湿度図表（空気線図）は、湿り空気の温度と絶対湿度に露点や湿球温度を読む線を重ねた図です。30 ℃・相対湿度60 %の空気を例に読み方を示し、乾燥機の空気量と熱量の計算へつなげます。乾燥時間の求め方と乾燥機の選び方、法令もまとめました。
湿度図表で空気の状態を読む手順
- 乾球温度と、もう一つの値（湿球温度・相対湿度・露点のどれか）を測る。
- 図表の全圧を確かめる。多くは101.3 kPaの図で、圧力が大きく違えば式で計算し直す。
- 状態点を決める。湿球温度からなら、その温度の飽和曲線上の点から断熱冷却線（湿球温度の線）を右下へたどり、乾球温度の縦線との交点にする。
- 状態点から水平に右の軸へ進み、絶対湿度を読む。
- 同じ水平線を左へ進み、飽和曲線と交わる点の温度を露点として読む。
- 状態点を通る湿度の曲線を読む。相対湿度の曲線の図表と、比較湿度の曲線の図表がある。
- 化学工学の湿度図表なら、湿り比容と湿り比熱を補助の線から読み、風量の換算と熱量の計算に使う。空調で使う空気線図は比エンタルピーの目盛りが中心で、読む線は図表の種類で違う。
式で求めるなら、湿球温度・湿り空気状態量のツール（別サイト）が使えます（乾球温度−40〜50 ℃）。
この記事の内容
湿度の表し方と式
| 量 | 単位 | 意味 | 使う場面 |
|---|---|---|---|
| 絶対湿度 H | kg/kg-乾き空気 | 乾き空気1 kgと一緒にある水蒸気の質量 | 乾燥・加湿の水分収支 |
| 相対湿度（関係湿度）ψ | % | 水蒸気の分圧と、その温度の飽和水蒸気圧の比 | 天気予報の「湿度」 |
| 比較湿度（飽和度）φ | % | 絶対湿度と、その温度の飽和湿度の比 | 化学工学の湿度図表の一部 |
| 露点 td | ℃ | 絶対湿度を保ったまま冷やし、飽和する温度 | 結露・凝縮の判定 |
| 湿球温度 tw | ℃ | ぬれた面で蒸発と空気からの伝熱が釣り合う温度 | 恒率乾燥の材料の温度 |
| 湿り比容 vH | m³/kg-乾き空気 | 乾き空気1 kgを含む湿り空気の体積 | 風量（m³）と質量の換算 |
| エンタルピー i | kJ/kg-乾き空気 | 0 ℃の乾き空気と水を基準にした熱量 | 加熱・乾燥の熱収支 |
出典：化学工学－解説と演習－ 7·1（pp.194〜196）、化学工学便覧 14·1·1（pp.738〜739）
計算ツールでの名前：W（絶対湿度）・RH（相対湿度）・比エンタルピー h・比容積 v（湿り比容）
化学工学で単に湿度といえば絶対湿度です。乾き空気の量は加湿でも乾燥でも変わらず、収支の基準に使えます。
絶対湿度［kg/kg-乾き空気］
式は横にスクロールできます
p：水蒸気の分圧［kPa］、P：全圧［kPa］
相対湿度と比較湿度［%］
式は横にスクロールできます
ps：その温度の飽和水蒸気圧［kPa］、Hs：その温度の飽和湿度［kg/kg-乾き空気］
湿り比熱とエンタルピー（120 ℃以下）
式は横にスクロールできます
cH：湿り比熱［kJ/(kg-乾き空気·K)］、i：エンタルピー［kJ/kg-乾き空気］、t：乾球温度［℃］、2502：0 ℃の水の蒸発潜熱［kJ/kg］
湿り比容［m³/kg-乾き空気］
式は横にスクロールできます
T：乾球温度［K］
エンタルピーは、空気の顕熱と水蒸気の潜熱・顕熱の和です（潜熱と顕熱の違い）。全圧 P には絶対圧を入れます。
飽和湿度の早見表
飽和湿度は、10 ℃上がるごとに約1.8〜2倍になります。露点は、水蒸気の分圧が飽和水蒸気圧と等しくなる温度です。
| 温度 | 飽和水蒸気圧［kPa］ | 飽和湿度［kg/kg-乾き空気］ | 湿り空気1 m³中の水蒸気［g］ | 飽和空気のエンタルピー［kJ/kg-乾き空気］ |
|---|---|---|---|---|
| 0 ℃ | 0.611 | 0.0038 | 4.8 | 9.4 |
| 10 ℃ | 1.228 | 0.0076 | 9.4 | 29.3 |
| 20 ℃ | 2.339 | 0.0147 | 17.3 | 57.4 |
| 25 ℃ | 3.170 | 0.0201 | 23.0 | 76.3 |
| 30 ℃ | 4.247 | 0.0272 | 30.4 | 99.8 |
| 35 ℃ | 5.629 | 0.0366 | 39.6 | 129 |
| 40 ℃ | 7.384 | 0.0489 | 51.1 | 166 |
| 50 ℃ | 12.35 | 0.0863 | 82.8 | 274 |
| 60 ℃ | 19.95 | 0.152 | 130 | 459 |
| 70 ℃ | 31.20 | 0.277 | 197 | 799 |
| 80 ℃ | 47.41 | 0.547 | 291 | 1,530 |
全圧101.325 kPa／飽和水蒸気圧は IAPWS-IF97、ほかは上の式で計算／4列目は湿り空気1 m³あたり（絶対湿度とは基準が別）
50 ℃を超える空気は、飽和蒸気表のツール（別サイト）で飽和水蒸気圧を引いて計算します。
30 ℃・相対湿度60 %の空気を読む例
例として、30 ℃・相対湿度60 %・101.325 kPaの空気を式で求めました。天気予報の「湿度60 %」は相対湿度なので、収支に使う前に絶対湿度へ直します。
| 量 | 値 | 求め方 |
|---|---|---|
| 水蒸気の分圧 p | 2.548 kPa | 0.60×4.247 kPa |
| 絶対湿度 H | 0.0160 kg/kg-乾き空気 | 0.622×2.548÷(101.325−2.548) |
| 比較湿度 φ | 59.0 % | 0.01604÷0.02720 |
| 露点 | 21.4 ℃ | 飽和水蒸気圧が2.548 kPaになる温度 |
| 湿球温度 | 23.8 ℃ | 断熱冷却線の式を繰り返し計算で解く |
| 湿り比容 | 0.88 m³/kg-乾き空気 | vH の式 |
| エンタルピー | 71.2 kJ/kg-乾き空気 | i の式 |
この空気を120 ℃に加熱しても、絶対湿度と露点は変わりません。相対湿度は1.3 %に下がり、湿球温度は40.5 ℃になります。加熱の熱は、乾き空気1 kgあたり93 kJです。逆に15 ℃まで冷やすと、5.4 g/kg-乾き空気の水が凝縮します。
相対湿度と比較湿度の違い
比較湿度は飽和でない空気では相対湿度より小さく、差は高温ほど開きます。湿度図表の湿度の曲線も、本によって違います。化学工学－解説と演習－の図7·1は比較湿度で、解説化学工学の図5·58は相対湿度です。
| 相対湿度 ψ | 20 ℃ | 40 ℃ | 60 ℃ | 80 ℃ |
|---|---|---|---|---|
| 30 % | 29.5 % | 28.4 % | 25.6 % | 18.6 % |
| 50 % | 49.4 % | 48.1 % | 44.5 % | 34.7 % |
| 80 % | 79.6 % | 78.8 % | 76.3 % | 68.0 % |
表の値は比較湿度 φ（101.325 kPa、上の式で計算）
80 ℃の空気なら、相対湿度50 %は比較湿度34.7 %です。図表を読む前に、凡例で曲線の種類を確かめます。
湿球温度と断熱飽和温度
湿球温度は、少量の水が多量の空気の中で蒸発して落ち着く水の温度です。断熱飽和温度は、空気が十分な量の水と断熱で触れて飽和した温度を指します。水と空気では熱と水蒸気の移り方がそろい（ルイスの関係）、二つはほぼ一致します。
断熱冷却線の式［kJ/kg-乾き空気］
式は横にスクロールできます
ts：断熱飽和温度［℃］、Hs：tsでの飽和湿度［kg/kg-乾き空気］、λs：tsでの蒸発潜熱［kJ/kg］
トルエンなど有機溶剤の蒸気と空気では、二つの温度が一致しません。溶剤には、溶剤ごとの図表か溶剤の物性を入れた式を使います。
乾湿球湿度計は、放射を遮った湿球に約3 m/s以上の風を当てて測ります（化学工学便覧 p.741）。風が弱いと、読みが湿球温度からずれます。
乾燥機に要る空気量と熱量
熱風乾燥機は、乾き空気と乾き材料を基準に収支を立てます（物質収支とエネルギー収支）。含水率も乾き材料1 kgあたりの水（乾量基準）で表します。
含水率の換算［kg-水/kg-乾き材料］
式は横にスクロールできます
w：乾量基準の含水率［kg-水/kg-乾き材料］、w'：湿量基準の含水率［kg-水/kg-湿り材料］
水分収支［kg/h］と加熱量［kJ/h］
式は横にスクロールできます
G：乾き空気の流量［kg/h］、F：乾き材料の流量［kg/h］、H1・H2：入口・出口の空気の絶対湿度［kg/kg-乾き空気］、w1・w2：入口・出口の材料の含水率［kg-水/kg-乾き材料］、Q：加熱量［kJ/h］、t0・t1：外気と熱風の温度［℃］
材料を温める熱と放熱を無視し、ここでは蒸発する水が持ち込む顕熱も省いて、空気のエンタルピーを一定と近似します。前節の断熱飽和の式とは、この近似の分だけ異なります。出口の絶対湿度は、入口と同じエンタルピーの線と排気温度の縦線の交点の値です。
例として、連続式の熱風乾燥機で乾き材料500 kg/hを乾かします。含水率は0.40から0.05（乾量基準）まで下げます。蒸発する水は175 kg/hです。外気は30 ℃・相対湿度60 %で、120 ℃に加熱して入れます。
入口の絶対湿度H₁＝0.01604を上のエンタルピーの式に入れると、i₁＝164.36 kJ/kg-乾き空気です。50 ℃の出口では、H₂＝(164.36−1.005×50)/(2502＋1.884×50)＝0.04395となり、表は0.0440と丸めました。前節の断熱飽和の式をそのまま使うと約0.0459です。表と以下の空気量・熱量は、すべて等エンタルピーの近似でそろえています。
| 排気の温度 | 排気の絶対湿度［kg/kg-乾き空気］ | 外気の量［m³/h］ | 加熱量［kW］ | 水1 kgあたりの熱［kJ］ | 排気の露点 | 排気温度−湿球温度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 45 ℃ | 0.0461 | 5,140 | 151 | 3,100 | 39.0 ℃ | 5 K |
| 50 ℃ | 0.0440 | 5,520 | 162 | 3,340 | 38.2 ℃ | 10 K |
| 60 ℃ | 0.0398 | 6,490 | 191 | 3,920 | 36.4 ℃ | 20 K |
| 70 ℃ | 0.0357 | 7,850 | 231 | 4,740 | 34.6 ℃ | 30 K |
| 80 ℃ | 0.0317 | 9,880 | 290 | 5,970 | 32.5 ℃ | 40 K |
外気の量は30 ℃での体積／材料を温める熱と放熱は含まない／湿球温度は約40 ℃（熱風120 ℃・H＝0.0160）
排気を80 ℃から50 ℃に下げると、外気の量と加熱量は約4割減ります。その代わり、出口側の排気と湿球温度の差は4分の1（40 K→10 K）です。風量も56 %に減り、乾く速さはさらに落ちます。板状の材料では、伝熱係数が質量速度の0.8乗に比例します（化学工学－解説と演習－ 式7·17）。この場合、乾く速さは約6分の1です。排気の露点も38 ℃に上がり、冷えたダクトや集じん機の壁で凝縮しやすくなります。
水1 kgあたりの熱は、蒸発潜熱（40 ℃で約2,400 kJ/kg）の1.3〜2.5倍です。差は排気が持ち去る顕熱です。
排気60 ℃のまま外気が冬の5 ℃・50 %になると、加熱量は244 kWに増えます。夏の33 ℃・70 %なら184 kWで済みますが、熱風の湿球温度は42 ℃です。噴霧乾燥では、外気の絶対湿度が上がると材料の水分も上がります。これも側壁にこびりつく原因の一つです。
恒率乾燥と減率乾燥の時間
熱風の中の湿った材料は、予熱期間・恒率乾燥期間・減率乾燥期間の順に乾きます。恒率乾燥期間は表面がぬれており、熱風乾燥なら材料の温度は熱風の湿球温度で一定です。限界含水率を下回ると、内部の水の移動が追いつきません。乾燥速度が落ち、材料の温度も上がります。
恒率乾燥速度［kg/(m²·s)］
式は横にスクロールできます
h：熱風から材料表面への境膜伝熱係数［W/(m²·K)］、t：熱風の温度［℃］、tw：熱風の湿球温度［℃］、λw：twでの蒸発潜熱［J/kg］
乾燥時間（減率乾燥速度が自由含水率に比例するとき）［s］
式は横にスクロールできます
θc・θd：恒率・減率乾燥期間の時間［s］、Ws：乾き材料の質量［kg］、A：乾燥面積［m²］、w0・wc・we・w：初め・限界・平衡・仕上げの含水率［kg-水/kg-乾き材料］
例として、乾き材料50 kgを面積2.5 m²の棚で乾かします。恒率乾燥速度は1.2 kg/(m²·h)と置きました。含水率の初め0.50・限界0.20・平衡0.02も置いた値です。
| 仕上げの含水率 | 恒率乾燥期間 | 減率乾燥期間 | 合計 |
|---|---|---|---|
| 0.10 | 5.0 h | 2.4 h | 7.4 h |
| 0.05 | 5.0 h | 5.4 h | 10.4 h |
| 0.03 | 5.0 h | 8.7 h | 13.7 h |
仕上げを0.05から0.03にするだけで、乾燥は3.3 h延びます。仕上げが平衡含水率に近いほど、時間の延び方は急になります。平衡含水率は、温度より空気の湿度で大きく変わる値です。
限界含水率も乾かし方で変わります。例に挙がっているのは、堆積で15〜20 %の材料です。撹拌や熱風への分散では、0.5〜1.0 %程度まで下がります（プロセスケミストのための化学工学 p.159）。推定が難しく、乾燥試験で実測することが多い値です。
箱型乾燥機は熱風の大部分を循環させます。器内の絶対湿度は0.03〜0.05です（化学工学便覧 表14·11）。80 ℃の熱風で絶対湿度を0.016から0.05に上げると、恒率乾燥速度は約23 %下がる計算です。
結晶水を持つ結晶の多くは、水蒸気分圧がある値より低い空気の中で結晶水を失います。水和物は、乾かしすぎると目的の水和物が得にくくなります。逆に乾いた粉は、湿った空気で水を吸って付着しやすくなります（ホッパーの詰まり）。
乾燥機の種類と選び方
まず湿ったときの材料の形で絞り、次に処理量と連続か回分かで選びます。加熱面から伝える形式は風量が少なく、密閉や減圧もできます。溶剤で湿った材料にも使える形式です。
| 乾燥機 | 熱の伝え方 | 向く材料（湿ったときの形） | 熱効率の目安 | 注意すること |
|---|---|---|---|---|
| 箱型（棚） | 熱風 | 粒・粉・泥状をトレーに広げる。少量多品種 | 20〜40 % | 材料の出し入れに手間がかかる |
| 通気バンド | 熱風（材料の層を通す） | 粒・フレーク・成形した泥状 | 40〜60 % | 熱風の偏り、網の目詰まりと目こぼれ |
| 回転 | 熱風 | 塊・粒（石炭・鉱石・肥料など） | 40〜70 % | 湿った前半で材料が付着しやすい |
| 流動層 | 熱風（粒を浮かせる） | 粒・粉 | 50〜65 % | 連続式は乾ききらない粒が出口へ抜けやすい |
| 気流 | 熱風（気流で運ぶ） | ケーキ・塊・粉粒 | 40〜70 % | 接触は0.5秒〜数秒。製品は排気から分けて回収する |
| 噴霧 | 熱風（液滴にする） | 溶液・スラリー | 40〜55 % | 伝熱容量係数が小さく装置が大きい。乾燥は5〜30秒 |
| 伝導伝熱（溝型撹拌・円錐型・スチームチューブなど） | 加熱面（ジャケット・加熱管） | 粒・粉・ケーキ | 60〜85 % | 風量が少なく排気の処理が楽。減圧にもできる |
| 真空・凍結 | 加熱面と減圧 | 熱に弱い材料（医薬品・食品） | − | 真空乾燥は100 Pa以上。凍結乾燥は−30 ℃前後で凍らせ、100 Pa以下で昇華させる |
出典：熱の伝え方＝化学工学便覧 表14·9／向く材料＝同 表14·10、化学工学－解説と演習－ 表7·3／熱効率＝便覧 表14·11・14·12／注意＝便覧 表14·11・14·12・14·5·4・14·5·5
乾燥設備の安全と法令
粉体の乾燥は、爆発の危険がある粉じんが生じやすい工程です（産業安全研究所 RIIS-TN-69-1）。同じ資料には古い統計もあります。1952〜67年に労働省へ報告された粉じん爆発115件（炭鉱を除く）のうち、14件が乾燥工程でした。今の状況を示す数ではありません。
法令でいう乾燥設備は、火薬類以外の物を熱源で加熱乾燥する乾燥室と乾燥器です。メタノールやアセトンなどの危険物で湿った材料を乾かすものは、「危険物乾燥設備」と呼びます。労働安全衛生規則 第287条は、静電気で爆発や火災のおそれがあるときの接地や除電を求めています。危険物乾燥設備でガス・蒸気・粉じんを安全な場所に出す構造は、第294条の決まりです。使う前の掃除か換気は、第296条にあります。
乾燥設備作業主任者を選ぶ作業は、次の二つです（労働安全衛生法施行令 第6条第8号、規則 第297条）。
- 内容積1 m³以上の危険物乾燥設備
- それ以外で、燃料の最大消費量が固体10 kg/h・液体10 L/h・気体1 m³/h以上か、定格消費電力が10 kW以上のもの
乾燥設備とその附属設備は、1年以内ごとに1回の定期自主検査の対象です（施行令 第15条、規則 第299条）。法令の要求は、所轄の行政と最新の条文で確かめてください。
参考資料
- 化学工学会 編『改訂六版 化学工学便覧』丸善（1999）14章 調湿・水冷却・乾燥
- 化学工学会 監修、多田豊 編『化学工学（改訂第3版）－解説と演習－』朝倉書店（2008）7章 調湿・乾燥
- 竹内雍・松岡正邦・越智健二・茅原一之『解説化学工学（改訂版）』培風館（2001）5·7 調湿
- D. M. Himmelblau 著、大竹伝雄 訳『化学工学の基礎と計算（原書第4版）』培風館（1986）3·5 部分飽和と湿度、5·3 湿度図表とその使用法
- 日本プロセス化学会 編『プロセスケミストのための化学工学（基礎編）』化学工業日報社（2015）6章 乾燥
- 内藤道夫・松田東栄『粉じん爆発の危険性とその防止対策』産業安全研究所技術資料 RIIS-TN-69-1（1969） https://www.jniosh.johas.go.jp/publication/doc/tn/TN-69-1.pdf（別サイト）
- 労働安全衛生法施行令（e-Gov法令検索） https://laws.e-gov.go.jp/law/347CO0000000318（別サイト）
- 労働安全衛生規則（e-Gov法令検索） https://laws.e-gov.go.jp/law/347M50002000032（別サイト）
- IAPWS R7-97(2012)「Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam」 https://www.iapws.org/technical-guidance/release/IF97-Rev（別サイト）
