會析出。使水蒸氣達到飽和時的溫度就叫作“露點”。測得露點溫度，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，測定露點實際上就是測定了空氣中的絕對濕度。如果露點越低，表示空氣中的水分含量越少。露點可用專用的露點儀測定。例如，空氣經(jīng)干燥器后的露點為-50℃，與-50℃對應的飽和水分含量為38.89mg/m3，說明空氣中尚含有這些水分。如果露點為-60℃，則飽和水分含量為10.68mg/m3。露點越低，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，當未飽和水蒸氣變成飽和水蒸氣時，有極細的露珠出現(xiàn)，出現(xiàn)露珠時的溫度叫做“露點”，它表示氣體中的含水量，露點越低，表示氣體中的含水量越少，氣體越干燥。露點和壓力有關，因此又有大氣壓露點(常壓露點)和壓力下露點之分。大氣壓露點是指在大氣壓力下水份的凝結溫度，而壓力下露點是指該壓力下的水份凝結溫度，兩者有換算關系(可查換算表)，如壓力0.7MPa時壓力露點為5℃，則相應的大氣壓(0.101MPa)露點則為-20℃。在氣體行業(yè)中，若無特殊說明，所指的露點均為大氣壓露點。
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。
干球溫度計溫度是溫度計空氣測量的溫度自由地被暴露在空氣，但是被保護從輻射和濕氣。干球溫度計溫度是通常被重視當氣溫的溫度，并且它是真實的熱力學溫度。它是一個規(guī)則溫度計測量的溫度被暴露在氣流。不同于濕球溫度，干球溫度計溫度在天空中不表明相當數(shù)量濕氣。在建筑，當設計某一氣候的時，一個大廈它是重要考慮。 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際溫度，濕球溫度是球體表面附著有水時，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，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??；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，也稱熱力學濕球溫度。濕球溫度是標定空氣相對濕度的一種手段。
濕球溫度難以用簡短的文字給出嚴謹確切的定義。濕球溫度是標定空氣相對濕度的一種手段，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，使其達到飽和狀態(tài)時的溫度。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，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濕度。
1.3.1. 原理
假設有一個理想的絕熱加濕器，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行絕熱加濕。假設絕熱加濕器足夠長，空氣與水有足夠的時間接觸，并且有足夠充分的接觸面積，使空氣在離開加濕器時能夠達到飽和狀態(tài)，器參數(shù)為s，s，。這時，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，如果在整個過程中，不斷地向加濕器水池中補充壓力為，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，而且相對濕度增大到飽和。假定裝置是在穩(wěn)定的均勻的流動狀態(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(即為補充水量)的液體熱。式中，為水的質量比熱，=4.19kJ/(kg*K)。上式是一直線方程，所以熱力學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，由b點可查出s，及s。其終狀態(tài)點b即為已定；如設初狀態(tài)為a點是=0的干空氣，則=s－c×s×s由此值畫等焓線與縱坐標軸相交，可決定a點，連接ab直線，即是熱力學濕球溫度線。
1.3.3. 作用
然而，絕熱加濕器并非濕實用裝置，所以一般都用干濕球溫度計讀出濕球溫度，以近似代替熱力學濕球溫度。
代替絕熱加濕器的實用裝置是干濕球溫度計。這種儀器是由兩支溫度計或由兩個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，在毛細作用下紗布經(jīng)常處于潤滑狀態(tài)，將此溫度計稱為濕球溫計。使用時，在熱濕交換達到平衡，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相應地稱作干球溫度計，它所測得的溫度稱為空氣的干球濕度，也就是實際的空氣溫度。以后分別用和表示空氣溫度與干球溫度。
濕球溫度計的讀數(shù)，實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)濕球表面時所發(fā)生的熱濕交換過。
當空氣的相對的濕度<100%時，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)過一段時間后，水溫終將降至空氣干球溫度以下，這時，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，當水溫降到某一數(shù)值時，空氣向水面的溫差傳熱恰好補償水分蒸發(fā)所吸收的汽化熱。此時，水溫不再下降，反映在濕球溫度計上的這一穩(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。在空氣相當濕球溫度不變的情況下，濕紗布上水分蒸發(fā)可以認為濕穩(wěn)定的，從而蒸發(fā)所需的熱量也是一定的。
當空氣相對濕度較低時，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，如果空氣得相對濕度高，則干，濕球溫度溫差小。當=100%時，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，空氣中水蒸汽達到飽和時的空氣溫度，在空氣焓濕圖上是由空氣狀態(tài)點沿等焓線下降至100%相對濕度線上，對應點的干球溫度。
1.3.4. 測定
用濕紗布包扎普通溫度計的感溫部分，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到等焓。示數(shù)達到穩(wěn)定后，此時溫度計顯示的讀數(shù)近似認為濕球溫度。
把水銀溫度計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)時需要吸收熱量，這熱量靠由空氣傳到水銀球來補充。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，便可以計算出空氣中所含的水蒸氣量。
1.4. 干濕球溫度對比
通常，相對濕度可由干濕球溫度計測量干、濕球溫度得到。干濕球溫度計含有兩支普通溫度計，如圖1。
圖1 干濕球溫度計
圖2干濕球溫度與相對濕度關系
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不斷蒸發(fā)，由于水蒸發(fā)時吸收熱量，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。當溫度降低到一定程度時，傳入紗布的熱量正好等于水蒸發(fā)所需的熱量，這時溫度維持不變，此時的溫度就是濕球溫度。空氣的相對濕度愈小，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，故紗布上水不會蒸發(fā)，這時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濕度存在一定的函數(shù)關系。
根據(jù)對露點溫度和濕球溫度的討論，干球溫度、濕球溫度和露點溫度的關系如下：
對于未飽和空氣
<1，<<
對于飽和空氣
=1，==
應該指出，濕球溫度計的讀數(shù)和掠過濕球溫度計的風速有一定的關系，濕球溫度并非熱力學狀態(tài)參數(shù)。嚴格的場合應用絕熱飽和溫度作為確定濕空氣狀態(tài)的一個參數(shù)，但絕熱飽和溫度的確定很困難。研究表明，在風速超過2m/s直至40m/s以下的寬廣范圍內(nèi)，濕球溫度計的讀數(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行計算求取相對濕度等時，應以通風式干－濕球溫度計的讀數(shù)為準。
相關問題：根據(jù)經(jīng)驗濕球溫度與空氣流的速度有關，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。露點溫度是濕空氣中水蒸汽分壓力對應的飽和溫度，濕球溫度圖2干濕球溫度與相對濕度關系，是濕球周圍飽和空氣層的水蒸汽分壓力對應的飽和溫度，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溫度？