湿空气的性质|化工单元过程与操作

( 一) 湿度H

湿度H 是湿空气中所含水蒸气的质量与绝干空气质量之比，单位为kg/kg 干空气。

(1) 定义式:

式中:Ma——干空气的摩尔质量，kg/kmol;

Mv——水蒸气的摩尔质量，kg/kmol;

na——湿空气中干空气的千摩数，kmol;

nv——湿空气中水蒸气的千摩尔数，kmol。

(2) 以分压比表示:

式中:pv——水蒸气分压，Pa;

P——湿空气总压，Pa。

(3) 饱和湿度Hs:若湿空气中水蒸气分压恰好等于该温度下水的饱和蒸气压Ps，此时的湿度为在该温度下空气的最大湿度，称为饱和湿度，以Hs表示。

式中:Ps——同温度下水的饱和蒸气压，Pa。

由于水的饱和蒸气压只与温度有关，故饱和湿度是湿空气总压和温度的函数。

( 二) 相对湿度φ

当总压一定时，湿空气中水蒸气分压Pv 与一定总压下空气中水汽分压可能达到的最大值之比的百分数，称为相对湿度。

(1) 定义式:

(2) 意义:相对湿度表明了湿空气的不饱和程度，反映湿空气吸收水汽的能力。

φ=1( 或100%) ，表示空气已被水蒸气饱和，不能再吸收水汽，已无干燥能力。φ 越小，即Pv 与Ps 差距越大，表示湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。

(3) H、φ、t 之间的函数关系:

可见，对水蒸气分压相同，而温度不同的湿空气，若温度越高，则Ps值越大，φ 值越小，干燥能力越大。

以上介绍的是表示湿空气中水分含量的两个性质，下面介绍是与热量衡算有关的性质。

( 三) 湿比热CH

定义:将1kg 干空气和其所带的Hkg 水蒸气的温度升高1℃所需的热量。简称湿热，单位为kJ/( kg 干空气·℃) 。

式中:Ca——干空气比热，其值约为1.01kJ/( kg 干空气·℃) ;

Cv——水蒸气比热，其值约为1.88kJ/( kg 干空气·℃) 。

( 四) 焓I

湿空气的焓为单位质量干空气的焓和其所带Hkg 水蒸气的焓之和，单位为kJ/(kg 干空气·℃)。

计算基准:0℃时干空气与液态水的焓等于零。

式中:r0——0℃时水蒸气汽化潜热，其值为2492kJ/kg。

( 五) 湿空气比体积υH定义:每单位质量绝干空气中所具有的空气和水蒸气的总体积，单位为m3/kg 干空气。

由上式可见，湿空气比体积随其温度和湿度的增加而增大。

( 六) 露点td

(1) 定义:一定压力下，将不饱和空气等湿降温至饱和，出现第一滴露珠时的温度。

式中:Pd——为露点td 时饱和蒸汽压，也就是该空气在初始状态下的水蒸气分压pv。

(2) 计算td:

计算得到Pd，查其相对应的饱和温度，即为该湿含量H 和总压P 时的露点td。同样的，由露点td 和总压P 可确定湿含量H。

( 七) 干球温度t、湿球温度tW

(1) 干球温度t。在空气流中放置一支普通温度计，所测得空气的温度为t，相对于湿球温度而言，此温度称为空气的干球温度。

(2) 湿球温度tw。如图3 -62 所示，用水润湿纱布包裹普通温度计的感温球，即成为一湿球温度计。将它置于一定温度和湿度的流动的空气中，达到稳态时所测得的温度称为空气的湿球温度，以tw 表示。

当不饱和空气流过湿球表面时，由于湿纱布表面的饱和蒸汽压大于空气中的水蒸气分压，在湿纱布表面和气体之间存在着湿度差，这一湿度差使湿纱布表面的水分汽化被气流带走，水分汽化所需潜热，首先取自湿纱布中水分的显热，使其表面降温，于是在湿纱布表面与气流之间又形成了温度差，这一温度差将引起空气向湿纱布传递热量。

当单位时间由空气向湿纱布传递的热量恰好等于单位时间自湿纱布表面汽化水分所需的热量时，湿纱布表面就达到稳态温度，即湿球温度。经推导得:

式中:Hw——湿空气在温度tw 下的饱和湿度，kg 水汽/kg 干空气;

H——空气的湿度，kg 水汽/kg 干空气;

kH——以温度差为推动力的传质系数，kg/( m2·s) ;

rw——湿球温度tw下水的汽化热，J/kg;

α——空气至温纱布的对流传热系数，W/( m2·℃) 。

实验表明:当流速足够大时，热、质传递均以对流为主，且kH 及α 都与空气速度的0.8 次幂成正比，一般在气速为3.8 ～10.2m/s 的范围内，比值α/kH 近似为一常数( 对水蒸气与空气的系统，α/kH =0.96 ～1.005) 。此时，湿球温度tw 为湿空气温度t 和湿度H 的函数。

注意:第一，湿球温度不是状态函数;第二，在测量湿球温度时，空气速度一般需大于5m/s，使对流传热起主要作用，相应减少热辐射和传导的影响，使测量较为精确。

( 八) 绝热饱和温度tas(www.xing528.com)

定义为绝热饱和过程中，气、液两相最终达到的平衡温度称为绝热饱和温度。

图3 -63 表示了不饱和空气在与外界绝热的条件下和大量的水接触，若时间足够长，使传热、传质趋于平衡，则最终空气被水蒸气所饱和，空气与水温度相等，即为该空气的绝热饱和温度。

此时气体的温度为tas下的饱和湿度Has。以单位质量的干空气为基准，在稳态下对全塔作热量衡算:

图3-62　湿球温度计

图3-63　绝热增湿塔示意图

式中:Has——tas下温空气的饱和温度，kg 水汽/kg 干空气;

ras——tas下水的汽化热，kJ/kg。

上式表明，空气的绝热饱和温度tas是空气湿度H 和温度t 的函数，是湿空气的状态参数，也是湿空气的性质。当t、tas已知时，可用上式来确定空气的湿度H。

在绝热条件下，空气放出的显热全部变为水分汽化的潜热返回气体中，对1kg 于空气来说，水分汽化的量等于其湿度差( Hm -H) ，由于这些水分汽化时，除潜热外，还将温度为tas的显热也带至气体中。所以，绝热饱和过程终了时，气体的焓比原来增加了4.187tas( Has -H) 。但此值和气体的焓相比很小，可忽略不计，故绝热饱和过程又可当作等过焓程处理。

对于空气和水的系统，湿球温度可视为等于绝热饱和温度。因为在绝热条件下，用湿空气干燥湿物料的过程中，气体温度的变化是趋向于绝热饱和温度tas的。如果湿物料足够润湿，则其表面温度也就是湿空气的绝热饱和温度tas，即湿球温度tw，而湿球温度是很容易测定的，因此湿空气在等焓过程中的其他参数的确定就比较容易了。

比较干球温度t、湿球温度tw、绝热饱和温度tas及露点td 可以得出:

不饱和湿空气:t ＞tw( tas) ＞td

饱和湿空气:t=tw( tas) =td

【例3 -9】已知湿空气的总压为101.3kPa，相对湿度为50%，干球温度为20℃。试求:( a)湿度H;( b) 水蒸气分压P;( c) 露点td;( d) 焓I;( e) 如将500kg/h 干空气预热至117℃，求所需热量Q;( f) 每小时送入预热器的湿空气体积V。

解:P=101.3kPa，φ =50%，t =20℃，由饱和水蒸气表查得，水在20℃时的饱和蒸汽压为Ps =2.34kPa

( a) 湿度H:

( b) 水蒸气分压:

P = φPs = 0．5 ×2．34 = 1．17 kPa

( c) 露点td:露点是空气在湿度H 或水蒸气分压p 不变的情况下，冷却达到饱和时的温度。所以可由p=1.17kPa查饱和水蒸气表，得到对应的饱和温度td =9℃。

( d) 焓I:

( e) 热量Q:

( f) 湿空气体积V:

知识拓展

湿空气的湿度图及其应用

当总压一定时，表明湿空气性质的各项参数( t，p，φ，H，I，tw 等) 中，只要规定其中任意两个相互独立的参数，湿空气的状态就被确定。工程上为方便起见，将各参数之间的关系制成算图——湿度图。常用的湿度图由湿度—温度图( H—t) 和焓湿度图( I—H) ，本章只介绍焓湿度图( 图3 -64) 的构成和应用。

一、焓湿图的构成

如图3 -64 所示，在压力为常压下( pt =101.3Pa) 的湿空气的I -H 图中，为了使各种关系曲线分散开，采用两坐标轴交角为135°的斜角坐标系。为了便于读取湿度数据，将横轴上湿度H 的数值投影到与纵轴正交的辅助水平轴上。图中共有5 种关系曲线，图上任何一点都代表一定温度t 和湿度H 的湿空气状态。现将图中各种曲线分述如下:

1.等湿线( 即等H 线) 等湿线是一组与纵轴平行的直线，在同一根等H 线上不同的点都具有相同的温度值，其值在辅助水平轴上读出。

2.等焓线( 即等I 线) 等焓线是一组与斜轴平行的直线。在同一条等I 线上不同的点所代表的湿空气的状态不同，但都具有相同的焓值，其值可以在纵轴上读出。

图3-64　焓湿度图( I-H 图)

3.等温线( 即等t 线) 由式I =1．01t +(1．88t +2490) H 可知，当空气的干球温度t 不变时，I 与H 成直线关系，因此在I-H 图中对应不同的t，可作出许多条等t 线。

上式为线性方程，等温线的斜率为(1.88t +2490) ，是温度的函数，故等温线相互之间是不平行。

4.等相对湿度线( 即等φ 线)等相对湿度线是一组从原点出发的曲线。根据H =0.622 φPs/( Pt - φPs) 可知，当总压Pt 一定时，对于任意规定的φ 值，上式可简化为H 和Ps 的关系式，而Ps 又是温度的函数，因此对应一个温度t，就可根据附录五可查到相应的Ps 值计算出相应的湿度H，将上述各点( H，t) 连接起来，就构成等相对湿度φ 线。根据上述方法，可绘出一系列的等φ 线群。

φ =100%的等φ 线为饱和空气线，此时空气完全被水汽所饱和。饱和空气以上( φ ＜100%) 为不饱和空气区域。当空气的湿度H 为一定值时，其温度t 越高，则相对湿度φ 值就越低，其吸收水汽能力就越强。故湿空气进入干燥器之前，必须先经预热以提高其温度t。目的是除了为提高湿空气的焓值，使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而提高吸湿力。φ =0时的等φ 线为纵坐标轴。

5.水汽分压线 该线表示空气的湿度H 与空气中水汽分压p 之间关系曲线。

二、I-H 图的用法

利用I-H 图查取湿空气的各项参数非常方便。如图3-65 中A 代表一定状态的湿空气，则:

(1) 湿度H。由H 点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点H，即可读出A 点的湿度值。

(2) 焓值I。通过A 点作等焓线的平行线，与纵轴交于I 点，即可读得A 点的焓值。

(3) 水汽分压P。由A 点沿等温度线向下交水蒸气分压线于C，在图右端纵轴上读出水汽分压值。

(4) 露点td。由A 点沿等湿度线向下与φ =100%饱和线相交于B 点，再由过B 点的等温线读出露点td 值。

(5) 湿球温度tw( 绝热饱和温度tas) 。由A 点沿着等焓线与φ=100%饱和线相交于D 点，再由过D 点的等温线读出湿球温度tw( 即绝热饱和温度tas值) 。

已知湿空气某一状态点A 的位置，如图3 -65 所示。可直接借助通过点A 的四条参数线读出它的状态参数值。

通过上述查图可知，首先必须确定代表湿空气状态的点，然后才能查得各项参数。通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点:

a.湿空气的干球温度t 和湿球温度tw，见图3 -66( a) 。

b.湿空气的干球温度t 和露点td，见图3 -66( b) 。

c.湿空气的干球温度t 和相对湿度φ，见图3 -66( c) 。

图3-65　焓湿度图的用法

图3-66　在I-H 图中确定湿空气的状态