1、福州大学化工原理电子教案 固体干燥- 1 - 114.2 干燥静力学14.2.1 湿空气的状态参数1空气中水分含量的表示方法 湿空气的状态参数除总压 、温度 之外，与干燥过程有关的是水分在空气中的含量。根据不同的测pt量原理，同时考虑计算的方便，水蒸汽在空气中的含量有不同的定义或不同的表示方法。（1）水汽分压 与露点水 汽 d空气中的水汽分压直接影响干燥过程的平衡与传质推动力。测定水汽分压的实验方法是测量露点，即在总压不变的条件下将空气与不断降温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁表面上析出水雾，此时的冷壁温度称为露点 。壁面上析出水雾表明，水汽分压为 的湿空气在露点温度下达到饱和状态。dt 水
2、 汽p因此，测出露点温度 便可从手册中查得此温度下的饱和水蒸气压，此即为空气中的水汽分压 。显水 汽p然，在总压 一定时，露点与水汽分压之间有一单一函数关系。p（2）空气的湿度为便于进行物料衡算，常将水汽分压 换算成湿度。空气的湿度 定义为每 kg 干空气所带有的水 汽pH水汽量，单位是 kg/kg 干气，即 水 汽水 汽水 汽水 汽气水 pMH62.0式中 为总压。p（3）相对湿度空气中的水汽分压 与一定总压及一定温度下空气中水汽分压可能达到的最大值之比定义为相对水 汽p湿度，以 表示。当总压为 101.3kPa 时，空气温度低于 100时，空气中水分分压的最大值应为同温度下的饱和蒸汽压 ，
3、故有sp（当 ）sp水 汽ps当空气温度较高，该温度下的饱和蒸汽压 ，会大于总压。但因空气的总压也已指定，水汽分压的最大值最多等于总压，故取（当 ）p水 汽 ps从相对湿度的定义可知，相对湿度 表示了空气中水分含量的相对大小。 ，表示空气已达饱和1状态，不能再接纳任何水分； 值愈小，表明空气尚可接纳的水分愈多。（4）湿球温度测量水汽含量的简易方法是测量空气的湿球温度 ，其原理可见第 13 章。简言之，湿球温度是大量wt空气与少量水长期接触后水面的温度，它是空气湿度和干球温度的函数。 )(Hwrkt式中 、 分别为气相的传质系数与给热系数；Hk、 分别为湿球温度 下的湿度与汽化热。wrt对空气-
4、水系统，当被测气流的温度不太高，流速 5m/s 时， 为一常数，其值约为H/k1.09kJ/（ kg） ，故 )(09.wwrt由湿球温度的原理可知，空气的湿球温度 总低于干球温度 。 与 差距愈小，表示空气中的水分twt福州大学化工原理电子教案 固体干燥- 2 - 2含量愈接近饱和；对饱和湿空气 。tw2与过程计算有关的参数 上述参数尚不足以满足干燥过程的计算的需要，为此补充定义如下两个参数。（1）湿空气的焓为便于进行过程的热量衡算，定义湿空气的焓 为每 kg 干空气及其所带 kg 水汽所具有的焓，IHkJ/kg。焓的基准状态可视为计算方便而定，本章取于气体的焓以 0的气体为基准，水汽的焓以
5、 0的液态水为基准，故有 rtHcIpvg)(式中 干气比热容，空气为 1.01kJ/（kg） ；pgc蒸汽比热容，水汽为 1.88 kJ/（kg） ；v0时水的汽化热，取 2500 kJ/（kg） ；r cpvgpH对空气-水系统有 HtI250)8.10(（2）湿空气的比体积当需知气体的体积流量（如选择风机、计算流速）时，常常使用气体的比体积。湿空气的比体积是指 1kg 干气及所带的 kg 水汽所含占的总体积，m 3/kg。Hv通常条件下，气体比体积可按理想气体定律计算。在常压下 1kg 干空气的体积为 )27(108.274.2ttM气kg 水汽的体积为 )3(56.43. 3tHtH水
6、常压下温度为 、湿度为 的湿空气体积比为t 2710.8.2(3tv干燥过程中空气的湿度一般并不太大，上式中湿度 较小。除有特殊需要时外，用绝干空气的比体积以代替湿空气的比体积所造成的误差并不大。14.2.1.2 湿度图用公式计算湿空气的性质比较繁琐，有时还要用到试差（如计算 tw） 。若将湿空气的各种性质绘成图，利用图查取湿空气的有关参数，则比较简便。另外，空气的状态变化过程在图中表示亦比较形象直观。福州大学化工原理电子教案 固体干燥- 3 - 3在总压 一定时，上述湿空气的各个参数（ 、 、 、 、 、 等）中，只有两个参数是独ptvpHIwt立的，即规定两个互相独立的参数，湿空气的状态即
7、被唯一地确定。工程上为方便起见，将诸参数之间的关系在平面坐标上绘制成湿度图。目前，常用的湿度图有两种，即 - 图（P 325 图 14-3）和 图TIH（P 326 图 14-4） ，教材主要介绍 - 图。IH- 图是以总压 kPa 为前提画出的， 偏离较大时此图不适用。纵坐标为 （kJ/kg 绝干气）IH10，横坐标为 （kg 水汽/kg 绝干空气） ，注意两坐标的交角为 （不是 ！） ，目的是使图中各种曲13590线群不至于拥挤在一起，从而可提高读图的准确度。水平轴（辅助坐标）的作用是将横轴上的湿度值投影到辅助坐标上的便于读图，而真正的横坐标 在图中并没有完全画出。（1）等 线（等湿度线）
8、等 线为一系列平行于纵轴的直线。注意： 同一等 线上不同点， 值相同，但湿空气的状态H不同（在一定 下必须有两个独立参数才能唯一确定空气的状态） ；根据露点 的定义， 相同的湿p tH空气具有相等的 ，因此在同一条等 线上湿空气的 是不变的，换句话说 、 不是彼此独立的参数。tHt（2）等 线（等焓线）I等 线为一系列平行于横轴（不是水平辅助轴）的直线。注意：同一等 线上不同点， 值相同，II但湿空气状态不同；前已述及湿空气的绝热增湿过程近似为等 过程，因此 等 线也就是绝热增湿过程I线，在同一等 线上， 则 或 则 ，但 不变。ttI（3）等 线（等温线）t将式（14-8） 改写为 ，当 一
9、定时， -HI250)8.10( Htt)2508.1(0.tI为直线。各直线的斜率为 ， ，斜率，因此各等 线不是平行的直线。Htt（4）等 线（等相对湿度线）s6.p固定，当 一定时， ，假设一个 ，求出 ，可算出一个相应的 ，将若干个p)(stfpt点连接起来，即为一条等 线。t, 注意：当 一定时， ， ，吸收水汽能力。所以湿空气进入干燥器之前须先经过预热以Ht提高其温度和焓值有利于载热外，同时也是为了降低相对湿度而有利于载湿； 的线称为饱和%10曲线，线上各点空气为水蒸气所饱和，此线上放为未饱和区（ ） ，在这个区域的空气可以作为干燥1介质。此线下方为过饱和区域，空气中含雾状水滴，不
10、能用于干燥物料； - 图是以总压IH为前提绘制的，因此当 一定， 时， ， 常数，等 线kPa10p7.9t ppkPa0s（图中 与 两条线）垂直向上为直线与等 线重合。%510H（5） 线(水蒸汽分压线)v线标于 线的下方，表示 与 之间的关系。由 得vpv62.pHp62.0v14.2.1.3 湿度图的应用- 图中的任意一点 A 代表一个确定的空气状态，其 、 、 、 、 等均为定值。已知湿度I twHI空气的两个独立参数，即可确定一个空气的状态 A，其他参数可由 - 图查得。I、 、 、 是相互独立的两个参数，可确定唯一的空气状态点 A；twtdt、 、 （都在同一条等温线上） ， （
11、在同一条等 线上） ，不是彼此独立dpvvptI的参数，不能确定空气的状态点 A。14.2.2 湿空气状态的变化过程福州大学化工原理电子教案 固体干燥- 4 - 4（1）加热与冷却过程若不计换热器的流动阻力，湿空气的加热或冷却属等压过程。加热 始态 A终态 B，因 与 不变，为等 过程， ， ，吸收水汽能力；pvHt冷却过程 始温为 ，若终温 ，则为等 过程；若终温 ，则过程为 ADE 所示，必1td2td3t有部分水汽凝结为水，空气的湿度降低 ，每千克绝干空气析出的水分量为23 31H（2）绝热增强过程，前已述及等 线变化I（3）两股气流的混合，P 329 图 14-8 及衡算式14.2.3
12、 水分在气固两相间的平衡（1）水分与物料的结合方式根据水分与物料的结合方式，可分为附着水分 是指湿物料表面的机械附着的水分，它的存在是与液体水相同的。因此，其特征是：在任何温度下，湿物料表面上附着水分的蒸汽压 等于同温度下纯水的饱和蒸汽压 ，即 。MpspsMp毛细管水分 是指湿物料内毛细管中所含的水分。由于物料的毛细管孔道大小不一，孔道在物料表面上开口的大小也各不相同。直径较小的毛细管中的水分，根据物理化学表面现象知识知，由于凹表面曲率的影响，其平衡蒸汽压 低于同温度下纯水的饱和蒸汽压 即 ，而且水的蒸汽压将随着epspse干燥过程的进行而下降，因为此时已逐渐减少的水分是存留于更小的毛细管中
13、，这类物料称为吸水性物料。溶胀水分 是指物料细胞壁或纤维皮壁内的水分，是物料组成的一部分，其蒸汽压低于同温度下纯水的蒸汽压 。sep化学结合水分 如结晶水等，是靠化学结合力， 。这种水分的出去，不属于干燥的范围。sep（2）结合水分与非结合水分根据物料中水分除去的难和易来划分，可分为结合水分和非结合水分。总水分=结合水分+ 非结合水分干燥传质推动力可表示为 ，对一定 ， ， ，易干燥。vepvep的水分（附着水分和直径大的毛细管中的水分） ， 大，易干燥除去，称为非结合水分。sep的水分（溶胀水分和直径小的毛细管中的水分） ， 小，难干燥除去，称为结合水分。（3）平衡蒸汽压曲线一定温度下湿物料
14、的平衡蒸汽压 与含水量 的关系大致如图所示。epX物料中只要有非结合水分存在而不论其数量多少其平衡蒸汽压 不会变化，总等于纯水的饱和蒸汽ep压 。当含水量减少时，非结合水分不复存在，此后首先除去结合较弱的水，余下的是结合较强的水，sp因而平衡蒸汽压 逐渐下降。eP结合水分与非结合水分都很难用实验的方法直接测定，但是根据它们的特点，可利用平衡关系外推得到。为此可将上述平衡曲线用另一种形式表示，即以湿空气的相对湿度 （ ）代替平衡蒸汽压svp作为纵坐标，如图所示。为什么 均为结合水分？ ，ep11svpv平衡 为结合水分总水分 ，结合水分 ，非结合水分sveptXmaxmaxtXP322 图 14
15、-11 为几种物料的平衡曲线。记住：在一定温度下，物料结合水分与非结合水分的划分只取决于物料本身的特点，而与空气的状态无关。（4）平衡水分与自由水分根据物料在一定的干燥条件下其中所含水分能否用干燥的方法除去来划分，可分为平衡水分和自由水分福州大学化工原理电子教案 固体干燥- 5 - 5若将某物料与一定状态的空气（ ， ）接触，当物料表面的平衡蒸汽压 （湿空气中的水tvep蒸汽分压）则物料被除去水分进行干燥过程；当 ，则物料吸收水分进行吸湿过程；当 时，vep vep则物料中的水分与空气中的水分处于平衡状态，即物料中的水分不再因与空气的时间如何延长而发生变化。此时物料中所含水分称为该物料在一定状
16、态下的平衡水分 。平衡水分因物料种类不同而有很大的*X差别（如图 14-11 中 1.2 两种物料的 接近零，而 3.4、 5.6、7 几种物料 就较高） ；同一种物料的平衡*X*水分也因空气状态不同而异（如空气 相同但 变 也变） 。t*由图 14-11 还可看出，当空气的 时，任何物料的平衡水分 均等于零，由此可知只有使物料0与相对湿度 的绝干空气相接触，才有可能获得绝干的物料。若物料与一定相对湿度 的空气进行接0 触，物料中总有一部分水分不能被除去，这部分水分就是平衡水分 ，因此平衡水分代表物料在一定空*X气状态下能被干燥的限度。物料中所含的水分大于平衡水分 的那部分称为自由水分。自由水分是能用干燥的方法除去的水*X分。自由水分（能被干燥除去的水分） )()(*maxaxt*t 平衡水分 、自由水分 的划分不仅与物料的特性有关，而且还取决于空气的状态，即使同一种物料*X若空气的状态不同，则其平衡水分 和自由水分 的值也不相同。
