空气的热湿处理热质交换与设备原理
热质交换原理与设备
1、有空气和氨组成的混合气体，压力为2个标准大气压，温度为273K，则空气向氨的扩散系数是1。
405*10-5 m2/s。
2、当表冷器的表面温度低于空气的露点湿度时，就会产生减湿冷却过程。
3、某一组分的速度与整体流动的平均速度之差，成为该组分的扩散速度。
4、冷却塔填料的作用是将进塔的热水尽量细化，增加水和空气的接触面，延长接触时间，增进水汽之间的热值交换延长冷却水停留时间，增加换热面积，增加换热量，均匀布水。
5、刘伊斯关系式文中叙述为h/h mad=Cp刘伊斯关系式文中叙述为即在空气一水系统的热质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定的量值关系，条件的变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一系数也相应地发生同样的变化。
6、一套管换热器、谁有200℃被冷却到120℃，油从100℃都被加热到120℃，则换热器效能是25% 。
7、总热交换是潜热交换和显热交换的总和。
8、当流体中存在速度、温度、和浓度的梯度时，就会分别产生动量、热量和质量的传递现象。
9、锅炉设备中的过热器、省煤器属于间壁式式换热器。
10、潜热交换是发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。
11、有一空气和二氧化碳组成的混合物，压力为3个标准大气压，温度为0℃，则此混合物中空气的质扩散系数为0.547*10-5m2/s。
12、一管式逆流空气加热器，平均换热温差为40℃，总换热量位40kW，传热系数为40W/(m2.℃)则换热器面积为25m2。
13、流体的粘性、热传导性和质量扩散通称为流体的分子传递性质。
14、当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导；多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均匀时，分子传递的结果会产生该组分的质量扩散；描述这三种分子传递性质的定律分别是牛顿粘性定律、傅里叶定律、菲克定律。
《热质交换原理与设备》课后习题答案(第3版)
第一章绪论1、答：分为三类。
动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）；热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。
2、解：热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。
1) 间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。
2) 直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。
3) 蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。
4) 热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。
3、解：顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。
1) 逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。
2) 叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。
3) 混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。
4) 顺流和逆流分析比较：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。
热质交换原理与设备(chapter4 new)
固体除湿器－旋转式 旋转式是通过转轮的旋转，使被除湿的气 流所流经的转轮除湿器的扇形部分对湿空 气进行除湿，而再生气流流过的剩余扇形 部分同时进行吸附剂的再生。被除湿的处 理气流和再生气流一般逆流流动。转轮式 除湿器可以连续工作、操作简便、结构紧 凑、易于维护，所以在空调领域常被应用 （图4-24）。
总结：显热和潜热传递的方向 （1）当空气与水直接接触时，从空气侧而言：空 气达到一定的状态为换热目的
3）潜热交换以空气初状态的露点温度TL1为界，当 Tw＞TL1时，空气得到潜热量，当Tw＜TL1时，空气 失去潜热量。同样，总热流方向还要看显热流量而 定。 4）当水温Tw＞T1时，显热、潜热都向着空气，总 热流方向总是向着空气。
在dX微元体上的导热增量为：
dqF qF 2 qF1 0
在dX的微元体上，凝结水膜与肋片的传热量为：
与导热增量平衡
空调温度范围内，为了简化计算过程，饱和空气 的焓可近似用下式表示为：
i a b t
a、b分别为计算空气焓的简化系数
iw a b t w
iF a b t F
空气干燥循环 吸附空气中水蒸气的吸附剂称为干燥剂（限定）。 干燥剂的吸湿和放湿是由干燥剂表面的蒸汽压与环 境空气的蒸汽压差决定的： 当干燥剂表面的蒸汽压较低时，干燥剂吸湿，反之 放湿，两者相等时，达到平衡，即既不吸湿，也不 放湿。 当表面水蒸气分压超过周围空气分压时，干燥剂脱 湿，这个过程称为干燥剂再生过程
结论：温差是热交换的推动力（高温向低温传递）， 水蒸气分压力差是质交换的推动力（高分压向低分 压传递）。
当空气与水在一微元面积dA（ m2）上接触时，空 气温度变化为dt，含湿量变化为 d(d)，显热交换量 将是：
《热质交换原理与设备》课程教学大纲(本科)
热质交换原理与设备(Principle and Equipment of Heat and Mass Transfer)课程代码：02410040学分：2.0学时：32 （其中：课堂教学学时：28实验学时：4上机学时：0课程实践学时:0 ）先修课程：《传热学》、《工程热力学》、《流体力学》适用专业：建筑环境与能源应用工程教材：热质交换原理与设备，连之伟，北京：中国建筑工业出版社，第四版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《热质交换原理与设备》是具有承上启下意义，同时起到连接相关专业基础课与专业课桥梁作用的专业基础课。
它是在《传热学》、《流体力学》和《工程热力学》的基础上，将专业中《冷热源工程》、《暖通空调》、《热泵原理与应用》等专业课中涉及流体热质交换原理及相应设备的共性内容抽出，经综合、充实和系统整理而形成的一门专业基础课程。
此课程兼顾理论知识和设备知识，培养学生较全面掌握动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论的基础知识，掌握本专业中的典型热质交换设备的热工计算方法，为进一步学习本专业的专业课程打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:掌握传质的理论基础，包括传质的基本概念，扩散传质、对流传质的过程及分析, 相际间的热质传递模型。
课程目标2：理解传热传质的分析和计算知识，包括动量、热量和质量的传递类比，对流传质的准则关联式，热量和质量同时进行时的热质传递；学会运用所学知识分析实际问题。
课程目标3：熟悉空气热质处理方法，包括空气处理的各种途径，空气与水/固体表面之间的热质交换过程及主要影响因素，吸附和吸收处理空气的原理与方法，用吸收剂处理空气和用吸附材料处理空气的原理与方法；学会理论联系实际，分析环境控制领域常用的空气热质处理原理。
课程目标4：掌握热质交换设备的热工计算方法，包括间壁式热质交换设备的热工计算，混合式热质交换设备的热工计算和复合式热质交换设备的热工计算，能够针对具体需求对常见热质交换设备进行设计计算和校核计算。
空气的热湿处理[知识探索]
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后挡水板：使夹在空气中的水满分离出来，以减少空气 带走 的水量(过水量)。
风音书屋
10
（3）池底部接管
底池又和四种管道相连。这四种管道是：
(1) 循环水管：底池通过滤水器与循环水管相连，使落到底池的水 能重复使用。 滤水器的作用是能除去水中杂物，以免堵塞喷嘴。 (2) 溢水管：底池通过溢水器与溢水管相连，以便排除夏季内空气 中冷凝出来的水 或收集回水。此外，溢水器的喇叭口上有水封罩可 将喷水室内、外空气隔绝，并使底池 水面维持一定高度。
以热水为热媒的空气加热器，管路的串、并联方式与表 冷器相同，但以蒸汽为热媒的空气加热器，其蒸汽管路与 各台换热器之间只能用并联，不能用串联。
表冷器垂直安装时务必要使肋片保持垂直。 表冷器的下面都应设置集水盘和泄水管。
风音书屋
18
a:蒸汽管道与加热器并联
b\c:冷（热）水管道与冷 却器（加热器）并\串联。
未饱和空气
边界 层
水滴
边界层
(a)
水
(b)
空风气音与书屋水的热、湿交换
4
(a)敞开的水面 （b)飞溅的水滴
（二）空气与水直接接触时的状态变化过程
假想条件：和空气接触的水量无限大，接触 时间无限长。
结果是：热湿交换后全部空气都达到饱和 状态，并具有水的温度。
风音书屋
5
风音书屋
6
理想条件：空气与水的接触时间足够长，水量有限 结果是：热湿交换后全部空气都达到饱和状态， 水与空气的运动方向相同时（顺流），空气终温等于水终温 水与空气的运动方向相对时（逆流），空气终温等于水初温。 水温变化
实际工程中：空气与水的接触时间不够充分，而且 水量是有限的，空气的终状态往往达不到饱和，只 能达到ψ=95%左右。空风音气书屋 的终温与水存在温差7 。来自第三节 用喷水室处理空气
《热质交换原理与设备》习题答案分析
第5章吸附和吸收处理空气的原理与方法1.解：物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，它是一种可逆过程，物理吸附是无选择的，只要条件适宜，任何气体都可以吸附在任何固体上。
吸附热与冷凝热相似。
适应的温度为低温。
吸附过程进行的急快参与吸附的各相间的平衡瞬时即可达到。
化学吸附是固体表面与吸附物间的化学键力起作用的结果。
吸附力较物理吸附大，并且放出的热也比较大，化学吸附一般是不可逆的，反应速率较慢，升高温度可以大大增加速率，对于这类吸附的脱附也不易进行，有选择性吸附层在高温下稳定。
人们还发现，同一种物质，在低温时，它在吸附剂上进行物理吸附，随着温度升到一定程度，就开始发生化学变化转为化学吸附，有时两种吸附会同时发生。
2、硅胶是传统的吸附除湿剂，比表面积大，表面性质优异，在较宽的相对湿度范围内对水蒸汽有较好的吸附特性，硅胶对水蒸汽的吸附热接近水蒸汽的汽化潜热，较低的吸附热使吸附剂和水蒸汽分子的结合较弱。
缺点是如果暴露在水滴中会很快裂解成粉末。
失去除湿性能。
与硅胶相比，活性铝吸湿能力稍差，但更耐用且成本降低一半。
沸石具有非常一致的微孔尺寸，因而可以根据分子大小有选择的吸收或排除分子，故而称作“分子筛沸石”。
3、目前比较常用的吸附剂主要是活性炭，人造沸石，分子筛等。
活性炭的制备比较容易，主要用来处理常见有机物。
目前吸附能力强的有活性炭纤维，其吸附容量大吸附或脱附速度快，再生容易，而且不易粉化，不会造成粉尘二次污染，对于无机气体如2SO 2X、H S 、NO 等有也很强的吸附能力，吸附完全，特别适用`于吸附去除6931010/g m --、 量级的有机物，所以在室内空气净化方面有着广阔的应用前景。
4、有效导热系数通常只与多孔介质的一个特性尺度----孔隙率有关。
第6章 间壁式热质交换设备的热工计算1、解:间壁式 换热器从构造上可分为：管壳式、胶片管式、板式、板翘式、螺旋板式等。
提高其换热系数措施：⑴在空气侧加装各种形式的肋片，即增加空气与换热面的接触面积。
热质交换原理与设备要点总结
<热质交换原理与设备>第一章绪论1．分子传递的三定律3个传递系数、公式、结构上的类似性。
2．紊流传递，分子传递的基本概念基于流态划分的传递现象的两种基本形式。
3．设备的分类以及它们各自的传热机理第二章热质交换过程1．传质定义：分子扩散和对流扩散的概念基于质交换的构因划分的质交换的基本方式对流传质量概念2．5种扩散通量的定义之间的关系扩散通量质扩散通量、摩尔扩散通量、扩散通量向量、绝对扩散通量、相对扩散通量3．斐克定律的其它表示形式质量平均速度与扩散速度4．斯蒂芬定律应用情况；积分形式、微分形式，转化条件（转化为斐克定律）5．扩散系数定义，o D的定义（公式不记），随压强和温度的变化情况6．对流传质的基本公式7．边界层的概念？意义？对流传质简化模型的中心思想。
8．薄膜渗透理论的基本论点、结论（公式、推导不计）9．各准则数的物理意义普朗特，施密特，刘伊斯10．类似律的本质：阐述三传之间的类似关系（建立了…和之间的关系）11．同一表面上传质对传热的影响，对壁面热传导和总传热量影响相反由（2-90）和图2-16来分析影响12．刘伊斯关系式的表达式和意义第三章相变热量交换原理1．什么是沸腾放热的临界热流密度？有何意义？2．汽化核心分析3．影响沸腾换热的因素4．影响凝结现象的因素第四章空气热质处理方法1．麦凯尔方程的意义，热质交换设备的图解方法。
2．空气与水直接接触时热湿交换的原理，显热，潜热推动力，空气状态变化过程，实际过程3．吸收吸附法较之表冷器除湿的优点。
4．干燥循环的3个环节5．吸附剂传质速度的影响因素。
6．吸附原理：表面自由焓7．动态吸附除湿的再生方式8．吸附除湿空调系统9．吸收原理：气液平衡关系第五章 其它形式的热质交换1．空气射流的种类、特点等温自由射流的速度衰减。
非等温射流温度边界层，速度边界层，浓度边界层的特性。
起始段，主体段2．回风口空气衰减规律3．送风温差第六章 热质交换设备1．表冷器的热工计算(1)传热系数与哪些因素有关 迎面风速，析湿系数，水流速(2) 效能—传热单元法 主要原则，几个参量的意义2．喷淋室的热工计算（1）影响喷淋室热交换效果的因素。
热质交换原理与设备
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。
动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度。
物质的量浓度：单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度，符号C。
绝对速度= 主体流动速度+ 扩散速度单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。
传质通量等于传质速度与浓度的乘积。
质量传递的方式分为分子传质和对流传质。
分子传质又称为分子扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。
对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。
在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递，这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。
斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A和组分B将发生互扩散，其中组分A 向组分B的扩散通量与组分A的浓度梯度成正比。
斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度。
组分的实际传质通量= 分子扩散通量+ 主体流动通量在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，双向扩散和单向扩散。
等分子反方向扩散（双向扩散）：设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则成为等分子反方向扩散。
组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）：设组分A、B两组分组成的混合物中，组分A 为扩散组分，组分B为不扩散组分，组分A通过停滞组分B进行扩散。
液体中的等分子反方向扩散发生在摩尔潜热相等的二元混合物蒸馏时的液相中，此时，易挥发组分A向气液相界面方向扩散，而难挥发组分B则向液相主体的方向扩散。
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冷表面
tw
冷
却 剂W
dA
冷却剂边界层
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52-15
空气侧：
凝结水膜
Gdd hmd (d di )dA
Gc pdt h(t ti )dA
湿空气边界层
冷表面
忽略水膜和金属表面的热阻，
t
冷却剂的传热量有：
湿 空
ti
hw (ti tw )dA Wc wdtw
气G
d di
hw (ti
湿空气出口状态
干球
温度
湿球温度
干球温度
P
tw1 td2 t2 tw2
td1
t1
t
入口端冷却剂温度 湿球温度 出口端冷却剂温度
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52-20
常压下饱和湿空气的焓值及其在饱和曲线上的斜率
t(℃)
4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 40.6 43.3 46.1 48.9 51.7 54.4
上式为i与tw之间的工作线斜率
又：
湿空气在冷却降湿过 程中的过程线斜率
di i ii dt t ti
点（i, tw)与(ii, ti )连接线斜率
ii i hw hwcp
ti tw hm
h
可在i-t图上做出湿空气在表冷器 冷却减湿过程 中的温度与焓的变化曲线
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52-19
52-9
定湿球温度线簇
由于d通常很小，湿球温度也不高，定tw 线可近似以定焓线代替
52-10
4.1.2 空气热湿处理的原理和方案
(1) W →L → O 喷淋室喷冷水(或用表面冷却器)冷却减湿 → 加热器再热
1
(2)W →1→ O: 固体吸湿剂减湿 → 表面冷却器等湿冷却
5
t0
4
3
2
W'
( 3)W → O: 液体吸湿剂减湿冷却
52-13
4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿
空调工程中通常通过金属冷壁面冷却湿空气以除掉湿
分，使得空气侧壁面上出现水蒸汽冷凝液在重力作用
下的流动
金属壁
传质 湿空气
传热
气膜
冷却介质
冷凝液膜
湿空气在冷壁面上的冷却去湿过程示意图
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52-14
凝结水 膜
湿空气边界层
t
湿 空
ti
气G
di d
52-5
定焓线簇
52-6
定温（干球温度）线簇
52-7
定相对湿度线簇
Φ=100%时线实际上是不同比湿度d下露点的轨迹 Φ=0%时即为干空气，d＝0，即纵坐标轴
52-8
水蒸气分压力线簇
pv
d
pd 0.622pv
d当pp0d一 .62定2 时，当pv p一f定(d时) ，pv
f
(d )
由于d通常很小，所以pv与d近似成线性
hmd (i ii ) 麦凯尔方程
湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，湿 空气主流与紧靠水膜的饱和空气的焓差是热湿交 换的推动力。
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52-17
根据热平衡，空气侧：
Gdi hmd (i ii )dA
Gc pdt h(t ti )dA
h hmdc p
di i ii dt t ti
湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率
hw (ti tw ) hmd (i ii )
ii i hw hwcp
ti tw
hmd
h
点（i, tw)与(ii,ti )的连接线斜率
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52-18
Gdi hmd (i ii )dA
hw (ti
tw)
Wcw
dtw dA
di Wc w dtw G
W
夏季：冷却减湿
O L'
0
i
L
冬季：加热加湿
(1) W’ → 2 → L → O:加热器预热→ 喷蒸汽加湿→加热器再热
d0
(2)W‘→ 3 → L → O: 加热器预热→ 喷淋室绝热加湿→ 加热器再热
(3) W' → 4 → O: 加热器预热→ 喷蒸汽加湿
(4)W' → L→ O: 喷淋室喷热水加热加湿→ 加热器再热
(5)W' →5→L' →O: 加热器预热→ 一部分喷淋室绝热加湿→与另一部分
未加湿空气混合
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52-11
4.1.3 空气热湿处理及设备 根据各种热质交换设备的特点不同分成两大类：
混合式热质交换设备 ： 包括喷淋室、蒸汽加湿器、局部补充加湿
装置以及使用液体吸湿剂的装置等
间壁式热质交换设备： 包括光管式和肋管式空气加热器及空气冷
i(kcal/kg)
8.461 9.801 11.278 12.900 14.670 16.700 18.938 20.338 24.271 27.460 31.071 35.176 39.845 45.187 51.298 58.319 66.408 75.774 86.607
i
湿 空 气 冷 却 减 湿 过 程 示 i2 意 图
饱Q
湿空气入口状态
和
B(i1, tw2)
线
● 连
切线
● E(i1, t1)
di Wc w dtw G
工 作
接● 线 C(ii, ti)
线
ii i hwcp
ti tw
h
冷却减湿
A(i2, tw1) ● ● M(i2, t2)
过程线
di i ii dt t ti
却器等
有的空气处理设备如喷水式表面冷却器则兼有 这两类设备的特点。
2020/3/27
52-12
4.2 空气与固体表面之间的热湿交换
冷却降湿是将空气冷却到露点温度 以下，从而将其中水蒸气部分去除 的方法
冷却盘管
A
C
B
凝结水
湿空气通过盘管的情况
冷却除湿时空气状态变化的i-d 图上表示
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焓湿图简介
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52-3
以1kg干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力 下，取焓h与比湿度d为坐标，图中有定比湿度、 定水蒸气分压力、定露点温度、定焓、定湿球温 度、定干球温度、定相对湿度各线簇。
பைடு நூலகம்
2020/3/27
52-4
定比湿度线簇
一定压力下，水蒸气分压与比湿度一一对应， 因此定比湿度线簇也是定水蒸气分压力线簇。 露点温度td取决于水蒸气分压，因此定比湿度 线簇也是定td线簇。
tw )
Wcw
dtw dA
tw 冷 却剂WdA
冷却剂边界层
2020/3/27
52-16
根据热平衡可得
hw (ti tw ) h(t ti ) hmd (d di ) r
hmd
h(t ti hmd
)
(d
di
)r
对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为
hw (ti tw ) hmd cp (t ti ) (d di )r
2020/3/27
第四章 空气的热湿处理
52-1
内容
4.1 空气的热湿处理途径 4.2 空气与固体表面之间的热湿交换 4.3 空气与水直接接触的热湿交换
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52-2
4.1 空气的热湿处理途径
4.1.1 空气调节的几个相关概念
空气调节，热舒适，新风，回风，送风状态， 焓湿图，夏季工况，冬季工况等