Amesim模拟水面的蒸发

今天在答疑群中，看到有一位同学提问如下所示的模型如何建立。实际上，所有对湿度敏感的系统，类似于这种涉及水分离器、需要考虑湿度变化的系统，都要使用湿空气库（Moistair库）去建模的。

我们知道，在气动库有空气模型，但工质是干空气，单位质量下的焓值相差极大。

湿空气焓值的计算公式如下：

i=(1.01+1.84d)t+2490d （kJ/kg干空气）

其中d是含湿量，单位kg/kg干空气。

由公式可以看出，（1.01+1.84d）t是随温度变化的热量，即“显热”；而2490d 则是0℃时水的汽化潜热，相差十分巨大。

同时，我们知道空调库、两相库有湿空气模型，这些模型可以处理常见的湿空气类型，但是不能处理水的相变。我们遇到的很多场景实际上是有相变的，例如冬天玻璃结霜，烧开水中水从液态到气态的蒸发，这些过程中不但有热量的交换，还有质量的交换，所以使用空调库、两相库中的湿空气模型就不能满足建模的要求了。

对此，Amesim软件中贴心的为我们准备了湿空气库（Moistair库），内容包含了换热、冷凝、蒸发、扩散、加湿、干燥等一系列元件，使用起来相当方便，可以很轻松的和其它各个专业库一起配合，模拟所有涉及湿空气计算的场景。

今天我们用其中一个元件模拟水的蒸发。水的蒸发过程十分常见，例如静置一杯水，随着时间的推移就会观察到液面不断下降，在前面提到的湿空气中就有一个专门模拟水面蒸发传热/传质过程的元件。

我们知道，水面蒸发过程和多种因素有关，我们利用这个模型逐个进行验证。其中上部气源模拟大气中的压力温度和相对湿度等信息，下面的水箱模拟液面温度和压力，左侧信号模拟吹拂液面的气流速度。

影响蒸发的因素--温度和风速

随着水温的增加，水分子的运动速度会加快，从而更易于逸出水面，所以水面蒸发量会随着水面温度的增加而增加。我们首先设置空气流速为0-10m/s，大气温度为20℃、相对湿度30%不变，调整液态水温度为20℃和30℃，则1㎡水面蒸发的水量对比如下：

影响蒸发的因素--湿度和风速

水面上方大气的湿度增加，其中的水汽分子数量增加，饱和水汽压差减小，水面与大气的水汽压差越小，水分子由水面逸出的速度越慢。因此，在相同条件下，空气湿度越小，水面蒸发量越大。我们首先设置空气流速为0-10m/s，液态水温度为20℃，大气温度为20℃，调整大气相对湿度30%和80%两种工况，则1㎡水面蒸发的水量对比如下：

影响蒸发的因素--水汽压差

一般来说，空气密度越大，单位体积的水汽分子数量越多，水汽压就越大；反之，则水汽压越小。大气的水汽压越大，水面与大气的水汽压差越小，水面蒸发量也越小，这与湿度变化对蒸发的影响基本一致。我们首先设置空气流速为0-10m/s，液态水温度为20℃，大气温度为20℃、相对湿度30%，调整大气压力1bar和10bar两种工况，则1㎡水面蒸发的水量对比如下：

影响蒸发的因素--风速

风能够加强空气之间的对流和交换，使水面上空的水汽分子不断被带走，从而保证蒸发面与上空始终保持一定的水汽压差，使得蒸发持续进行。在一定范围内，风速越大，空气流动越快，越有利于水汽在空气中的对流和交换，从而增加水汽界面的水汽压差，越有利于水面的蒸发。但当风速达到一定程度时，水面的蒸发趋于稳定，此时影响相对较小。同时当冷空气到来时，风速增加不仅不会促进水面蒸发，相反还会减少蒸发，甚至导致凝结。上述三种工况都考虑了风速，能明显看出风速的影响。

需要说明的是，上文所示模型仅仅模拟蒸发，是不能模拟冷凝过程的。虽未示出，但蒸发过程除了传质，还涉及传热，大家可以自己计算。

管道的蒸发和冷凝

前文中提到的管道等类型，如果涉及蒸发、冷凝等场景，可以使用下述模型进行模拟。计算时，将“处理空气中液态水”的选项打开，否则会将液态水计入空气，使得相对湿度超过100%。