湿球温度计算方法理论研究

湿球温度计算方法理论研究

张晓民，阮杰波，王 亮，刘京京，姜 凯

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

摘要：

湿球温度作为冷水塔等工程设计中的重要参数，本文进行了自动气象站“干湿表系数”理论值的研究，并应用华北地区5省市部分气象站点的资料进行了湿球温度的推算，研究中优化了推算日平均湿球温度的气象参数选择。通过研究发现，采用简化的绝热饱和温度计算公式，结合气象站的日平均水汽压、日平均大气压、日平均气温推算的湿球温度精度较高，并可满足工程设计需求。通过“干湿表系数”理论值推算的湿球温度能够有效降低冷却塔等的造价，为工程的合理设计及经济性投资提供保证。关键词：

湿球温度；焓值；干湿表系数；相对湿度；相关性系数。中图分类号：P641 文献标志码：

A 文章编号：1671-9913(2019)S1-0143-06Theoretical Study on Calculation Method of Wet Bulb Temperature

ZHANG Xiao-min, RUAN Jie-bo, WANG Liang, LIU Jing-jing, JIANG Kai

(North China Power Engineering Co., Ltd. of CPECC, Beijing 100120, China)

Abstract: Wet bulb temperature is a very important meteorological elements in engineering design such as cold water tower. This paper study the automatic weather station theoretical value of psychrometric coefficient, and use the data of part meteorological stations in five provinces and cities in North China to calculate the wet bulb temperature. Optimize the selection of meteorological parameters for estimating daily average wet bulb temperature in the study. It is found that use the simplified adiabatic saturation temperature calculation formula to calculate the wet bulb temperature combining with the daily average water vapor pressure, the daily average atmospheric pressure and the daily average temperature of weather station, can get high precision value and satisfy engineering design requirement. The wet bulb temperature calculated by the theoretical value of psychrometric coefficient can effectively reduce the cost of the cooling tower, etc., and provide a guarantee for the rational design and economic investment of project.

Keywords: wet bulb temperature; enthalpy; psychrometric coefficient; relative humidity; correlation coefficient.

* 收稿日期：2018-12-10

第一作者简介：张晓民(1983- )，男，山东潍坊人，硕士，高级工程师，从事水文气象工作。

0 引言

在干燥器、冷水塔、空调和采暖通风等工程的设计及科学研究中，常用到湿球温度[1,2]，即湿空气的绝热饱和温度。所谓湿空气的绝热饱和温度指的是湿空气绝热变化到饱和状态时的温度，以前人工气象站通常用湿球温度表测得。然而理论上严格来讲，湿球温度表测得的湿球温度并非是湿空气的绝热饱和温度，因为湿球温度表的湿球周围的空气并非是在绝热情况下(即等焓)达到饱和的，通常是一个焓增

过程[3]。

近年来随着自动气象站的广泛使用，湿球温度已不再直接观测，空气湿度的干湿球温度表观测方法也逐步被湿敏电容湿度传感器观测取代，但通过湿敏电容湿度传感器很难直接测量湿球温度，而是直接给出相对湿度，这给工程设计中湿球温度参数分析和湿球资料的连续应用造成困难，如何获取较为准确的湿球温度资料，成为工程设计中亟待解决的问题。

荣剑文[4]研究提出热力学上湿球温度的定

DOI ：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2019.S1.038

义是在定压绝热条件下空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度，根据定压绝热条件下湿空气焓值不变的原理，通过水蒸汽饱和压力公式和湿空气焓值计算公式，结合计算机编程来计算工程应用中的湿球温度。宋臻[5]等的研究中指出湿球温度表测得的湿球温度并非是湿空气的绝热饱和温度。吴俊云[6]等也指出在标准大气压下，当空气温度超过0℃，干、湿球温度之差小于11℃时，湿球温度与热力学湿球温度相差小于0.25℃。

1 空气湿度测量原理

1.1饱和水汽压

饱和水汽压是指一定温度下，空气中的水汽与相毗连的水或冰平面处于相变平衡时湿空气中的水汽压。

目前普遍采用世界气象组织(Wo r l d Meteorological Organization，WMO)推荐的戈夫—格雷奇(Goff-Gratch)公式[7，8]推算纯水平液面饱和水汽压，公式如下：

(1)式中：E W为纯水平液面饱和水汽压(hPa)；T1为水的三相点温度，等于273.16°K；T为

绝对温度，等于273.15+t℃(K)；

1.2人工与自动气象站测湿

在气象站人工观测时期，用干、湿球温度求空气中水汽压的计算公式如下：

(2)式中：e为水汽压(hPa)；E t

w

为湿球温度t w所对应的纯水平液面的饱和水汽压，湿球结冰

且湿球温度低于0℃时，为纯水平冰面的

饱和水汽压；A为干湿表系数(℃-1)，

式中：κ为热扩散系数；D为水汽扩散系数；P h 为本站气压(hPa)；t为干球温度(℃)；t w

为湿球温度(℃)。

在自动气象站中，采用湿敏电容湿度传感器等直接测得相对湿度，再由相对湿度求水汽压，公式如下：

(3)式中：U为相对湿度(%)；E W为干球温度t所对应的纯水平液面饱和水汽压(hPa)。

2 绝热饱和温度

绝热饱和温度是空气的一个状态参数，是绝热增湿过程中空气降温的极限。在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度随过程的进行而变化，但空气的焓在上述平衡中保持不变，由空气传给水的热量仍由水汽带回。绝热饱和温度的高低取决于空气的温度(常称干球温度)和湿度。当相对湿度等于100％时，绝热饱和温度就等于干球温度。相对湿度愈小，绝热饱和温度比干球温度降低得愈多。

2.1绝热饱和温度计算公式推导

如果湿空气前后两个状态的焓守恒，则可以得到：

(4)

上式可变成：

(5)

式中：m d为干空气质量(g)；m v为水汽质量(g)；

m t为水的质量(包含水汽和悬浮水滴，g)；

r为混合比m v/m d，即水汽与干空气的质量

比；q为比湿，即水汽与湿空气的质量比

m v/(m d+m v)，q与r的对应关系为q=r/(1+r)。

水汽压e、混合比r、比湿q三者满足关系式r= εe/(p－e)及q= εe/(p－0.378e)，其中ε = M v/M d = 0.6215，M v为水汽的摩尔质量，M d 为干空气的摩尔质量。