湿空气的性质

湿空气的性质
在干燥操作中，不饱和湿空气既是载热体又是载湿体，因而可通过空气的状态变化来了解干燥过程的传热、传质特性，为此，应首先了解湿空气的性质。

干燥过程中湿空气中的水分含量是不断变化的，但绝干空气量不变，故湿空气的各性质参数均以1kg 绝干空气作为基准。

1、湿度Ｈ
湿度又称湿含量，为湿空气中水汽的质量与绝干空气的质量之比，以H表示，单位为kg水汽/kg绝干气，
（5-1）式中:M——摩尔质量，kg/kmol；
Y——湿空气中水汽与绝干气的摩尔比。

（下标v表示水蒸汽、g表示绝干空气。

）
常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定律，由式5-1可得
(5-2)
式中p——水汽的分压，Pa或kPa;
P——总压，Pa或kPa。

当湿空气中的水汽分压等于该空气温度下纯水的饱和蒸汽压时，空气达到饱和,相应的湿度称为饱和湿度，以Hs表示，
(5-3)
式中ps——空气温度下纯水的饱和蒸汽压，Pa或kPa。

显然，湿空气的饱和湿度是温度与总压的函数，而湿度仅与水汽的摩尔比有关。

2、相对湿度Φ
在一定总压下，湿空气中水汽分压p与同温度水的饱和蒸汽压ps的百分比称为相对湿度百分数，简称相对湿度，以Φ表示，
(5-4)
相对湿度代表空气的饱和程度，由其可判断湿空气能否作为干燥介质；而湿度是湿空气含水量的绝对值，由湿度不能判别湿空气能否作为干燥介质。

当p=ps时，j=1，表示湿空气被水汽所饱和，称为饱和空
气，饱和空气不能再吸收水分，因此不能作为干燥介质。

当p=0时，Φ=0，表示湿空气中不含水分，为绝干空气，这时的空气具有最大的吸湿能力。

将式5-4代人式5-2，可得H与Φ的关系式为，
(5-5)
3、比容v H
含1kg绝干气的湿空气之体积称为湿空气的比容，又称为湿容积，以v H表示，单位为m3湿空气/kg 绝干气。

若湿空气视为理想气体，则有，
v H =1kg绝干气的体积+H kg水汽的体积
（5-6）式中t ——温度，℃。

一定总压下，湿容积是温度和湿度的函数。

4、比热容c H
常压下，含1kg绝干气的湿空气之温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量，称为比热容，又称湿热，以c H表示，单位为kJ/(kg绝干气·℃)，
（5-7）
式中c g——绝干空气的比热容，kJ/(kg绝干气·℃)；
c v——水汽的比热容，kJ/(kg水汽·℃)。

在常用温度范围内，c g、c v可按常数处理，c g =1.01kJ/(kg绝干气·℃)，c v =1.88kJ/(kg水汽·℃)。

将其代人式5-7，得
(5-7a)
显然，比热容仅是湿度的函数。

5、焓
含1kg绝干气的湿空气的焓称为湿空气的焓，以I 表示，单位为kJ/kg绝干气，
（5-8）
式中Ig——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气；
Iv——水汽的焓，kJ/kg水汽。

现规定0℃的绝干空气及0℃的液态水的焓值均为0，湿空气焓的计算式为
(5-8a)
式中r0——0℃时水的汽化热，其值为2490kJ/kg。

故式5-8ａ又可以改为
(5-8b)
可看出，湿空气的焓是温度和湿度的函数。

6、温度
（1）干球温度用普通温度计直接测得的湿空气的温度，称为湿空气的干球温度，简称温度，以ｔ表示。

它是湿空气的真实温度。

（2）湿球温度用湿纱布包裹温度计的感温部分（水银球），纱布下端浸在水中，以保证纱布一直处于充分润湿状态，这种温度计称为湿球温度计，如图5-1所示。

将湿球温度计置于温度为ｔ、湿度为Ｈ的流动不饱和空气中，湿纱布中的水分必然要汽化，并向空气主流中扩散；同时汽化吸热使湿纱布中的水温下降，与空气间出现温差，引起空气向水分传热。

当空气传给水分的显热恰好等于水分汽化所需的潜热时，空气与湿纱布间的热质传递达到平衡，湿球温度计上的温度维持恒定。

此时湿球温度计所测得的温度称为湿空气的湿球温度，以ｔw表示。

在上述热质传递过程中，由于空气流量大，可认为湿空气的温度与湿度一直恒定，并保持在初始温度t和湿度Ｈ的状态下。

当达稳定时，空气向湿纱布表面的传热速率为
(5-9)
式中Q——空气向湿纱布的传热速率，W；
α——空气与湿纱布间的对流传热系数，W/(m2·℃）；
S——空气与湿纱布间的传热面积；ｍ2；
t——空气的温度，℃；
tw——空气的湿球温度，即湿纱布表面的温度，℃。

传质速率为
(5-10)
式中N——水汽由相界面向空气主流的扩散速率，kg/s;
kH——以湿度差为推动力的传质系数，kg/(m2·ｓ·ΔＨ）;
——湿球温度tw下空气的饱和湿度，kg/kg绝干气。

在稳定状态下，传热速率与传质速率之间的关系为
(5-11)
式中——湿球温度tw下水汽的汽化热，kJ/kg。

联立式5-9、式5-10及式5-11，并整理得
(5-12)
实验表明，一般情况下上式中的kH和α都与空气速度的0.8次方成正比，故可认为其比值与气流速
度无关，对于空气～水蒸汽系统，=1.09。

湿球温度ｔw不是湿空气的真实温度，它是湿空气温度ｔ和湿度Ｈ的函数。

当湿空气的温度一定时，不饱和湿空气的湿球温度总低于干球温度，空气的湿度越高，湿球温度越接近干球温度，当空气为水汽所饱和时，湿球温度就等于干球温度。

在一定总压下，只要测出湿空气的干、湿球温度，就可用式5-12算出空气的湿度。

应指出，在测湿球温度时，空气的流速应大于5m/s，以减少辐射与导热的影响。

（3）绝热饱和冷却温度湿空气经过绝热饱和冷却（或绝热增湿）过程后所达到的温度，称为湿空气的绝热饱和冷却温度，简称绝热饱和温度，以tas表示。

绝热饱和温度可在如图5-2所示的绝热饱和冷却塔中测得。

设塔与外界绝热，在不饱和空气与大量水充分接触的过程中，水分会不断汽化进入空气中，汽化所需的热量由空气温度下降放出显热供给，水汽又将这部分热量以汽化潜热的形式带回至空气中。

随着过程的进行，空气的温度沿塔高逐渐下降、湿度逐渐升高，若两相有足够长的接触时间，最终空气为水汽所饱和，而温度降到与循环水温相同。

空气在塔内的状态变化是在绝热条件下降温、增湿直至饱和的过程，达到稳定状态下的温度就是初始湿空气的绝热饱和冷却温度，与之相应的湿度称为绝热饱和湿度，以Has表示。

对图5-2的塔作热量衡算，即可求出绝热饱和温度与湿空气其它性质间的关系。

设湿空气入塔的温度为ｔ、湿度为Ｈ，经足够长的接触时间后，达到稳定状态，湿空气离开塔顶的温
度为、湿度为Has。

塔内气液两相间的传热过程为：空气传给水分的显热恰好等于水分汽化所需的潜热。

因此，以单位质量绝干气为基准的热衡算式为
（5-13）
式中
——温度
将上式整理得
（5-14）
上式中的
、Has 是
的函数，cH 是H 的函数。

由此，绝热饱和温度
是湿空气初始温度ｔ和
湿度Ｈ的函数，它是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。

在一定的总压下，只要测出湿空气的初始温度和绝热饱和温度
就可用式5-14算出湿空气的湿度Ｈ。

实验证明，对于湍流状态下的水蒸汽～空气系统，常用温度范围内
与湿空气比热容ｃH 值很接
近，同时
，故在一定温度ｔ与湿度Ｈ下，比较式6-10和式6-14可以看出，湿球温度近似等于绝
热饱和冷却温度，即
(5-15)
但对于水蒸汽～空气以外的系统，式5-15就不一定成立了。

例如甲苯蒸汽～空气系统，
，
此时
,
与tw 就不相等。

对于水蒸汽～空气系统，绝热饱和温度
和湿球温度tw 在数值上近似相等，且两者均为初始湿空气
温度和湿度的函数。

但两者是两个完全不同的概念，区别如下：
（4）露点 将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度称为露点，以td 表示。

显然，露点下的湿度就是露点下的饱和湿度，以
表示，单位为kg/kg 绝干气。

由式5-3得
(5-16)
式中——露点下水的饱和蒸汽压，Pa。

式5-16也可改写为
(5-17)
在一定的总压下，若已知空气的露点，可用式5-16算出空气的湿度；反之，若已知空气的湿度，可用式5-17算出露点下的饱和蒸汽压，再从水蒸汽表中查出相应的温度，即得露点。

根据以上分析，对水蒸汽～空气系统，干球温度t、绝热饱和温度（即湿球温度tw）及露点td三者之间的关系为：
不饱和空气或
饱和空气或。