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第6章 固体干燥
6.2湿空气的性质
本章以空气作干燥介质，水是湿分为讨论对象.
我们赖以呼吸、生存的空气 = 绝干空气 + 水蒸汽
通常用两个参数来表征空气中所含水分的大小：湿度 H 及相对湿度 φ
当空气中水气 p≤ps
不饱和
饱和
空气。
一、湿度（湿含量）H
一、定义：湿空气中所含水蒸汽的质量与绝干空气质量之比。
nw：湿空气中水汽的摩尔数，kmol；
ng：湿空气中绝干空气的摩尔数，kmol；
Mw：水汽的分子量，kg/kmol；
Mg：空气的平均分子量， kg/kmol。
当湿空气可视为理想气体时，则有：
式中：pw为空气中水蒸汽分压。
即：
当总压P为一定值，
当湿空气中水蒸汽分压 pw 恰好等于同温度下
水蒸汽的饱和蒸汽压 ps时，则表明湿空气达到饱和，此时的湿度H为饱和湿度Hs。
二、相对湿度
定义：在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pw与
同温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数。
即：
即：
结论：
湿度 H 只能表示出水汽含量的绝对值，而相对湿度却能反映出湿空气吸收水汽的能力。
当 φ =1时：
pw = ps，湿空气达饱和，不可作为干燥介质；
当 φ <1时：
pw < ps，湿空气未达饱和，可作为干燥介质。
φ越小，湿空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。
【例题】
湿空气中水的蒸汽分压 pw=23mmHg，总压 P=760mmHg，求20℃ 时的相对湿度 ；若空气分别被加热到40℃和100℃，求 值 。
相对湿度 φ 与湿度 H 的关系：
三、湿空气的比热与焓
1、湿比热（湿热）cH [kJ/kg干气 ℃]
定义：在常压下，将1kg干空气和其所带有的Hkg水
汽升高温度1℃所需的热量。
：干空气比热 = 1.01 kJ/kg干气 ℃
：水汽比热 = 1.88 kJ/kg水汽 ℃
式中
2、焓（热含量）I [kJ/kg干气]
定义：湿空气的焓为干空气的焓与水汽的焓之和。
计算基准：
以0℃干空气及0℃液态水的焓值为0作基准。
因此，对于温度为t、湿度为H 的湿空气，其焓值包括由0℃的水变为0℃水汽所需的潜热及湿空气由0℃生温至t℃所需的显热之和。
即：
式中：
I：温度为t、湿度为H的湿空气的焓值。[kJ/kg干气]；
Ig：干空气的焓值。 [kJ/kg干气]；
Iv：水汽的焓值。 [kJ/kg水汽]；
r0：0℃时水的汽化潜热。r0=2492 kJ/kg水汽。
四、湿空气的比容（湿容积）υH [m3湿空气/kg干气]
定义：每单位质量绝干空气中所具有的湿空气（绝干
空气和水蒸汽）的总体积。
式中：
：压力P 、温度t下湿空气比容。 [m3湿气/kg干气]
：压力P 、温度t下干空气比容。 [m3干气/kg干气]
：压力P 、温度t下水汽比容。 [m3水/kg水]
、
的数值为：
所以：
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。
湿度H与露点 td 的关系：
五、露点 td
pd：td下的饱和蒸汽压。
露点温度td
湿空气在等H下冷却至饱和的温度。
或
∵处在等H下，∴ Hs,td = H
干球温度t是用普通温度计测得的湿空气的真实温度。
湿球温度计在空气中所达到的平衡或稳定的温度。
湿球温度计：温度计的感温球用纱布包裹，纱布用水
保持湿润，这支温度计为湿球温度计。
不饱和空气的湿球温度 tw低于干球温度 t。
六、干球温度 t
七、湿球温度 tw
湿球温度计工作原理分析
八、绝热饱和(冷却)温度tas
饱和空气
tas,Has,Ias
空气
t,H,I
tas
填料
绝热饱和冷却塔
空气增湿降温
增湿至饱和
保温良好
由湿球温度的经验，可知：tas＜t 。
湿空气在绝热条件下达饱和时的温度。
补水(tas)
湿球温度 tw 与绝热饱和温度 tas 的关系：
tw ：大量空气与少量水接触，空气t、H的不变；
tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。
tw ：是传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡；
tas ：是由热量横算与物料衡算导出的，属于静平衡。
tw 与 tas 数值上的差异取决于α/kH 与cH两者之间的差别。
☆ 湿含量的测定和温度间的关系
温度间的关系如下 (空气-水系统) ：
不饱和空气 t＞tas (或tw)＞td
饱和空气 t = tas (或tw) = td
若已知湿空气的温度和湿度(湿含量) ，则湿空气的状态可以确定。其中温度直接测定，湿度则通过测定干、湿球温度(或露点温度)计算推出。
三、空气的湿度图及其应用
1、湿度图的构造
等H线
等t线
等相对湿度线
等焓线
绝热冷却线
水蒸汽分压线
几条线
(1）等H线（等湿度线）
等线为一系列平行于纵轴的直线。
（2）等t 线（等温线）
等t 线为一系列平行于横轴（不是水平辅助轴）的直线
（3）等I线（等焓线）
（4）等φ线（等相对湿度线）
注意：①当H一定时，t↑，φ ↓，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；
②φ=100%的线称为饱和曲线，线上各点空气为水蒸气所饱和，此线上放为未饱和区（φ <1），在这个区域的空气可以作为干燥介质。此线下方为过饱和区域，空气中含雾状水滴，不能用于干燥物料；
③H-I图是以总压p=100kPa为前提绘制的，因此当φ一定，t≥ 99.7℃时，ps=100kPa=p，H=常数，等φ线（图中φ=5%与φ=10%两条线）垂直向上为直线与等H线重合。
（5）pv线(水蒸汽分压线)
pv线标于p=100%线的下方，表示pv与H之间的关系。
由
得
(6)　绝热冷却线
　　　由下式知
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　绝热冷却线是一条近似沿着点(t,H)和点(tas,Has)之间变化的直线,其斜率为-cH/ras。
此外还有:
(7).　湿比热线
　　　据cH=1.01+1.88H绘制。
(8).　干空气比容线
　　　据va=0.773(273+t)/273绘制。
(9).　饱和比容线
　　　据vHS=(0.773+1.244HS)(273+t)/273绘制。
2、湿度图的应用
H-I图中的任意一点A代表一个确定的空气状态，其t、tw、H、φ 、I等均为定值。已知湿度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H-I图查得。
t-H、t-tw、t-td、t-φ是相互独立的两个参数，可确定唯一的空气状态点A；
td-H、pv-H、td-pv（都在同一条等温线上），tw-H（在同一条等H线上），不是彼此独立的参数，不能确定空气的状态点A。
结论：
因此，提高湿空气温度 t，不仅提高了湿空气的焓值，使其作为载热体外，也降低了相对湿度使其作为载湿体。
四. 湿空气状态的变化过程
（1）加热与冷却过程
（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。
①加热过程
始态A→终态B，因pv与p不变，为等H过程，t↑，φ ↓，吸收水汽能力↑；
②冷却过程
始温为t1，若终温t2>td，则为等H过程；若终温t3>td，则过程为ADE所示，必有部分水汽凝结为水，空气的湿度降低H3（2）绝热增强过程，前已述及等线变化
（3）两股气流的混合，衡算式
总物料衡算式：
水分衡算式：
焓衡算式：
6.3湿物料中水分的性质
(一)水与物料不同的结合方式
1.吸附水分 ①吸水性物料以吸附力结合
的水分.；
②湿物料粗糙表面上机械地
附着的水分
2.毛细管水分(多孔性物质)
①较大毛细管孔隙内水分同机械吸
附水分；
②较小毛细管孔隙内水分受毛细管力作用。
物料在结晶过程中以化学力结合的水分。
。
渗透进物料的细胞壁中，使物料体积增加，并成为物料的组成部分，极难脱除。
4.化学结合水分(不在干燥之列)
3.物料细胞壁内水分(溶胀水分)
(二)物料中的水分分类：
1、平衡水分与自由水分：根据物料中所含水分在一定的条件下能否用对流干燥的方法将除去来划分为平衡水分和自由水分。
（1） 平衡水分（X*）—不能用干燥方法除去的水分。
X* = f（物料种类、空气性质）
（2） 自由水分（X－X*——可用干燥方法除去的水分。
如将某一物料与一定温度及湿度地空气相接触，物料将被除去或吸收水分，直到物料表面所产生的水蒸汽压力与空气中的水蒸汽压力相等为止，而使物料的含水量达于一定数值，此数值称为该光线状态下此物料的平衡含水量。
平衡水分因物料种类的不同有很大的差别；同一种物料的平衡水分也因空气状态的不同而异。
只有使物料与相对湿度百分数为零的空气相接触，才能获得绝干的物料；反之如果使物料与一定湿度的空气接触，物料中总有一部分水（即平衡水分）不能除去。故平衡水分是在一定的空气状态下物料可以被干燥的最大限度。
结合水是指存在于物料细胞壁内的水分、小毛细管中的水分以及胶体结构物料中的水分等。这些水分与物料结合力强，因此结合水分的特点是产生低蒸汽压，即其蒸汽压低于同温度下纯水的蒸汽压，所以结合水是较难除去的水分。
非结合水是指存在于物料表上的润湿水以及颗粒堆积层中的大空隙中的水分等。这些水与物料结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，因此非结合水的气化与纯水的气化相同，在干燥过程中易被除去。
2、结合水分与非结合水分
结合水与非结合水分都很难用实验方法直接测定，但可根据它们的特点，而利用平衡关系外推得到。在一定温度下，物料中的结合水与非结合水的划分，只取决于物料本身的特性，而与其接触的空气无关。
平衡水分一定是结合水分。
φ
100％
50％
X
自由水分
结合水分
非结合水
总水分
平衡水分
【例题】在常压25℃下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：相对湿度 φ＝100%，平衡含水量X*＝0.02 kg水/kg干料相对湿度 φ＝40%，平衡含水量X*＝0.007 kg水/kg干料，现ZnO的含水量为0.25 kg水/kg干料，令其与25℃， φ＝40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。
案例分析
练习题
常压下,已知25℃时氯化镁物料的气固两相水分的平衡关系是:当Φ=100%时,X*=0.02㎏水/ ㎏绝干物料;当Φ=40%时, X*=0.007㎏水/ ㎏绝干物料.设氯化镁的含水量为0.25㎏水/ ㎏绝干物料,若t=25 ℃,与 Φ=40%的恒定空气长时间充分接触,试问物料的平衡含水量,自由含水量,结合水,非结合水的含水量是多少

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