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2023-06-15
湿球温度计原理及测量相对湿度
【摘要】：干、湿球温度（θ和τ）是冷却塔设计的主要气象参数，是反映空气湿度的物理参数。当空气温度θ不变时，湿空气焓i和相对湿度φ均随含湿量X的增加而增加，随X的含量减少而减少。这时的X和θ分别称为饱和含湿量和饱和温度，而此时湿空气拒绝吸收水中蒸发的热量，故这时的饱和温度称为绝热饱和温度，用θB表示。
干、湿球温度（θ和τ）是冷却塔设计的主要气象参数，是反映空气湿度的物理参数。
1.湿球温度计原理
测θ和τ的干、湿度温度计如图3-5所示。
图3-5 干湿球温度计
1—干球温度计 2—湿球温度计 3—纱布 4—水层 5—空气层
干球温度θ是用一般温度计测得的（图3-5中的左边一支）。而测湿球温度的温度计（图3-5中的右边一支），它的水银球上包一层湿纱布（纱布的下端浸入在充水的容器中），使空气与水不直接接触，测得的温度称为湿球温度，用τ表示，该温度实际上是在当地当时的气温条件下，水冷却所能达到的最低温度。
湿球温度计上的纱布在毛细管作用下，纱布表面吸收了一层水，在空气不饱和的情况下，这层表面的水不断蒸发，蒸发所需要的热量由水中取得，因而水温逐渐降低。这里存在着两种散热：一种是空气向水进行传导散热；另一种是水向空气进行蒸发散热，现分析在tf＞θ时的水向空气传热。
空气向水的传导散热：设刚开始时，纱布上表面这层水的温度为tf空气温度为θ，开始时因tf＞θ，水向空气传热，当tf下降后，在tf=θ时，Hα=0，当tf再下降，到θ＞tf时存在着θ-tf的温度差，这个温度差是空气向水传导散热的推动力，这样，空气向纱布与空气的交界面传递热量，再通过纱布把空气的热量传给水。
设水银球上盖的湿纱布面积为F，传热系数为α，则空气向湿纱布交界面传递的热量为：α（θ-tf）F，此值随tf的下降而增加。同时纱布交界面的水也在不断地向空气传递热量，进行蒸发散热，使水温T不断下降，当纱布层水温T降低到τ时（tf=τ＜θ），水层的温度不再下降了，这时，水的蒸发散热=空气传递给水的热量，处于动态平衡状态。这时纱布水层上的温度τ称为湿球温度，空气向水层传递的热量达到最大值，即为α（θ-τ）F。
那么这时候水层向空气蒸发散热量是多少呢？当纱布水层温度达到τ时（tf=τ＜θ），水层交界面达到饱和蒸气，其饱和蒸气分压力为P″τ而空气温度为θ时的蒸气分压力为Pθ，P″τ＞Pθ，它们的蒸气分压力差为（P″τ-Pθ），这个分压力差就是纱布水层继续向空气蒸发散热的推动力。就是说这时存在着空气向水进行传导散热的推动力是（θ-τ）的温度差；水向空气进行蒸发散热的推动力是（P″τ-Pθ）分压力差。
空气向水进行传导散热量为α（θ-τ）F，而这时的蒸发散热量是多少。设水的汽化热为γ（kcal/kg），γ=γ0+0.47，汽化热γ=597.3kcal/kg。设βp为压差蒸发散热系数，代表单位蒸气压力下，单位面积上水汽蒸发量[kg/（m2.h.atm）]。那么水层温度降到τ时，纱布水层的蒸发散热量为：γβp（P″τ-Pθ）F，因为这时空气向水的传导散热=水层向空气的蒸发散热，处于动态平衡状态，则得：
则可得空气中水蒸气的分压力Pθ为：
通过实验得α/γβP=0.000662P，代入式（3-47）得：
相对湿度φ=Pθ/P″θ，Pθ=φP″θ代入式（3-48）得：
2.精确测定湿球温度τ要注意的问题
（1）必须保证水银球完全被湿纱布覆盖。
（2）空气的速度（风速）必须要足够大，一般要求风速在3～5m/s以上，这样周围环境传来的辐射热的影响可忽略不计，只存在空气传递来的热量对湿球温度τ的影响。
（3）补充水的水温应与湿球温度τ相等。
在现场实际测定时，把干湿球温度计放在搭好的棚内（即要求通风而又不在太阳下），温度计应放在距地面2.0m处，又要距冷却塔有一定的距离，防止冷却塔出来的湿空气凝结水滴的影响，但也不要太远。测定读数间隔时间为10～20min一次。测点布置的数目，中小型冷却塔可布置2个以上测点；大型冷却塔要求布置4个以上测点，然后取各测点相加后的算术平均值。但一般玻璃钢冷却塔的测试通常只布置一个测点。
3.湿球温度对水蒸发散热冷却的意义
湿球温度τ对水蒸发冷却的意义主要有以下两条。
（1）湿球温度τ代表当地当时的气温条件下，水可能被冷却的最低温度，即冷却塔出水温度t2的理论极限值（即在理论上冷却塔的出水温度t2可达到τ的温度）。当要求冷却后的水温t2越接近湿球温度时，冷却越困难，要使t2接近于τ，则冷却塔的尺寸和体积会增加很多，会大幅度地增加造价而很不经济。一般冷却塔的出水温度t2等于或大于τ3～5℃（即t2-τ≥3～5℃），（t2-τ）称为冷幅高，是衡量冷却塔冷却效果好与差的重要指标。上海地区设计的标准型（低温塔）冷却塔出水温度t2=32℃，设计采用的τ为28℃，则t2-τ=4℃。
（2）先简述一下绝热饱和温度θB的概念。当空气温度θ不变时，湿空气焓i和相对湿度φ均随含湿量X的增加而增加，随X的含量减少而减少。当含湿量X增加到使湿空气达到饱和时，湿空气就不再吸收水蒸气了，拒绝吸收水中蒸发出来的散热量。这时空气中的水蒸气分压力从Pθ上升到P″θ，φ=1，X和i值都达到了最大值。这时的X和θ分别称为饱和含湿量和饱和温度，而此时湿空气拒绝吸收水中蒸发的热量，故这时的饱和温度称为绝热饱和温度，用θB表示。
湿球温度τ与湿空气的绝热饱和温度θB在物理概念上是完全不同的，但湿球温度的数值与空气的绝热饱和温度的值是相等的，即τ=θB，这一性质使得水的最低冷却温度与空气的绝热饱和温度相等。在空气含热量计算图中（图3-4）与φ=1相交的温度θB等于湿球温度τ，因此，冷却过程的理论分析，可以根据湿空气的焓湿图来进行。
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2023-08-20
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