1、第二节 湿空气的性质和湿度图湿空气是绝干空气和水气的混合物。对流干燥操作中，常采用一定温度的不饱和空气作为干燥介质，因此首先讨论湿空气的性质。由于在干燥过程中，湿空气中水气的含量不断增加，而绝干空气质量不变，因此湿空气的许多相关性质常以 1kg 绝干空气为基准。7-2-1 湿空气的性质一、湿空气中水分含量的表示方法1水气分压 p 干燥操作压力一定时，湿空气的总压 pt与水气分压 p 和绝干空气分压pg关系如下：pt= p + pg当操作压力较低时，可将湿空气视为理想气体，根据道尔顿分压定律：（7-1）gVn式中 nV湿空气中水气的摩尔数；ng湿空气中绝干空气的摩尔数。2湿度 H 又称湿含量，其
2、定义为单位质量绝干空气所带有的水气质量，即（7-2）gVgVn.M620量湿 空 气 中 绝 干 空 气 的 质湿 空 气 中 水 气 的 质 量式中 H湿空气的湿度， kg 水气/kg 绝干空气；Mv水气的摩尔质量， kg/kmol；Mg绝干空气的摩尔质量， kg/kmol。常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定律：（7-3）pt62.0可见湿度是总压 pt和水气分压 p 的函数。当空气中的水气分压等于同温度下水的饱和蒸气压 ps时，表明湿空气呈饱和状态，此时湿空气的湿度称为饱和湿度 Hs，即（7-4）sts.H620式中 Hs湿空气的饱和湿度，kg 水气/kg 绝干空气；ps空气温度
3、下水的饱和蒸气压，kPa 或 Pa。3相对湿度 在一定温度和总压下，湿空气中的水气分压 p 与同温度下水的饱和蒸气压 ps之比的百分数，称为相对湿度，以 表示：（7-5）%s10当 p=0 时， =0，此时湿空气中不含水分，为绝干空气；当 p=ps时， =1，此时湿空气为饱和空气，水气分压达到最高值，这种湿空气不能用作干燥介质。相对湿度 值愈小，表明湿空气吸收水分的能力愈强。可见，相对湿度可用来判断干燥过程能否进行，以及湿空气的吸湿能力，而湿度只表明湿空气中水气含量，不能表明湿空气吸湿能力的强弱。将式 7-5 代入 7-3 中，有（7-6）stp.H620可见，当总压一定时，湿度是相对湿度和温
4、度的函数。二、湿空气的比热容和焓1湿空气的比热容 cH 又称湿热，以 cH表示。在常压下，将 1kg 绝干空气及其所带有的 Hkg 水气的温度升高（或降低）1时所需吸收（或放出）的热量，称为湿热。cH=cg+cvH （7-7）式中 cH湿空气的比热容，kJ/（kg 绝干空气） ；cg绝干空气的比热容，kJ/（kg 绝干空气） ；cv水气的比热容，kJ/（kg 水气） 。在 273K393K 的温度范围内，绝干空气和水气的平均定压比热容分别为cg=1.01kJ/(kg 绝干空气)和 cv=1.88kJ/（kg 水气） ，则cH=1.01+1.88H （7-8）可见，湿空气的比热容只是湿度的函数。
5、2湿空气的焓 I 湿空气中 1kg 绝干空气及其所带有的 Hkg 水气的焓之和，称为湿空气的焓，以 I 表示。I=Ig+IvH （7-9）式中 I湿空气的焓，kJ/kg 绝干空气；Ig绝干空气的焓，kJ/kg 绝干空气；Iv水气的焓，kJ/kg 水气。本章取 0时绝干空气和液态水的焓为基准，0时水的气化潜热为 r0=2490kJ/kg，则Ig=cgt=1.01t Iv=r0H +cvtHI=cgt+r0H+cvtH=(cg+cvH)t+r0H （7-10）将 cg、 cv及 r0=2490kJ/kg 代入式 7-10，有I=（1.01+1.88 H） t+2490H （7-11）可见，湿空气的
6、焓随空气的温度 t、湿度 H 的增加而增大。三、湿空气的比容湿空气的比容又称湿体积，比体积，它表示 1kg 绝干空气和其所带有的 Hkg 水气的体积之和，用 vH表示。绝 干 空 气湿 空 气kgm13常压下，温度为 t 的湿空气比容计算如下：绝干空气的比容 vg：（7-12）273.027394.tg水气的比容 vV：图 7-3 湿球温度的测量（7-13）27341273184t.t.vV湿空气的比容 vH：（7-14）0t.Vg式中 vH湿空气比容，m 3/kg 绝干空气；vg绝干空气比容，m 3/kg 绝干空气；vv水气的比容，m 3/kg 水气。四、湿空气的温度1干球温度 t 干球温度
7、是湿空气的真实温度，可用普通温度计测得。2露点 td 不饱和湿空气在总压 pt和湿度 H 一定的情况下进行冷却、降温，直至水气达到饱和状态，即 H=Hs， =1，此时的温度称为露点，用 td表示。根据式 7-4：stsp.60可见，在一定总压下，只要测出露点温度 td，便可从手册中查得此温度下对应的饱和蒸气压 ps，从而根据式（7-4）求得空气的湿度。反之若已知空气的湿度，可根据式（7-4）求得饱和蒸气压 ps，再从水蒸气表中查出相应的温度，即为 td。3湿球温度 普通温度计的感温球用湿纱布包裹，纱布下端浸在水中，使纱布一直处于湿润状态，这种温度计称为湿球温度计，见图 7-3 所示。湿球温度计
8、在空气中达到的稳定或平衡的温度称为该空气的湿球温度，用 tw表示。湿球温度计测温原理如下：将湿球温度计置于温度为 t、湿度为 H 的不饱和空气流中（流速通常大于 5m/s，以保证对流传热） ，假定开始时湿纱布上的水温与湿空气的温度 t 相同，空气与湿纱布上的水之间没有热量传递。由于湿纱布表面空气的湿度大于空气主体的湿度 H，因此纱布表面的水分气化到空气中。此时气化水分所需的潜热只能由水分本身温度下降放出的显热供给，因此，湿纱布上的水温下降，与空气之间产生了温度差，引起对流传热。当空气向湿纱布传递的热量正好等于湿纱布表面水气化所需热量时，过程达到动态平衡，此时湿纱布的水温不再下降，而达到一个稳定
9、的温度。这个稳定温度，就是该空气状态（温度 t，湿度 H）下空气的湿球温度 tw。湿球温度 tw是湿纱布上水的温度，它由流过湿纱布的大量空气的温度 t 和湿度 H 所决定。当空气的温度 t 一定时，若其湿度 H 越大，则湿球温度 tw也越高；对于饱和湿空气，则湿球温度与干球温度以及露点三者相等。因此，湿球温度 tw是湿空气的状态参数。当湿球温度达到稳定时，从空气向湿球表面的对流传热速率为Q=S （ t-tw） （7-15）式中 Q空气向湿纱布的传热速率，W； 空气主体与湿纱布表面之间的对流传热系数，W/（m 2） ；S湿球表面积，m 2；t， tw空气的干、湿球温度，。同时，湿球表面的水气向空
10、气主体的传质速率为N=kHS（ Hw H） （7-16）式中 N传质速率，kg 水/s；kH以湿度差为推动力的对流传质系数，kg 水/（m 2sH） ；Hw湿球温度 tw下空气的饱和湿度，kg 水/kg 绝干空气。单位时间内，从空气主体向湿球表面传递的热量 Q，正好等于湿球表面水气化所需热量，这部分热量又由水气带回到空气主体中，则WHWrSktS整理得 （7-17）ar式中 rW湿球温度 tW下水的气化潜热，kJ/kg。实验证明 与 kH都与 Re 的 0.8 次方成正比，所以 /kH值与流速无关，只与物质性质有关。对于空气-水系统，/ kH1.09。可见，湿球温度是空气的温度和湿度的函数。在
11、一定压强下，只要测出湿空气的 t 和 tw，就可根据式 7-17 确定湿度 H。测湿球温度时，空气的流速应大于 5m/s，以减少热辐射和导热的影响，使测量结果精确。4绝热饱和温度 tas 绝热饱和温度是湿空气经过绝热冷却过程后达到稳态时的温度，用 tas表示。绝热饱和温度的测量见图 7-4。设有温度为 t、湿度为 H 的不饱和空气在绝热饱和塔内和大量水充分接触，水用泵循环，使塔内水温完全均匀。若塔与周围环境绝热，则水向空气中气化所需的潜热，只能由空气温度下降而放出的显热供给，同时水又将这部分热量带回空气中，因此空气的焓值不变，湿度不断增加。这一绝热冷却过程，实际上是等焓过程。绝热冷却过程进行到
12、空气被水气饱和时，空气的温度不再下降，而与循环水的温度相同，此时的温度称为该空气的绝热饱和温度 tas，与之对应的湿度称为绝热饱和湿度，用Has表示。根据以上分析可知，达到稳定状态时，空气释放出的显热恰好用于水分气化所需的潜热，故cH（ t tas） =ras（ Has H）整理得（7-18）rtasas式中 ras温度为 tas时水的气化潜热，kJ/kg。由式 7-18 可知，湿空气（ t， H）的绝热饱和温度 tas是湿空气在绝热冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度，只由该湿空气的 t 和 H 决定， tas也是空气的状态参数。图 7-4 绝热饱和冷却塔示意图1塔身；2填料；3循环泵实验测定
13、证明，对空气-水物系，/ kH cH，所以可认为 tas tW对有机液体，如乙醇、苯、甲苯、四氯化碳与水的系统，其不饱和气体的 tW高于 tas。湿球温度 tw和绝热饱和温度 tas都是湿空气的t 与 H 的函数，并且对空气-水物系，二者数值近似相等，但它们分别由两个完全不同的概念求得。湿球温度 tW是大量空气与少量水接触后水的稳定温度；而绝热饱和温度 tas是大量水与少量空气接触，空气达到饱和状态时的稳定温度，与大量水的温度 tas相同。少量水达到湿球温度 tW时，空气与水之间处于热量传递和水气传递的动态平衡状态；而少量空气达到绝热饱和温度 tas时，空气与水的温度相同，处于静态平衡状态。从
14、以上讨论可知，表示湿空气性质的特征温度，有干球温度 t、露点 td、湿球温度 tW及绝热饱和温度 tas。对于空气-水物系， tW tas，并且有下列关系。不饱和湿空气 t tas（或 tW） td饱和湿空气 t=tas（或 tW）= td （7-19）【例 7-1】 已知湿空气的总压 pt=101.3kPa，相对湿度 =0.6，干球温度 t=30。试求：湿度 H；露点 td；绝热饱和温度；将上述状况的空气在预热器中加热至100所需的热量。已知空气质量流量为 100kg（以绝干空气计）/h；送入预热器的湿空气体积流量，m 3/h。解：已知 pt=101.3kPa， =0.6， t=30。由饱和
15、水蒸气表查得水在 30时的蒸气压 ps=4.25kPa湿度 H 可由式 7-4 求得：kg/kg01625431062620st 按定义，露点是空气在湿度不变的条件下冷却到饱和时的温度，现已知kPa54ps由水蒸气表查得其对应的温度 td=21.4。求绝热饱和温度 tas。按式（7-18）（a）Hcrtasasas/已知 t=30并已算出 H=0.016kg/kg，又cH=1.01+1.88H=1.01+1.880.016=1.04kJ/kg，而 ras、 Has是 tas的函数，皆为未知，可用试差法求解。设 tas=25， pas=3.17kPa， Has=0.622 kg/kg，02.17
16、3.62.0astpras=2434kJ/kg，代入式（a）得 tas=30-（2434/1.04） （0.02-0.016）=20.625。可见所设的 tas偏高，由此求得的 Has也偏高，重设 tas=23.7，相应的pas=2.94kPa， Has=0.6222.94/（101.3-2.94）=0.0186kg/kg， ras=2438kJ/kg，代入式（a）得 tas=30-（2438/1.04） （0.0186-0.016）=23.9。两者基本相符，可认为tas=23.7。预热器中加入的热量Q=100（1.01+1.880.016） （100-30）=7280kJ/h 或 2.02k
17、W送入预热器的湿空气体积流量m3/h825.4603.12794.10V7-2-2 湿空气的 H-I 图当总压一定时，表明湿空气性质的各项参数（ t， p， ， H， I， tW等） ，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，将各参数之同的关系绘制成算图湿度图。常用的湿度图有湿度温度图（ H-t）和焓湿图（ I-H） ，本章介绍焓湿图的构成和应用。一、焓湿图的构成图 7-5 所示为常压下（ pt=101.3kPa）湿空气的 I-H 图。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
18、正交的辅助水平轴上。图中共有五种关系曲线，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湿度值，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。（3）等温线（即等 t 线） 。 将式 7-10 改写成：I=1.01t+（1.88 t+2490） H （7-20）由上式可知，当空气的干球温度 t 不变时， I 与 H 成直线关系，
19、因此在 I-H 图中对应不同的 t，可作出许多条等 t 线。式 7-20 为线性方程，等温线的斜率为（1.88 t+2490） ，是温度的函数，故各等温线相互之间是不平行的。（4）等相对湿度线（即等 线） 等相对湿度线是根据式（7-6）绘制的一组从原点出发的曲线。根据式（7-6）stp.H620可知当总压 pt一定时，对于任意规定的 值，上式可简化为 H 和 ps的关系式，而 ps又是图7-5湿空气的H-I图图 7-6 I-H 图的用法温度的函数，因此对应一个温度 t，就可根据水蒸气表查到相应的 ps值，再根据式 7-6 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
20、 线。根据上述方法，可绘出一系列的等 线群，如图 7-5 所示。=100%的等 线为饱和空气线，此时空气完全被水气所饱和。饱和空气线以上（ 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 值就越低，其吸收水气的能力就越强。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。 =0 时的等 线为纵坐标轴。（5）水气分压线 该线表示空气的湿度 H 与空气中水气分压 p 之间关系曲线，可按式（7-3）作出。式（7-3）可改写为：Hpt62.0由此式可知，当湿空气的总压 pt不变
21、时，水气分压 p 随湿度 H 而变化。水蒸气分压标于右端纵轴上，其单位为 kPa。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。已知湿空气的某一状态点 A 的位置，如图 7-6 所示。可直接读出通过点 A 的四条参数线的数值，它们是相互独立的参数 t、 、 H 及 I。进而可由 H 值读出与其相关但互不独立的参数 p、 td的数值；由 I 值读出与其相关但互不独立的参数 tas tW的数值。例如，图 7-6 中 A 代表一定状态的湿空气，则（1）湿度 H，由 A 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
22、纵轴交于 I 点，即可读得 A 点的焓值。（3）水气分压 p，由 A 点沿等湿度线向下交水蒸气分压线于 C，在图右端纵轴上读出水气分压值。（4）露点 td，由 A 点沿等湿度线向下与 =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 =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） 。通过上述查图可知，首先必须确定代表湿空气状态的点（例如图 7-6 中的 A 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，已知条件是：（1）
23、湿空气的干球温度 t 和湿球温度 tW，见图 7-7（ a） 。（2）湿空气的干球温度 t 和露点 td，见图 7-7（ b） 。例 7-2 附图（3）湿空气的干球温度 t 和相对湿度 ，见图 7-7（ c） 。图 7-7 在 H-I 图中确定湿空气的状态点【例 7-2】 已知湿空气的总压为 101.3kPa 相对湿度为 50%，干球温度为 20。试用I-H 图求解：（a）水气分压 p；（b）湿度 H；（c）焓 I；（d）露点 td；（e）湿球温度 tW；（f）如将含 500kg/h 干空气的湿空气预热至 117，求所需热量 Q。解：见本题附图。由已知条件： pt=101.3kPa， 0=50
24、%， t0=20在 I-H 图上定出湿空气状态 A 点。（a）水气分压：由图 A 点沿等 H 线向下交水气分压线于 C，在图右端纵坐标上读得p=1.2kPa。（b）湿度 H：由 A 点沿等 H 线交水平辅助轴于点 H=0.0075kg 水/kg 绝干空气。（c）焓 I：通过 A 点作斜轴的平行线，读得 I0=39kJ/kg 绝干空气。（d）露点 td：由 A 点沿等 H 线与 =100%饱和线相交于 B 点，由通过 B 点的等 t 线读得 td=10。（e）湿球温度 tW（绝热饱和温度 tas）：由 A 点沿等 I 线与 =100%饱和线相交于 D 点，由通过 D 点的等 t 线读得 tW=14（即 tas=14） 。（f）热量 Q：因湿空气通过预热器加热时其湿度不变，所以可由 A 点沿等 H 线向上与t1=117线相交于 G 点，读得 I1=138kJ/kg 绝干空气（即湿空气离开预热器时的焓值） 。含1kg 绝干空气的湿空气通过预热器所获得的热量为：Q= I1-I0=138-39=99kJ/kg每小时含有 500kg 干空气的湿空气通过预热器所获得的热量为：Q=500Q=50099=49500kJ/h=13.8kW通过上例的计算过程说明，采用焓湿图求取湿空气的各项参数，与用数学式计算相比，不仅计算迅速简便，而且物理意义也较明确。
