濕空氣全新分析

    濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物，因此，要確定它的狀態除了必須知道空氣的溫度t和壓力Pb外，還必須知道濕空氣的成分，特別是濕空氣中所含水蒸氣的量。濕空氣中水蒸氣的含量通常用濕度來表示，其表示方法有以下三種。

• 濕度

每1m3的濕空氣中所含有的水蒸氣的質量稱為濕空氣的濕度。因此，在數值上濕度等于在濕空氣的溫度和水蒸氣的分壓力Pv下水蒸氣的密度ρv值可由水蒸氣表查得，或由下式計算

ρv=mv/V=Pv/RvT   （14-2）

式中mv為水蒸氣的質量（kg）。Rv為水蒸氣的常數。

由圖14-1及圖14-2可見，狀態B為過熱水蒸汽，此時是未飽和濕空氣。當保持溫度T不變，而使空氣中水蒸氣的含量增加（濕度ρv增加）時，由式（14-2）知，水蒸氣的分壓力Pv也增加。在圖14-2中，由狀態B沿定溫線向左移，直到與干飽和水蒸氣線相交于A點，即水蒸氣達飽和而為飽和濕空氣。此時，水蒸氣的含量為zui大，ρv=ρn=ρmax。

• 相對濕度

大氣中水蒸氣的數量，可在0與飽和狀態時的密度ρ”之間變動。濕度只表示濕空氣中實際水蒸氣含量的多少，而不能說明在該狀態下濕空氣飽和的程度或吸收水蒸氣能力的大小。因此，常用相對濕度來表示濕空氣的潮濕的程度。相對濕度的定義是濕空氣的

濕度ρv與同溫度下飽和濕空氣的濕度ρ”之比，用符號Φ表示即可

Φ=ρv/ρ”=ρv/ρmax  （14-3）

若將濕空氣中的水蒸氣視為理想氣體，則

Pv=RvTρv

Ps=RvTρ”

兩式相除，即得

ρv/ρ”= Pv/ Ps

代入（14-3）得

Φ=ρv/ρ”=ρv/ρmax= Pv/ Ps  （14-4）

式中，ρmax表示在溫度為t時濕空氣中的水蒸氣可能達到的zui大分壓力，即Ps。T一定時，Pmax（或Ps）相應有一定的值。

上式說明，相對濕度也可用濕空氣中水蒸氣的實際分壓力Pv與溫度下水蒸氣的含量接近飽和的程度，故也稱為飽和度。Φ值愈小，表示濕空氣愈干燥，吸收水分的能力愈強；反之，Φ值愈大，表示濕空氣愈潮濕，吸收水分的能力愈弱。當Φ等于0時，則為干空氣；Φ等于一時，則為飽和濕空氣。所以，不論濕空氣的溫度如何，由Φ值的大小可直接看出它的干濕程度。

相對濕度通常用干濕溫度球計來測量，如圖14-3所示。兩支相同類型的溫度計，其中之一在測溫泡上蒙一浸在水中的濕紗布，成為濕球溫度計。將干濕球溫度計置于通風處，使空氣連續不斷地流經溫度計，干球溫度計上的讀數即為空氣的溫度t。濕球溫度計因和濕布直接接

觸，其讀數應為水溫。若空氣為飽和濕空氣（即Φ=1），則濕布上的水不會汽化，兩支溫度計上的讀數將相同。若空氣為未飽和濕空氣（即Φ<1），則流經濕布時水會汽化。汽化需要汽化潛熱，水的溫度將因為汽化放熱而下降，水和空氣間就形成溫差。溫差的存在，促使較熱的空氣傳熱給較冷的水。水因汽化而放熱，又因溫差而自空氣吸熱，如放熱量大于吸熱量，水溫勢必繼續下降至某一溫度時，放熱兩量和吸熱量相等，水溫也就不再下降，汽化所需之熱*來自于空氣。此時濕球溫度計上的讀數稱為濕球溫度，以符號Tw表示。溫度為定值T的空氣，所含水蒸氣愈少（亦即離飽和狀態愈遠），其濕球溫度也就愈低。因為空氣流經濕布時汽化的水分較多，要求更大的溫差以便從空氣吸取更多的熱來滿足汽化的需要。由此可見，Tw和空氣實際所含的水蒸氣的量（或實際的溫度）有關。另外，空氣的zui大濕度取決于空氣的溫度T。因而Φ和T及Tw之間應有一定的關系Φ=f（T，Tw）。根據這一關系，在測定了空氣的T及Tw后，即可求的空氣的相對濕度Φ。一般的干濕球溫度計上都將=f（T，Tw）列成表，可根據T及Tw直接讀出。

• 比濕度（含濕量）

物料的干燥以及冷卻塔中的水的冷卻過程，都是利用空氣來吸收水分。然而，無論濕空氣的狀態如何變化，其中干空氣的質量總是不變的，而所含的水蒸氣的質量在改變。為了分析和計算方便，常采用干空氣質量作為計算基準。一定容積的濕空氣中水蒸氣的質量Mv[kg]之比稱為比濕度（或稱含濕量），一符號ω表示，即

ω=Mv/Ma=ρv/ρa         kg（水蒸氣）/kg（干空氣）  （14-5）

須特別指出，上式以“kg（干空氣）”為計算基準，它不同于1kg質量的濕空氣，它是將所含水蒸氣的質量ω計算在干空氣之外，也即在（1+ω）[kg]水蒸氣。由于以1kg質量干空氣為基準，這個基準是不隨濕空氣的狀態改變而改變的。所以只要根據比濕度ω的變化，就可以確定實際過程中濕空氣的干濕程度。

對于水蒸氣和干空氣，可寫成

Pv=RvTρv

Pa=RaTρa

式中  空氣的氣體常數Ra=287J/（kgK）

      水蒸氣的氣體常數Rv=461.9 J/（kgK）

將以上關系式及式（14-1），即Pb=Pa+Pv代入式（14-5），可得

ω=0.622Pv/（Pb-Pv）=0.622ΦPmax/（Pb-ΦPmax）       kg（水蒸氣）/kg（干空氣） （14-6）

由上式可見，當濕空氣的壓力Pb一定時，濕空氣中的比濕度ω只取決于水蒸氣的分壓力Pv，即ω=f（Pv）。因此ω和Pv不是互相獨立的參數，不能同時作為兩個獨立參數來確定濕空氣的狀態。要確定濕空氣的狀態，除了給定Pv或（ω）外，還需知道另一個獨立參數，例如T。

濕空氣的焓和熵

前面所述濕空氣的工程應用，大都是在穩定的流動下運行的，因而在進行工程運算時，焓是個很重要的參數。濕空氣的焓H應等于干空氣的焓之和，即

H=Ha+Hv=MaHa+MvHv    （14-7）

濕空氣的（比）焓H通常也以1kg干空氣為計算基準，即以1Kj/kg（干空氣）為單位。將式（14-7）除以Ma，得

H=Ha+MvHv/Ma

或H=Ha+ωHv         （14-8）

式中  H為濕空氣的（比）焓，1KJ/kg（干空氣）

      Ha為干空氣的（比）焓，1KJ/kg（干空氣）

      Hv為水蒸氣的（比）焓，1KJ/kg（水蒸氣）

如以0度時的焓為0，則干空氣的焓

Ha=CpTKJ/kg（干空氣）

式中，T為濕空氣的溫度，即干球溫度。如溫度變化不大（在100度以下），則可將空氣的Cp當做定值，即

Cp=1.005 Kj/（kgK）

而水蒸氣的焓的近似式為

Hv=2501+1.863T    1Kj/kg（水蒸氣）

式中2501為0.01度時飽和水蒸氣的焓值；1.863為常溫低壓下水蒸氣的平均壓比熱容。

由此，濕空氣的焓近似為

H=1.005T+ω（201+1.863T）   1KJ/kg（干空氣）   （14-9）

用類似的方法可求得以1kg干空氣為基準的濕空氣的（比）熵為

S=Sa+ωSv              KJ/[kg（干空氣）K]         （14-10）

式中    Sa為干空氣的（比）熵，KJ/[kg（干空氣）K]

        Sv為水蒸氣的（比）熵，KJ/[kg（水蒸氣）K]

使用式（14-10）時，各組成氣體的熵必須要按干球溫度和相應的分壓力來計算。