2.2　干燥介质的热力性质

干燥介质是指物料干燥过程中将热量传给物料，同时又将物料中蒸发出来的水分带走的媒介物质。

太阳能干燥装置中的干燥介质一般为湿空气。由于湿空气中包含水蒸气，同时物料干燥过程中内部的水分将逐渐转换为水蒸气，因此本节除介绍湿空气外，也要简单介绍水蒸气的基本知识。

2.2.1　湿空气的基本知识

（1）湿空气的定义　湿空气是指干空气和少量水蒸气的混合气体。而干空气是指完全不含水蒸气的空气。

由于自然界的水分不断地蒸发，空气中或多或少都含有水蒸气，所以人们通常接触到的空气都是湿空气。不过日常空气中的水蒸气含量很少，可当作干空气计算。但在干燥作业、通风空调、精密仪器、电绝缘以及气象领域，则必须考虑湿空气中水蒸气的含量及其状态。

（2）湿空气的水蒸气分压与气体常数　根据道尔顿定律，湿空气的总压力p等于干空气分压p_a与水蒸气分压p_v之和，即：

p=p_a+p_v　　（2-1）

对于常压干燥，湿空气的总压等于大气压力，即p=B（B为大气压力）。

在一定的容积中，当水蒸气含量不变时，蒸汽分压也不变。在物料干燥过程中，由于物料中水分蒸发到空气中，使空气中的水分增加，则蒸汽分压增大。相反若排出一部分湿气，则蒸汽分压减少。一般情况下湿空气中的水蒸气分压很小，为3000～4000Pa，蒸汽处于过热状态，很接近理想气体。故湿空气可当作理想气体来对待，即可用理想气体状态方程来计算相应的状态参数。

p_ν=RT或pV=mRT　　（2-2）

式（2-2）中，左、右式分别为适于1kg和mkg理想气体的状态方程。式中，p为理想气体的总压力；ν和V分别为理想气体的比容（m³/kg）和总容积（m³）。V=mν；T为气体的热力学温度，K，T=t+273；t为气体的摄氏温度，℃；R为气体常数，J/（kg·K），它与气体的种类有关，可用式（2-3）计算。

　　（2-3）

式中，μ为气体的分子量，如干空气的分子量为28.97，它的气体常数为R_a=287J/（kg·K），水蒸气分子量μ_v=18，则R_v=461.5J/（kg·K）

（3）未饱和湿空气　湿空气中的水蒸气分压p_v低于湿空气温度t所对应的饱和蒸汽压力p_s（t）时，称为未饱和湿空气。这种状态下的湿空气尚有吸收水分的能力，可用作干燥物料的介质。

（4）饱和湿空气　当湿空气中的水蒸气分压等于空气温度t所对应的饱和压力（p_v=p_s）时，称为饱和湿空气。这种状态下的湿空气已不具备吸湿能力，因为饱和湿空气中的蒸汽含量是相应空气温度下的最大值。若超过此极限仍继续向空气中加水分，将有水滴析出，如浴室内滴水的情况。

（5）露点　湿空气中的水蒸气分压所对应的饱和温度称为露点，用t_d表示。当未饱和湿空气中的水蒸气含量p_v不变的情况下，将它冷却至p_v所对应的饱和温度，它就变成饱和湿空气。若继续冷却将有水分析出，在容器壁上出现露珠。干燥室设计选用保温材料时，要求保证在最冷的季节内壁不结露，需要用到露点温度的概念。

（6）绝对湿度与湿容量　单位体积湿空气中所含的水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度（kg/m³）。它在数值上等于湿空气中水蒸气的密度，即：

　　（2-4）

式中，ρ_v为水蒸气的密度，kg/m³；m_v为湿空气中水蒸气的质量，kg；V为湿空气的容积；R_v为水蒸气的气体常数，J/（kg·K）；T为湿空气的绝对温度。

饱和湿空气的绝对湿度称为湿容量，用ρ_s表示。

绝对湿度不能反映湿空气的吸湿能力。例如湿空气温度为18℃，若ρ_v=0.01536kg/m³，已达湿空气的饱和状态；但空气温度为30℃时，ρ_v=0.025kg/m³，空气为未饱和状态，尚有吸湿能力。绝对温度在气象领域能反映可能的降水量大小。

（7）相对湿度　湿空气中水蒸气的实际含量p_v与同温下的最大可能含量（湿容量）p_s的比值，称为湿空气的相对湿度，用φ表示，即：

　　（2-5）

相对湿度的值在0～1之间变化，常用百分率表示（%）。φ=0为干空气，φ=100%为饱和湿空气。φ值的大小反映湿空气接近饱和的程度，即吸湿能力的大小。φ值越小，吸湿能力越强；反之吸湿能力越差。例如晾晒衣服在大风天比阴雨天干得快即是这个原因。

（8）含湿量　含有1kg干空气的湿空气中所含的水蒸气质量称为含湿量，用d表示。

　　（2-6）

式中，m_a、m_v分别为湿空气中的干空气和水蒸气质量；DA表示干空气。

将式（2-1）～式（2-3）及式（2-5）代入式（2-6）得：

　　（2-7）

或

　　（2-8）

从式（2-7）可看出，当大气压力一定时，含湿量只随湿空气中的水蒸气分压（p_v）而变化。因此当湿空气流经加热器时含湿量不会变化；而当它流经材堆时，由于吸收木材蒸发的水分，使含湿量增加。

（9）湿空气的焓　湿空气的焓代表它所携带的能量，它和温度、压力、比容等参数一样，也是一个状态参数。物料干燥中通常用I或H表示mkg湿空气的总焓，而用i或h表示1kg湿空气的比焓。焓无绝对值，一般取0℃时焓值为零。湿空气的焓等于干空气的焓与水蒸气的焓之和。因为湿空气的焓以每千克干空气为计算单位，故实际上是计算（1+0.001d）kg湿空气的焓值H。它等于1kg干空气的焓与0.001dkg水蒸气的焓之和，即：

I=i_a+0.001di_v　　（2-9）

式中，I为湿空气的焓，kJ/kg DA；i_a、i_v分别为1kg干空气和1kg水蒸气的比焓，kJ/kg。从热工学中可知，干空气和水蒸气的比焓分别可按下式计算，即：

i_a=c_pΔt=1.01t　　（2-10）

i_v=2501+1.85t　　（2-11）

式中，c_p为干空气的平均定压比热容，c_p=1.01kJ/（kg·K）；Δt为空气由0℃到t的温升；2501kJ/（kg·K）为0℃时水蒸气的汽化潜热；1.85kJ/（kg·K）为水蒸气的平均定压比热容。

将式（2-9）～式（2-11）合并可求得含1kg干空气的湿空气焓的计算式，即：

I=1.01t+0.001d（2501+1.85t）kJ/kg DA　　（2-12）

2.2.2　湿空气的参数图与表

（1）湿空气的参数图（I-d图）　干燥作业或空调运行中，湿空气的温度（t）、相对湿度（φ）、含湿量（d）、蒸汽分压（p_v）及焓（I或H）等参数，随湿空气所经历过程的不同而变化。为便于确定不同的状态、不同的热力过程、湿空气的状态参数值及其变化情况，以便进行相关的热力计算，工程上编制了湿空气的参数图，称焓-湿图或I-d图。该图是以式（2-5）～式（2-8）等为基础绘制的，湿空气总压力为大气压力B=1×10⁵Pa。如图2-4所示为I-d图的样图，它的纵坐标为焓（I）、横坐标为含湿量（d），图中有五组线图，如下所示。

①等焓线I=cost，为一组由垂直方向略向左倾斜的一组线组成。因为I-d图是斜角坐标，纵横坐标倾角约为171°。热空气流经物料层加热物料，使其水分蒸发过程为等焓过程。

②等含湿量线d=cost，为一组垂线组成。湿空气被加热升温、冷却降温的过程为等含湿量过程。

③等温线t=cost，为一组由水平略向右上方倾的一组线组成。

④等相对湿度线φ=cost，为一组略向上凸的曲线组成，纵坐标为φ=0的干空气线。φ=1为饱和湿空气线，它与纵坐标之间为未饱和湿空气区。

⑤水蒸气分压为常数的线p_v=cost，标在图2-4的右侧。

（2）湿空气的热力学性质表　湿空气的I-d图虽然较直观，但查图较烦琐，且读数不易准确。

我国著名的热力学专家严家教授编制了湿空气的热力性质表，可方便地查阅湿空气的状态参数。表2-1为湿空气热力性质简表，详细的表见附录。表中t为湿空气的温度；d为含湿量；I（H）为湿空气的焓；φ（Ψ）为湿空气的相对湿度；t_w和t_λ分别表示压力为10⁵Pa时，湿空气的湿球温度（t_w>0℃）或冰球温度（t_λ<0℃）。

2.2.3　湿空气热力性质表的应用

（1）查湿空气参数

【例2-1】已知湿空气温度（干球）t=80℃，湿球t_w=60℃，求空气的相对湿度φ、含湿量d及焓H值。

解：查表2-1得φ=40%，d=145.35g/kg DA，H=465.7kJ/kg DA。

（2）确定湿空气的露点

【例2-2】已知湿空气温度t=40℃，相对湿度φ=25%，求湿空气的露点温度t_d。

解：查表2-1，t=40℃，φ=20%时，d=9.31g/kg DA；而t=40℃，φ=30%时，d=14.07g/kg DA。求得t=40℃，φ=25%时的d=（9.31+14.07）÷2=11.69g/kg DA。

由于露点温度是含湿量d和p_v不变的情况下，冷却至饱和时的温度，查表2-1，16℃，φ=1时，d=11.508g/kg DA；17℃，φ=1时，d=12.279g/kg DA，利用插值法，可求得t=40℃，φ=25%时空气的露点温度约为16.1℃。

（3）热力计算　图2-5所示为纵、横坐标夹角为135°的I-d原理图，图中显示了物料干燥过程中两个典型的热力过程。其中A-B为湿空气流经加热器的加热过程。此过程中含湿量d不变（d_A=d_B），温度升高（t_B>t_A）、焓增加（I_B>I_A）。B-C过程为湿空气流经被干物料的过程。此过程中空气加热物料使其蒸发水分，蒸汽所含的热量又回到空气中。因此可以近似认为B-C过程为等焓过程（I_B=I_C）。同时B-C过程中相对湿度增加（φ_C>φ_B），含湿量增大（d_C>d_B）。

【例2-3】已知含100kg干空气的湿空气，空气初态为t₁=40℃，φ₁=65%，经加热器加热至t₂=80℃，求空气的吸热量Q_a。

解：由热工学知，空气经加热器的吸热量等于它焓的增量，即：

Q_a=m_a（I_B－I_A）

已知干空气质量m_a=100kg，查表2-1，t=40℃，φ=55%时的焓I_A=108kJ/kg DA，此状态含湿量d_A=31.39g/kg DA。又从表2-1中查得t=80℃，d=31.3时的焓值I_B=163kJ/kg DA，则空气吸热量为：

Q_A=100×（163－108）=5500（kJ）

【例2-4】已知含有1000kg干空气的湿空气进入被干物料层的参数为t_B=80℃，φ_B=30%，离开物料层时温度t_C=60℃，求空气流经物料层吸收的水分m_v。

解：查表2-1，t=80℃，φ=30%时湿空气的含湿量d_B=107.97g/kg DA，I_B=367.90kJ/kg DA。同时查得60℃时，I=367.9kJ/kg DA时含湿量d_C=117g/kg DA。则空气流经物料层吸收的水分为：

2.2.4　水蒸气的基本知识

（1）蒸气　指离液态不远的气态物质。它们被压缩或冷却时，很容易变成液体。如水、氟里昂、氨及酒精等的气态物质。

（2）蒸汽　水的蒸气简称蒸汽。由于蒸汽的载热能力强、价廉、易获得、不污染环境，故工业上大量应用。

（3）饱和状态　水在一定温度下的密闭容器中蒸发时，由于蒸汽分子的紊乱运动，既有离水面的，也有返回液体的。当达到离开液面的分子数与返回液面的分子数相等时的气液动平衡状态，称为饱和状态。

（4）饱和蒸汽与饱和水　处于饱和状态下的蒸汽和水分别称为饱和蒸汽和饱和水。

（5）饱和压力和饱和温度　饱和状态时的压力和温度分别称为饱和压力（p_s）和饱和温度（t_s）。且两者之间互为函数，可用粗略的经验公式表示两者间关系，即：

　　（2-13）

式（2-13）中饱和压力p_s的单位为标准大气压力（1atm=1.0133×10⁵Pa），饱和温度t_s的单位为℃。

表2-2和表2-3分别列出了按温度和按压力排列的饱和水与饱和蒸汽的部分热力性质表。

（6）汽化潜热　1kg饱和水变为饱和蒸汽所吸收的热量（或者1kg饱和蒸汽变为饱和水所放出的热量）称为汽化潜热，用γ表示，单位kJ/kg。由饱和水变为饱和蒸汽的过程称为汽化阶段。整个汽化阶段始终维持的饱和温度（t_s）不变。表2-2和表2-3列出了不同温度和不同压力下水的汽化潜热。

（7）干饱和蒸汽与湿蒸汽　完全不含水的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。在汽化过程中饱和水与饱和蒸汽的混合物称为湿饱和蒸汽。

（8）过热蒸汽　温度高于同压下饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。例如标准大气压下的饱和温度t_s=100℃，饱和压力p_s=0.1013MPa，则同压下大于100℃的蒸汽均为过热蒸汽。在锅炉的过热器中对干饱和蒸汽继续加热就变成过热蒸汽。在绝对压力为0.02MPa（真空度为－0.08MPa）时，温度大于60.1℃的蒸汽即为过热蒸汽。

【例2-5】已知某污泥干燥装置，每小时在0.1MPa下，污泥蒸发的水分为20kg，求蒸发水分所需的汽化潜热。

解：查表2-3，0.1MPa的汽化潜热为2258.2kJ/kg，则蒸发水分所需的汽化潜热为：

Q=20×2258.2=45164（kJ/h）