乾湿プロセス

When discussing psychrometric processes, it is crucial to understand the fundamental principles that govern the behavior of air-water vapor mixtures. Psychrometrics involves the study of the thermodynamic properties of moist air, which are essential for various applications such as HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems, meteorology, and industrial processes.

Key Concepts in Psychrometrics

1. Dry Bulb Temperature (DBT): This is the temperature of air measured by a standard thermometer. It does not account for moisture content and is a primary indicator of thermal conditions.

2. Wet Bulb Temperature (WBT): This measurement is taken using a thermometer covered with a water-soaked cloth over which air flows. It reflects the cooling effect of evaporation and is always lower than or equal to the DBT.

3. Relative Humidity (RH): This is the ratio of the current absolute humidity to the highest possible absolute humidity (which depends on the current air temperature). Expressed as a percentage, RH indicates how saturated the air is with moisture.

4. Dew Point Temperature: The temperature at which air becomes fully saturated with moisture and water begins to condense. This is critical for predicting weather phenomena and managing indoor air quality.

乾湿図

A view of psychrometric chart is shown before. It shows the relationship between dry-bulb temperature (the temperature measured by a regular thermometer), wet-bulb temperature (the temperature measured by a thermometer with a wetted bulb), relative humidity (the amount of moisture in the air compared to the maximum amount it can hold at that temperature), and dew point temperature (the temperature at which the air becomes saturated and condensation begins).

The curved lines represent constant relative humidity, while the diagonal lines represent constant wet-bulb temperature.

The following equation represents the heat transfer in a thermodynamic process involving a fluid. Here, 𝑄_𝐶​ is the heat added or removed, 𝑚𝑎ma​ is the mass flow rate of the fluid, ℎ₁​ and ℎ₂​ are the specific enthalpies at the initial and final states, respectively, and 𝐶_𝑝,𝑚​ is the specific heat capacity at constant pressure. The term (𝑇₂−𝑇₁) denotes the temperature change of the fluid from the initial state 𝑇₁​ to the final state 𝑇_2​. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄_𝐶​ is proportional to the mass flow rate and the change in enthalpy or, equivalently, the product of the mass flow rate, specific heat capacity, and temperature change. This relationship is fundamental in thermodynamics for calculating the energy required to change the temperature of a fluid in various heating or cooling processes.

$$ Q_C=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a C p m\left(T_2-T_1\right) $$

The different psychrometric processes are shown in following. The chart illustrates the relationship between temperature (t) on the x-axis and humidity ratio (ω) on the y-axis. It is divided into different regions, each representing a specific psychrometric process. The eight main processes shown in the image are:

1. Evaporative Cooling: This process involves cooling the air through the evaporation of water, which decreases the dry-bulb temperature and increases the humidity ratio.
2. 顕熱冷却: This process cools the air without changing its moisture content, resulting in a decrease in the dry-bulb temperature.
3. 顕熱加熱: This process heats the air without altering its moisture content, leading to an increase in the dry-bulb temperature.
4. Heating + Humidity: This process involves heating the air while increasing its moisture content, resulting in an increase in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
5. Cooling + Dehumidification: This process cools the air while reducing its moisture content, leading to a decrease in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
6. Dehumidification: This process removes moisture from the air without changing its dry-bulb temperature.
7. Humidification: This process adds moisture to the air without changing its dry-bulb temperature.
8. Heating + Humidification: This process involves heating the air while reducing moisture, increasing the dry-bulb temperature and reducing the humidity ratio.

乾湿プロセス

顕熱冷却

このプロセス中、空気の水分含有量は一定のままですが、空気が冷却コイルを通過するにつれて温度は低下します。 水分含有量を一定に保つには、冷却コイルの表面が乾燥しており、その表面温度が空気の露点温度よりも高くなければなりません。 冷却コイルが 100% 有効である場合、空気の出口温度はコイル温度と等しくなります。 ただし、実際には、出口空気温度は冷却コイル温度よりも高くなります。下図顕冷過程 2-1 を乾湿図上に示します。 このプロセス中の熱拒否率は次の式で求められます。

顕熱加熱

During Sensible Hating process, the moisture content of air remains constant and its temperature increases as it flows over a heating coil. The heat addition rate during this process is given by:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a c_{p m}\left(T_2-T_1\right) $$

どこc_午後は湿潤比熱 (≈1.0216)kJ / kg乾燥した空気）とm_aは乾燥空気の質量流量です (kg / s）。

冷却と除湿

湿った空気を冷たい表面と接触させて露点以下に冷却すると、空気中の水蒸気の一部が凝縮して液体として気流から離れ、その結果、空気の温度と湿度の比率が低下します。示されているように減少します。 これは、空気が空調システム内で行われるプロセスです。 実際のプロセス パスは、低温表面の種類、表面温度、流れの条件によって異なりますが、簡単にするために、プロセス ラインは図に示すように直線であると仮定します。図8.11。 熱伝達率と物質伝達率は、以下に示す質量保存式とエネルギー保存式を適用することにより、初期条件と最終条件で表すことができます。

By applying mass balance for the water: $$ m_a \cdot \omega_a=m_a \cdot \omega_2+m_w $$ By applying energy balance: $$ m_a \cdot h_a=Q_r+m_w \cdot h_w+m_a \cdot h_2 $$ From the above two equations, the load on the cooling coil, $Q_t$ is given by: $$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)-m_a\left(\omega_1-\omega_2\right) h_w $$

2^ND上式の右辺の項は通常、他の項に比べて小さいため、無視できます。 したがって、

$$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right) $$

冷却と除湿のプロセスには潜熱と顕熱の両方の熱伝達プロセスが含まれていることが観察できます。したがって、潜熱と顕熱の合計伝達率は次のようになります。Q_r、Q_l、とQ_s) は次のように記述できます。

$$ \mathrm{Q}_{\mathrm{r}}=\mathrm{Q}_1+\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} $$ where $$Q_1=m_a\left(h_1-h_w\right)=m_a \cdot h_{f g}\left(\omega_1-\omega_w\right)$$ and $$Q_s=m_a\left(h_w-h_2\right)=m_a \cdot c_{p m}\left(T_1-T_2\right)$$

顕熱係数 (SHF)

これは、全熱伝達率に対する顕熱伝達率 (Q) として定義されます。_t）、すなわち、

$$ \mathrm{SHF}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} / \mathrm{Q}_{\mathrm{t}}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} /\left(\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}+\mathrm{Q}_{\mathrm{l}}\right) $$

上の方程式から、SHF 1.0 は潜熱伝達がないことに対応し、SHF 0 は顕熱伝達がないことに対応することがわかります。 通常の乾燥気候の空調システムでは、0.75 ～ 0.80 の SHF が非常に一般的です。 SHF の値が低い、たとえば 0.6 は、湿潤な気候で発生するような潜熱負荷が高いことを意味します。

温度 Ts は冷却コイルの有効表面温度であり、装置露点 (ADP) 温度として知られています。 理想的な状況では、すべての空気が冷却コイルの表面に完全に接触すると、空気の出口温度はコイルの ADP と同じになります。 ただし、実際のケースでは、空気が冷却コイル表面上を流れる際の境界層の発達や、フィンに沿った温度変化などにより、空気の出口温度は常に装置の露点温度よりも高くなります。を定義できます。バイパス係数 (BPF)バイパス係数が高くなると、空気出口温度と冷却コイル温度の差が大きくなることが容易にわかります。 BPF が 1.0 の場合、すべての空気がコイルをバイパスし、冷却や除湿は行われません。

$$ \mathrm{BPF}=\frac{T_c-T_s}{T_a-T_s} ; \mathrm{CF}(\text { Contact Factor })=1-\mathrm{BPF} $$

どこT_c出る空気の温度、T_aは入る空気の温度であり、T_s冷却コイルの表面温度です。

加熱と加湿

冬の間、部屋の空気を快適に保つためには、暖房と湿度を高めることが不可欠です。 これは通常、最初に空気を顕熱加熱し、次に蒸気ノズルを介して空気流に水蒸気を追加することによって行われます。

制御容積に対する水蒸気の質量バランスから、蒸気を追加する必要がある速度が求められます。m_w:

$$ m_w=m_a\left(\omega_2-\omega_1\right) $$

ここでm_aは乾燥空気の質量流量です。 エネルギーバランスから:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)-m_w h_w $$

どこQ_hは加熱コイルを通じて供給される熱であり、h_wは蒸気のエンタルピーです。 このプロセスには同時に熱と物質の移動も含まれるため、冷却および除湿プロセスと同様の方法でプロセスの顕熱係数を定義できます。

冷却と加湿

名前が示すように、このプロセス中に気温が低下し、湿度が増加します。 これは、空気流に冷水を噴霧することで実現できます。 結露を避けるために、水の温度は空気の乾球温度より低く、露点温度より高くなければなりません (T_DPT<T₂<T₁）。

このプロセス中に、空気から水への顕熱伝達と、水から空気への潜熱伝達が発生します。 したがって、総熱伝達は水温に依存します。 噴霧される水の温度が空気の湿球温度と等しい場合、空気から水への顕熱伝達が水から空気への潜熱伝達と等しいため、正味伝達率はゼロになります。 水温が WBT より高い場合、水から空気への正味の熱伝達が発生します。 水温が WBT より低い場合、正味の熱伝達は空気から水になります。 スプレー水が完全に再循環され、加熱も冷却もされない特殊なケースでは、システムは完全に断熱され、補給水は WBT で供給され、定常状態では空気が断熱飽和プロセスを受けます。そのWBTは残っています絶え間ない。 これが断熱飽和のプロセスです。 冷却と加湿のプロセスは、蒸発冷却器、冷却塔などのさまざまな装置で行われます。

暖房と除湿

このプロセスは、湿気から水蒸気を吸収または吸着する吸湿性材料を使用することによって実現できます。 このプロセスが熱的に隔離されている場合、空気のエンタルピーは一定に保たれ、その結果、空気の水分含量が減少するにつれて空気の温度が上昇します。 この吸湿性材料は固体でも液体でもよい。 一般に、吸湿性材料による水の吸収は発熱反応であり、その結果、このプロセス中に熱が放出され、空気に伝達され、空気のエンタルピーが増加します。