空气是喷雾干燥的传热媒介,尤其空气中的水蒸气含量对干燥工艺和设备起着重要影响。而空气不是一个“恒久不变”的“单一纯净”的物质,本期就来说说空气的一些常识:

1.水蒸气的相变与潜热

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物质系统中物理、化学性质完全相同,与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应,物质有固相、液相、气相。它们之间的转变就称为“相变”。

突破相变温度需要比“正常”更多的能量,液态/气态转变吸收/释放的热就是“汽化热”。1kg水升高/ 降低1℃只需要1kcal(千卡/大卡)的热量,而1大气压下1kg的100℃水变成水蒸气则需要539kcal热量。

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也即用饱和蒸汽作为热源时,1kg蒸汽瞬间就能释放出500kcal以上(视具体压力)的热量,这是用热水换热不能比拟的。

2.气压

气压会影响空气的密度。海拔越高,气压越小,空气密度就越低。那么在高原,进风机转一圈带入干燥机组的空气体积流量不变,但空气的质量流量就下降了,而换热是按每公斤空气带入的热量计算的,那么进入干燥机组的热量就减少了,干燥能力就下降了。

所以,位于高原的干燥塔就需要更大或转得更快的风机。不过,由于此时质量流量没有增加,增加的旋转叶轮的做功,所以可能电流/电机功率无需同比增加甚至无需增加。同时,风体积流量的增加,会引发风管道、塔体、旋风分离器等部件的增大。

3.湿度

3.1 饱和湿度

饱和湿度是表示在一定温度下,单位容积空气中所能容纳的水汽量的最大限度。温度越高,能容纳的水蒸汽就越高,饱和湿度就越高。

单位:g水/kg气

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单位:℃

3.2 相对湿度

指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比。简单说,就是该空气湿含量和该温度的饱和湿度的比。

3.3 湿含量

指指单位质量空气中所含的湿分〔水分)质量。和相对湿度是%不同,它是绝对值,即g水/kg气。

3.4 干球温度和湿球温度

干球温度就是空气的温度。

湿球温度通俗来讲,湿球温度就是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度,就是需不低于它才能进行蒸发。

4.露点

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在气象学中是指在固定气压之下,空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。简单说就是开始因为气温较高,能容纳的水汽就多,当温度下降到无法容纳这么多水汽,水蒸气就会冷凝成露水。这个温度就是露点。所以露水出现在白天湿度比较高,同时昼夜温差大的季节凌晨到早晨,随着温度上升,它又重新变成水蒸气了。

下面我们用这些特性解释一些常见的现象:

值得指出的是,不仅气温决定了体感温度的高低,湿度往往决定了体表汗液的蒸发速率,决定了失温速度,就产生了不同的“感受”。

1.桑拿天

人的体表温度36~37℃。一般认为,气温≥32℃,相对湿度≥80%,就是闷热的桑拿天了。此时的湿球温度是29摄氏度,露点是28℃,含湿量是24.6g/kg。而如果湿度没有这么高,比如32℃,40%,湿球温度22℃,露点温度17℃,含湿量12g/kg。前者和体表温度差7℃,后者则差14℃,这个温差将决定体表的汗液的蒸发速度,显然后者蒸发更快,所以后者只觉得热,只需注意防晒。

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如果空气温度达到38~39℃,同时相对湿度达到90%,这就是真正的“桑拿天”了。此时的露点温度就是36.3~37.3℃。也就是说人体就成了一个“移动式冷凝器”,会把空气中的水蒸气冷凝在体表成水。如果再提高温度至45℃,即使相对湿度只有60%,湿球温度也会达到37℃,露点温度达到36℃,体表汗液无法蒸发,人反而成了“冷凝器”,也是一样的效果。

2.“湿球温度35℃”是否会导致灾难性后果?

湿球温度35℃,一般对应37℃,88%~39℃,80%这个范围。由于湿球温度已经接近体温,体表汗液是难以蒸发的,人体就会失去散热能力。此时应避免室外剧烈活动,但并非人类就无法生存了。要知道,历史气候是波动变迁的,暖湿和冷干期不断交替的。简单记忆的话,中原农耕区占据上风,就是暖湿期;草原游牧区占据上风,就是冷干期;中间过渡期,大家就在干架: 

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虽然近期温湿度上升,但从上世纪七十年代末就正式开始上升了,并且还没上升到南宋、唐朝、春秋中期、西周中期的水平,不必过于恐慌。

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3.额定气候条件、南方湿热季节、北方冬季气候、有什么区别?

按国标,干燥塔进风的额定气候条件时气温20℃,相对湿度70%,1标准大气压,此时湿含量10.3g/kg;

南方湿热季节设气温30℃,相对湿度90%,1标准大气压,此时湿含量24.7g/kg;

而黑龙江极寒冬季气温-20℃,相对湿度60%,1标准大气压,此时湿含量0.38g/kg。

如蒸发水量为1000kg/h,设各地各季进风量均为26000kg/h,则有:

额定条件时,进风含水267.8kg/h,塔内和排风系统中水流量1267.8kg/h;

南方湿热季节,进风含水642.2kg/h,塔内和排风系统中水流量1642.2kg/h;

黑龙江冬季,进风含水1kg/h,塔内和排风系统中水流量1001kg/h。

这就造成干燥机组设计的地区差异和同一干燥机组的运行参数的季节性差异。

4.如何除湿?

常见的表面冷却除湿的原理,就是不断降低温度,让空气不能包含的水蒸气结露,从而降低湿含量。比如上面的南方湿热季节条件(30℃,90%,24.7g/kg),降温到12℃,那么空气中的湿含量就不会超过12℃的饱和湿含量8.8g/kg,就有24.7-8.8=15.9g水蒸气变成了水,被排出了除湿器。

此时的空气温度比较低,还是接近饱和(相对湿度100%)的,再升温至25℃(饱和含湿量20g/kg),那么相对湿度就下降到了44%。

这就完成了一次工业表冷除湿过程,湿含量和相对湿度都有所降低。就从湿热的空气变成了干爽适宜的环境。

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空气常识与简单应用

2019-11-05
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空气是喷雾干燥的传热媒介,尤其空气中的水蒸气含量对干燥工艺和设备起着重要影响。
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