濕空氣的性質(zhì)與濕度圖

1、8.2.1 濕空氣的性質(zhì),8.2.2 空氣的濕度圖及其應(yīng)用,8.2 濕空氣的性質(zhì)與濕度圖,8.1.1濕空氣的性質(zhì),濕空氣：含有濕分的空氣。,基準(zhǔn)：干燥過(guò)程中，絕干空氣的質(zhì)量不變。,干燥計(jì)算以單位質(zhì)量絕干空氣為基準(zhǔn)。,表征空氣中所含水分的大小通常用兩個(gè)參數(shù)：,相對(duì)濕度φ,,濕度H,一、濕度（濕含量）H,定義：濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量與絕干空氣 質(zhì)量之比。,濕空氣是由水蒸汽和絕干空氣構(gòu)成。,P 濕空

2、氣的總壓（kN/m2），即P干空氣 與P水之和。干燥過(guò)程中系統(tǒng)總壓基本上恒定不變。,系統(tǒng)總壓 P ：,（8-1）,（8-2）,（8-3）,1、定義式,（8-4）,na——濕空氣中干空氣的千摩爾數(shù)，kmol；,nv——濕空氣中水蒸汽的千摩爾數(shù)，kmol。,式中：,Ma——干空氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；,Mv——水蒸氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；,2、以分壓比表示,式中：,pv——水蒸汽分壓，N/m2,P——濕空氣總壓，N/m2,（8-

3、5）,當(dāng)濕空氣可視為理想氣體時(shí)，則有：,pv——空氣中水蒸汽分壓力；,式中：,（8-5）,pg——干空氣分壓力；,即：,當(dāng)P為一定值時(shí)，,（8-6）,（8-8）,（8-7）,濕度H與總壓力P及水汽分壓力pv有關(guān)。 pv增大或P減小，則H增大。,3、飽和濕度Hs：,式中：,ps——同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓，N/m2,注：由于水的飽和蒸汽壓只與溫度有關(guān)，故飽和 濕度是濕空氣總壓和溫度的函數(shù)。,當(dāng)濕空氣中水蒸汽分壓 pv 恰

4、好等于同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓 ps時(shí)，則表明濕空氣達(dá)到飽和，此時(shí)的濕度H為飽和濕度Hs。,（8-9）,二、相對(duì)濕度?,1、定義式：,,（8-10）,定義：,在一定溫度及總壓下，濕空氣的水汽分壓pv與同溫度下水的飽和蒸汽壓ps之比的百分?jǐn)?shù)。,（8-11）,即：,2、意義：,相對(duì)濕度表明了濕空氣的不飽和程度，反映濕空氣吸收水汽的能力。,當(dāng)φ=1（或100%）， pv = ps：,表示空氣已被水蒸汽飽和，不能再吸收水汽，已無(wú)干燥能力。不可

5、作為干燥介質(zhì)；,φ愈小，即Pv與Ps差距愈大，表示濕空氣偏離飽和程度愈遠(yuǎn)，干燥能力愈大。,濕空氣未達(dá)飽和，能夠再吸收水汽，可作為干燥介質(zhì)。,當(dāng) φ <1時(shí)，pv< ps：,3、H、φ、t 之間的函數(shù)關(guān)系：,（8-13）,（8-12）,可見(jiàn)，對(duì)水蒸汽分壓相同，而溫度不同的濕空氣，若溫度愈高，則Ps值愈大，φ值愈小，干燥能力愈大。,濕度 H 只能表示出水汽含量的絕對(duì)值，而相對(duì)濕度卻能反映出濕空氣吸收水汽的能力。,三、濕比熱cH：

6、,在常壓下，將1kg干空氣和其所帶的Hkg水蒸氣的溫度升高1℃所需的熱量。簡(jiǎn)稱(chēng)濕熱。,（8-14）,定義：,Cv——水蒸汽比熱, 其值約為1.88 kJ/kg干空氣·℃,式中：,Cg——干空氣比熱，其值約為1.01 kJ/kg干空氣·℃,四、焓I：,濕空氣的焓為單位質(zhì)量干空氣的焓和其所帶Hkg水蒸汽的焓之和。,計(jì)算基準(zhǔn)：0℃時(shí)干空氣與液態(tài)水的焓等于零。,,（8-15）,I——溫度為t、濕度為H的濕空氣的焓值。

7、 [kJ/kg 干氣]；,Ig——干空氣的焓值。 [kJ/kg干氣]；,Iv——水汽的焓值。 [kJ/kg水汽]；,式中：,r0——0℃時(shí)水的汽化潛熱，其值為2492kJ/kg。,因此，對(duì)于溫度為t、濕度為H 的濕空氣，其焓值包括由0℃的水變?yōu)?℃水汽所需的潛熱及濕空氣由0℃生溫至t℃所需的顯熱之和。,討論：,1×t×cg ：t℃絕干空氣的焓；,Hr0+cHt：0℃水變成0℃汽再變成t℃汽的焓；,濕空氣的焓值

8、只與濕空氣的濕度及溫度有關(guān)。,即：,五、濕空氣比容VH,定義：每單位質(zhì)量絕干空氣與所具有的HKg濕空氣 （絕干空氣和水蒸汽）的總體積。,（8-16）,式中：,VH——壓力P 、溫度t下濕空氣比容。 [m3濕氣/kg干氣],其中：,（8-17）,Vg——壓力P 、溫度t下干空氣比容。 [m3干氣/kg干氣],Vw——壓力P 、溫度t下水汽比容。 [m3水/kg水],（8-18）,（8-1

9、9）,所以：,當(dāng)總壓力P為一定值時(shí)，,濕比容隨其溫度和濕度的增加而增大。,另外：濕空氣密度,（8-20）,（8-21）,六、露點(diǎn) td,濕度H與露點(diǎn) td 的關(guān)系：,式中：,1、定義：一定壓力下，將不飽和空氣等濕降溫至 飽和，出現(xiàn)第一滴露珠時(shí)的溫度。,（8-22）,Hs——為露點(diǎn)td時(shí)水的飽和濕度；,Pd——為露點(diǎn)td時(shí)水的飽和蒸汽壓, 也就是該 空氣在初始狀態(tài)下的水蒸汽分壓pv ，

10、 pv = pd,2、計(jì)算td：,計(jì)算得到Pd ，查其相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，即為該濕含量H和總壓P時(shí)的露點(diǎn)td。,（8-23）,3、同樣地，由露點(diǎn)td和總壓P可確定濕含量H。,（8-24）,七、干球溫度t,定義：在空氣流中放置一支普通溫度計(jì)，所測(cè)得 空氣的溫度為t，相對(duì)于濕球溫度而言，此 溫度稱(chēng)為空氣的干球溫度。,八、濕球溫度 tw,溫度計(jì)的感溫球用紗布包裹，紗布

11、用水保持濕潤(rùn)，這支溫度計(jì)為濕球溫度計(jì)。,1、濕球溫度計(jì)：,濕球溫度計(jì)在空氣中所達(dá)到的平衡或穩(wěn)定的溫度，以tw表示。,2、濕球溫度：,不飽和空氣的濕球溫度 tw低于干球溫度 t 。,,圖8-3 干濕球溫度計(jì),水分汽化所需潛熱，首先取自濕紗布的顯熱，使其表面降溫，于是在濕紗布表面與氣流之間又形成了溫度差，這一溫度差將引起空氣向濕紗布傳遞熱量。,3、過(guò)程分析：,當(dāng)不飽和空氣流過(guò)濕球表面時(shí)，由于濕紗布表面的飽和蒸汽壓大于空氣中的水蒸汽分壓，在

12、濕紗布表面和氣體之間存在著濕度差，這一濕度差使?jié)窦啿急砻娴乃制粴饬鲙ё撸?空氣以對(duì)流方式傳給水的熱量速率 =水分汽化所需的熱量,,當(dāng)單位時(shí)間由空氣向濕紗布傳遞的熱量恰好等于單位時(shí)間自濕紗布表面汽化水分所需的熱量時(shí)，濕紗布表面就達(dá)到一穩(wěn)態(tài)溫度，即濕球溫度。,4、計(jì)算式：,當(dāng)濕球溫度計(jì)上溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，空氣向棉布表面的傳熱速率為：,（8-25）,氣膜中水汽向空氣的傳遞速率為 ：,在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳熱速率與傳質(zhì)速率之間關(guān)系為

13、 ：,（8-28）,（8-27）,（8-26）,—— 濕球溫度 tw 定義式,（8-29）,Hw——濕空氣在溫度為tw下的飽和濕度， kg水/kg干氣；,式中：,H——空氣的濕度，kg水/kg干氣；,rw——濕球溫度tw下水的汽化熱，kJ/kg；,kH——以濕度差為推動(dòng)力的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)， kg/（m2s△H)；,α——空氣至濕紗布的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2 ?℃；,,圖8-4 濕球溫度計(jì)

14、工作原理,5、影響濕球溫度tw的三方面因素：,1）物系性質(zhì)：與α 、 kH有關(guān)的物性；,2）空氣狀態(tài)：t、H；,3）流動(dòng)條件： α/kH ；,6、實(shí)驗(yàn)表明：,當(dāng)流速足夠大時(shí)，熱、質(zhì)傳遞均以對(duì)流為主，且kH及α都與空氣速度的0.8次冪成正比，比值α/kH近似為一常數(shù)（對(duì)水蒸汽與空氣的系統(tǒng)，α/kH=0.96～1.005）。此時(shí)，濕球溫度tw為濕空氣溫度t和濕度H的函數(shù)。,（8-30）,當(dāng)溫度t和濕度H一定時(shí)，濕球溫度tw為定值。,7、討論

15、：,1）在測(cè)量濕球溫度時(shí)，空氣速度一般需大于 5m/s，使對(duì)流傳熱起主要作用，相應(yīng)減少熱 輻射和傳導(dǎo)的影響，使測(cè)量較為精確。,2）在實(shí)際生產(chǎn)中，常常利用干、濕球溫度計(jì)來(lái) 測(cè)量空氣的濕度。,3）tw ＜t，H增加， tw 接近t ；當(dāng)φ=1時(shí)， tw =t 。,4）通過(guò)測(cè)定tw 和t，可測(cè)定氣體濕度H；,5）表面充分潤(rùn)濕的物料與濕空氣接觸時(shí)，物料 表面溫度為濕球溫度tw,,九、絕熱飽和溫度t

16、as,1、定義：絕熱飽和過(guò)程中，氣、液兩相最終達(dá) 到的平衡溫度稱(chēng)為絕熱飽和溫度。,2、絕熱飽和過(guò)程：,不飽和空氣在與外界絕熱的條件下和大量的液體接觸，若時(shí)間足夠長(zhǎng)，使傳熱、傳質(zhì)趨于平衡，則最終空氣被液體蒸汽所飽和，空氣與液體溫度相等，此過(guò)程稱(chēng)為絕熱飽和過(guò)程。,,3、絕熱飽和過(guò)程說(shuō)明：,,8.5,圖8.5表示了在一絕熱良好的增濕塔中，濕度H和溫度t的不飽和空氣由塔底引入，水由塔底經(jīng)循環(huán)泵送往塔頂，噴淋而下；

17、與空氣成逆流接觸，然后回到塔底再循環(huán)使用。,在該過(guò)程中，水量很大，達(dá)到穩(wěn)定后，全塔的水溫相同，設(shè)為tas。,氣液在逆流接觸中，由于空氣處于不飽和狀態(tài)，水分則不斷汽化進(jìn)入空氣。,,此時(shí)，空氣已被水分所飽和，液體不再汽化，氣體的溫度也不再降低，達(dá)到入口氣體在絕熱增濕過(guò)程的極限溫度，其值與水溫tas相同，即為該空氣的絕熱飽和溫度。,又由于系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換，水分汽化所需汽化潛熱只能取自空氣的顯熱，于是氣體沿塔上升時(shí)，不斷地冷卻和增濕，若塔足

18、夠高，使得氣、液有充足的接觸時(shí)間，氣體到塔頂后將與液體趨于平衡，達(dá)到過(guò)程的極限。,由于循環(huán)水不斷汽化至空氣中，所以須向塔內(nèi)補(bǔ)充一部分溫度為tas的水。,此時(shí)氣體的濕度為tas下的飽和濕度Has。,塔內(nèi)底部的濕度差和溫度差最大，頂部為零。,除非進(jìn)口氣體是飽和濕空氣，否則，絕熱飽和溫度總是低于氣體進(jìn)口溫度，即tas＜t。,以單位質(zhì)量的干空氣為基準(zhǔn)，在穩(wěn)態(tài)下對(duì)全塔作熱量衡算，氣體放出的顯熱=液體汽化的潛熱，即：,4、計(jì)算式：,或,（8-31）

19、,（8-32）,ras ——tas溫度下水的汽化潛熱，kJ/kg水；,cH ——濕空氣的比熱， kJ/kg干氣? ℃,Has——空氣的絕熱飽和濕度，kg水/kg干氣；,式中：,上式表明，空氣的絕熱飽和溫度tas是空氣濕度H和溫度t的函數(shù)，是濕空氣的狀態(tài)參數(shù)，也是濕空氣的性質(zhì)。,當(dāng)t、tas已知時(shí)，可用上式來(lái)確定空氣的濕度H。,在絕熱條件下，空氣放出的顯熱全部變?yōu)樗制臐摕岱祷乜諝庵?，?duì)于1kg空氣來(lái)說(shuō)，水分汽化的量等于其濕度差（Ha

20、s－H），由于這些水分汽化時(shí)，除潛熱外，還將溫度為tas的顯熱也帶至氣體中。,絕熱飽和過(guò)程又可當(dāng)作等焓過(guò)程處理。,所以，絕熱飽和過(guò)程終了時(shí)，氣體的焓比原來(lái)增加了4.187tas（Has－H）。,但此值和空氣的焓相比很小，可忽略不計(jì)，故絕熱飽和過(guò)程又可當(dāng)作等過(guò)焓程處理。,5、特別說(shuō)明：,6、濕球溫度 tw 與絕熱飽和溫度 tas 的關(guān)系：,（i）濕球溫度和絕熱飽和溫度都不是濕氣體本身的溫度，但都和濕氣體的溫度t和濕度H有關(guān)，且都表達(dá)了氣體

21、入口狀態(tài)已確定時(shí)與之接觸的液體溫度的變化極限。,1）相同點(diǎn)：,（ii）對(duì)于空氣和水的系統(tǒng)，兩者在數(shù)值上近似相等。,可以看出 ，當(dāng),,時(shí)，,比較式：,對(duì)空氣和水的系統(tǒng), α/KH=0.96～1.005，濕含量H不大的情況下（一般干燥過(guò)程H＜0.01），CH=1.01+1.88H=1.01～1.03。,由此可知，對(duì)于空氣和水的系統(tǒng)，濕球溫度可視為等于絕熱飽和溫度。,但對(duì)其它物系， α/KH=1.5～2，與cH相差很大；,例如對(duì)空氣和甲苯系統(tǒng)

22、α/KH= 1.8 cH ，此時(shí)，濕球溫度高于絕熱飽和溫度。,如果濕物料足夠潤(rùn)濕，則其表面溫度也就是濕空氣的絕熱飽和溫度tas，亦即濕球溫度tw，而濕球溫度是很容易測(cè)定的，因此濕空氣在等焓過(guò)程中的其它參數(shù)的確定就比較容易了。,因?yàn)樵诮^熱條件下，用濕空氣干燥濕物料的過(guò)程中，氣體溫度的變化是趨向于絕熱飽和溫度tas的。,（ii）tas是大量水與空氣接觸，最終達(dá)到兩相平 衡時(shí)的溫度，過(guò)程中氣體的溫度和濕度都

23、 是變化的；tw是少量的水與大量的連續(xù)氣 流接觸，傳熱傳質(zhì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度，過(guò) 程中氣體的溫度和濕度是不變的。,2）不同點(diǎn)：,（i）tas是由熱平衡得出的，是空氣的熱力學(xué)性 質(zhì)；tw則取決于氣、液兩相間的動(dòng)力學(xué)因 素——傳遞速率。,（iii）絕熱飽和過(guò)程中，氣、液間的傳遞推動(dòng) 力由大變小、最終趨近于零；測(cè)量濕球 溫

24、度時(shí)，穩(wěn)定后的氣、液間的傳遞推動(dòng) 力不變。,以上介紹了表示濕空氣的四種溫度：,干球溫度t；,濕球溫度tw；,絕熱飽和溫度tas；,露點(diǎn)td。,,不飽和濕空氣：t > tw=（tas）>td,比較之有：,飽和濕空氣：t = tw=（tas）= td,,8.2.2 空氣的濕度圖及其應(yīng)用,溫度——濕度圖（簡(jiǎn)稱(chēng)：溫濕圖）,為了便于計(jì)算，將空氣各種性質(zhì)標(biāo)繪在濕度圖中。,濕度圖的形式有兩種：,焓——濕度圖（簡(jiǎn)稱(chēng)：

25、焓濕圖）,,一般常用的濕度圖都是針對(duì)一定的總壓而繪制的。,如圖8-6所示為在總壓P=101.3kN/m2下繪制的溫度——濕度圖（低溫部分）。,8-6,用公式計(jì)算濕空氣的性質(zhì)比較繁瑣，有時(shí)還要用到試差（如計(jì)算tw）。,本章主要研究的圖是焓——濕度圖。,另外，空氣的狀態(tài)變化過(guò)程在圖中表示亦比較形象直觀。,若將濕空氣的各種性質(zhì)繪成圖，利用圖查取濕空氣的有關(guān)參數(shù)，則比較簡(jiǎn)便。,,在總壓p一定時(shí)，上述濕空氣的各個(gè)參數(shù)（t、pv、H、φ、I、tw等

26、）中，只有兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的，即規(guī)定兩個(gè)互相獨(dú)立的參數(shù)，濕空氣的狀態(tài)即被唯一地確定。,工程上為方便起見(jiàn)，將諸參數(shù)之間的關(guān)系在平面坐標(biāo)上繪制成濕度圖。,一、焓濕圖,空氣濕度圖的繪制：,I-H圖是以總壓p=101.33×105kPa為前提畫(huà)出的，p偏離較大時(shí)此圖不適用。,縱坐標(biāo)為I（kJ/kg絕干氣）；,橫坐標(biāo)為H（kg水汽/kg絕干空氣）；,注意：,兩坐標(biāo)的交角為135°（不是90°）！,,是將橫軸上的濕度值H

27、投影到輔助坐標(biāo)上的，便于讀圖，而真正的橫坐標(biāo)H在圖中并沒(méi)有完全畫(huà)出。,水平軸（輔助坐標(biāo)）的作用：,使圖中各種曲線群不至于擁擠在一起，從而提高讀圖的準(zhǔn)確度。,目的：,（1）等H線（等濕度線）,等H線為一系列平行于縱軸的直線。,注意：,① 同一等H線上不同點(diǎn)，H值相同，但濕空氣的狀態(tài)不同（在一定p下必須有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)才能唯一確定空氣的狀態(tài)）；,②根據(jù)露點(diǎn)td的定義，H相同的濕空氣具有相等的td，因此在同一條等H線上濕空氣的td是不變的，換句

28、話說(shuō)H、 td不是彼此獨(dú)立的參數(shù)。,,（2）等I線（等焓線）,①同一等I線上不同點(diǎn)，I值相同，但濕空氣狀態(tài)不同；,等I線為一系列平行于橫軸（不是水平輔助軸）的直線。,注意：,②前已述及濕空氣的絕熱增濕過(guò)程近似為等I過(guò)程，因此等I線也就是絕熱增濕過(guò)程線，在同一等I線上，H↑則t↓或H ↓則t ↑，但I(xiàn)不變。,,改寫(xiě)為:,當(dāng)t一定時(shí)， I-H為直線。,t↑，斜率↑，因此各等t線不是平行的直線。,（3）等t線（等溫線）,各直線的斜率為：,（8

29、-32）,,（4）等φ線（等相對(duì)濕度線）,,P固定，當(dāng)φ一定時(shí)，,假設(shè)一個(gè)t，求出ps，可算出一個(gè)相應(yīng)的H ，將若干個(gè)（t，H）點(diǎn)連接起來(lái)，即為一條等φ線。,,注意：,①當(dāng)H一定時(shí)，t↑， φ ↓，吸收水汽能力↑。,所以，濕空氣進(jìn)入干燥器之前須先經(jīng)過(guò)預(yù)熱，以提高其溫度和焓值，有利于載熱外，同時(shí)也是為了降低相對(duì)濕度而有利于載濕；,② φ=100%的線稱(chēng)為飽和曲線，線上各點(diǎn)空氣為水蒸氣所飽和；,此線下方為過(guò)飽和區(qū)域，空氣中含霧狀水滴，不能用

30、于干燥物料；,此線上方為未飽和區(qū)（φ＜1），在這個(gè)區(qū)域的空氣可以作為干燥介質(zhì)；,,③ I-H圖是以總壓p=101.33×103kPa為前提繪制的；,H=常數(shù)，等φ線（圖中φ=5%與φ=10%兩條線）垂直向上為直線與等H線重合。,當(dāng)φ一定，t≥99.7℃時(shí)：,,（5）pv線(水蒸汽分壓線),,pv線標(biāo)于φ=100%線的下方，表示pv與H之間的關(guān)系。,得：,,由：,,二、濕度圖的應(yīng)用,I—H圖中的任意一點(diǎn)A代表一個(gè)確定的空氣狀態(tài)，

31、其t、 tw 、H、φ、I等均為定值。已知濕度空氣的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，即可確定一個(gè)空氣的狀態(tài)A，其他參數(shù)可由I—H圖查得。,t—H、 t—tw 、 t—td、 t—φ、是相互獨(dú)立的兩個(gè)參數(shù)，可確定唯一的空氣狀態(tài)點(diǎn)A；,td—H、 pv—H、 td—pv（都在同一條等溫線上）， tw—I（在同一條等I線上），不是彼此獨(dú)立的參數(shù)，不能確定空氣的狀態(tài)點(diǎn)A。,2）已知濕空氣某兩個(gè)可確定狀態(tài)的獨(dú)立變量，求 該濕空氣的其他參數(shù)和性質(zhì),1）由測(cè)出的

32、參數(shù)確定濕空氣的狀態(tài),a）水與空氣系統(tǒng)，已知空氣的干球溫度t和濕球 溫度tw，確定該空氣的狀態(tài)點(diǎn)A(t，H)。,b）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和td，求原始狀態(tài)點(diǎn) A(t，H)。,c）水與空氣系統(tǒng)中，已知t和φ，求原始狀態(tài)點(diǎn) A的位置。,,,,A,A,圖8-8 在H-I圖中確定濕空氣的狀態(tài)點(diǎn),,,,A,圖8-9 在H-I圖中確定濕空氣的狀態(tài)點(diǎn),例：已知濕空氣的干球溫度t=30℃，相對(duì)濕度φ=0.6，求濕空氣的