湿空气的湿度

湿空气既然是干空气和水蒸气的混合物,因此,要确定它的状态除了必须知道空气的温度t和压力Pb外,还必须知道湿空气的成分,特别是湿空气中所含水蒸气的量。湿空气中水蒸气的含量通常用湿度来表示,其表示方法有以下三种:
绝对湿度
每1m3的湿空气中所含有的水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度。因此,在数值上绝对湿度等于在湿空气的温度和水蒸气的分压力Pv下水蒸气的密度ρv值可由水蒸气表查得,或由下式计算
ρv=mv/V=Pv/RvT
式中mv为水蒸气的质量(kg), Rv为水蒸气的常数。
当保持温度T不变,而使空气中水蒸气的含量增加(绝对湿度ρv增加)时,水蒸气的分压力Pv也增加。直到与干饱和水蒸气线相交于A点,即水蒸气达饱和而为饱和湿空气。此时,水蒸气的含量为最大,ρv=ρn=ρmax

相对湿度
大气中水蒸气的数量,可在0与饱和状态时的密度ρ”之间变动。绝对湿度只表示湿空气中实际水蒸气含量的多少,而不能说明在该状态下湿空气饱和的程度或吸收水蒸气能力的大小。因此,常用相对湿度来表示湿空气的潮湿的程度。相对湿度的定义是湿空气的绝对湿度ρv与同温度下饱和湿空气的绝对湿度ρ”之比,用符号Φ表示即可
Φ=ρv/ρ”=ρv/ρmax
若将湿空气中的水蒸气视为理想气体,则
Pv=RvTρv
Ps=RvTρ”
两式相除,即得
ρv/ρ”= Pv/ Ps
代入(14-3)得
Φ=ρv/ρ”=ρv/ρmax= Pv/ Ps
式中,ρmax表示在温度为t时湿空气中的水蒸气可能达到的最大分压力,即Ps。 T一定时,Pmax(或Ps)相应有一定的值。

上式说明,相对湿度也可用湿空气中水蒸气的实际分压力Pv与温度下水蒸气的含量接近饱和的程度,故也称为饱和度。 Φ值愈小,表示湿空气愈干燥,吸收水分的能力愈强;反之,Φ值愈大,表示湿空气愈潮湿,吸收水分的能力愈弱。当Φ等于0时,则为干空气;Φ等于一时,则为饱和湿空气。所以,不论湿空气的温度如何,由Φ值的大小可直接看出它的干湿程度。

相对湿度通常用干湿温度球计来测量。两支相同类型的温度计,其中之一在测温泡上蒙一浸在水中的湿纱布,成为湿球温度计。将干湿球温度计置于通风处,使空气连续不断地流经温度计,干球温度计上的读数即为空气的温度t。湿球温度计因和湿布直接接触,其读数应为水温。

若空气为饱和湿空气(即Φ=1),则湿布上的水不会汽化,两支温度计上的读数将相同。若空气为未饱和湿空气(即Φ<1),则流经湿布时水会汽化。汽化需要汽化潜热,水的温度将因为汽化放热而下降,水和空气间就形成温差。温差的存在,促使较热的空气传热给较冷的水。水因汽化而放热,又因温差而自空气吸热,如放热量大于吸热量,水温势必继续下降至某一温度时,放热两量和吸热量相等,水温也就不再下降,汽化所需之热完全来自于空气。

此时湿球温度计上的读数称为湿球温度,以符号Tw表示。温度为定值T的空气,所含水蒸气愈少(亦即离饱和状态愈远),其湿球温度也就愈低。因为空气流经湿布时汽化的水分较多,要求更大的温差以便从空气吸取更多的热来满足汽化的需要。由此可见,Tw和空气实际所含的水蒸气的量(或实际的绝对温度)有关。另外,空气的最大绝对湿度取决于空气的温度T。因而Φ和T及Tw之间应有一定的关系Φ=f(T,Tw)。根据这一关系,在测定了空气的T及Tw后,即可求的空气的相对湿度Φ。一般的干湿球温度计上都将=f(T,Tw)列成表,可根据T及Tw直接读出。
比湿度(含湿量)
物料的干燥以及冷却塔中的水的冷却过程,都是利用空气来吸收水分。然而,无论湿空气的状态如何变化,其中干空气的质量总是不变的,而所含的水蒸气的质量在改变。为了分析和计算方便,常采用干空气质量作为计算基准。一定容积的湿空气中水蒸气的质量Mv[kg]之比称为比湿度(或称含湿量),一符号ω表示,即
ω=Mv/Ma=ρv/ρa kg(水蒸气)/kg(干空气)

须特别指出,上式以“kg(干空气)”为计算基准,它不同于1kg质量的湿空气,它是将所含水蒸气的质量ω计算在干空气之外,也即在(1+ω )[kg]水蒸气。由于以1kg质量干空气为基准,这个基准是不随湿空气的状态改变而改变的。所以只要根据比湿度ω的变化,就可以确定实际过程中湿空气的干湿程度。
对于水蒸气和干空气,可写成
Pv=RvTρv
Pa=RaTρa
式中空气的气体常数Ra=287J/(kgK)
水蒸气的气体常数Rv=461.9 J/(kgK)
将以上关系式及式(14-1),即Pb=Pa+Pv代入式,可得
ω=0.622Pv/(Pb-Pv)=0.622ΦPmax/(Pb-ΦPmax) kg(水蒸气)/kg(干空气)

由上式可见,当湿空气的压力Pb一定时,湿空气中的比湿度ω只取决于水蒸气的分压力Pv,即ω=f(Pv)。因此ω和Pv不是互相独立的参数,不能同时作为两个独立参数来确定湿空气的状态。要确定湿空气的状态,除了给定Pv或(ω)外,还需知道另一个独立参数,例如T。

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