我们身边的STEM 06:湿球温度的意义及计算函数的推导与验证——别人的肩膀(续)

in cn-stem •  9 months ago  (edited)

在之前的文章我们身边的STEM 04:干湿球温度计及露点温度中马格努斯公式的应用里,我们讲到过干湿球温度计。湿球温度是用一支温度计的底部包着纱布,纱布用蒸馏水浸润,测量得到的。

热力学里面,湿球温度是指在绝热条件下,大量的水与有限的湿空气接触,水蒸发所需的潜热完全来自于湿空气温度降低所放出的显热,当系统中空气达饱和状态且系统达到热平衡时系统的温度,也叫绝热饱和温度。

简单地说,湿球温度就是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度。

从严格的物理定义出发,湿球温度计测量到的湿球温度,并不是真正的绝热饱和温度,因为湿球温度计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。

但是,理论湿球温度在实际中是很难测定的,也没有直接的计算公式,在实际应用中常用实测的湿球温度代替理论湿球温度,对于热力学工程中,最常遇到的水—空气体系,这两个温度在数值上近似相等。

从数值上说,露点温度和湿球温度都是未饱和变为饱和导致温度的降低,湿球温度只是温度计周围的气体吸收了水分达到饱和,而露点温度是所有气体都变为饱和状态,因此温度下降肯定比前者大,所有露点温度比湿球温度低。

湿球温度是很有用的。比如在冷却塔应用中,湿球温度是冷却塔的冷却极限温度。知道当地的湿球对冷却塔的选型有一定的帮助,同样的冷却塔处理水量在湿球温度低的地方要大一点。因此,如果当地湿球温度比较高,考虑到成本的问题,水塔就可以选小点,因为处理水量没有很大。

在日常的生活中,比较容易测量得到的是温度与相对湿度(湿度传感器很多),湿球温度计并不容易携带与维护,也不能在冰点以下使用。

而在昨天的帖子我们身边的STEM 05:露点温度计算的一种偷懒的方法——站在别人的肩膀上里,网页计算器里面同时也有湿球温度的计算,那么我们下雨天打孩子,搂草打兔子,顺势而为,把湿球温度的计算函数也写一下吧:

下面我就告诉你这个程序是怎么来的。

源程序还是来源于网页:
https://www.easycalculation.com/weather/dewpoint-wetbulb-calculator.php

查看源代码,从第551行开始,是湿球温度的计算方法:

主要函数是calcwetbulb(),函数如下:

这个程序就比昨天Td的计算函数科技含量高多了。

从函数主体,可以看出湿球温度是不停地假设一个湿球温度,算出水蒸气压值和已知的实际水蒸气压值比较迭代试算出来的。当带入的湿球温度算出的水蒸气压值和实际水蒸气压值相等时,说明代入的湿球温度是正确的。

当然,这个源程序是电脑运行的,而如果使用单片机编程的话,没有PC那么多资源,所以在允许Tw误差的时候,这里就取0.05了,跳出循环的条件也是0.05°C,这对于普通的精度0.1°C的精度要求已经够了。

一般使用的时候,干球温度,湿球温度和湿度之间,可以通过下面这个表格,已知2个参数,查得第三个参数:

我们用程序代入实际温湿度试算一下,下面是T=40°C,RH=20%,时, Tw的计算值:

我们查上面的干球温度,湿球温度和湿度表格,T=40°C,RH=20%,时, Tw的值是22.06°C,这两个值是近似相等的。

再看网页计算器计算的结果:
image
这3个值出来的都差不多。湿球温度本来就是近似计算,这样的精度足够日常使用。

当然,以上所有过程只是给大家提供一个编程的思路和方法,如果有实际项目需要实现的时候,要考虑的因素就非常多了,但这属于商业机密,在本帖就不一一详述了。

总之,我们身边还是有很多科技知识,而这个知识并非只是存在于书本之上,它们对我们的实际生活还是非常实用的。

参考:热力学湿球温度


我们身边的STEM系列:

我们身边的STEM 01:单片机及其堆栈设计小窍门

我们身边的STEM 02:空气温湿度之水的饱和蒸汽压及其计算函数

我们身边的STEM 03:空气温湿度之露点温度及其计算函数

我们身边的STEM 04:干湿球温度计及露点温度中马格努斯公式的应用

我们身边的STEM 05:露点温度计算的一种偷懒的方法——站在别人的肩膀上


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哈哈,谢谢大野驴🤝

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