熱值交換第4章

第4章

空氣的熱濕處理52-12023/12/13內(nèi)容空氣的熱濕處理途徑4.1空氣與固體外表之間的熱濕交換4.2空氣與水直接接觸的熱濕交換4.32023/12/1352-2§4.1空氣熱質(zhì)理的途徑一.幾個(gè)相關(guān)概念空氣調(diào)節(jié)熱舒適性新風(fēng)回風(fēng)濕空氣焓濕圖送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)工況冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)工況以1kg干空氣的濕空氣為基準(zhǔn)，在一定的大氣壓力下，取焓h與比濕度d為坐標(biāo)，圖中有定比濕度、定水蒸氣分壓力、定露點(diǎn)溫度、定焓、定濕球溫度、定干球溫度、定相對(duì)濕度各線簇。2023/12/1352-4定比濕度線簇一定壓力下，水蒸氣分壓與比濕度一一對(duì)應(yīng)，因此定比濕度線簇也是定水蒸氣分壓力線簇。露點(diǎn)溫度td取決于水蒸氣分壓，因此定比濕度線簇也是定td線簇。52-5定焓線簇52-6定溫〔干球溫度〕線簇52-7定相對(duì)濕度線簇Φ=100%時(shí)線實(shí)際上是不同比濕度d下露點(diǎn)的軌跡Φ=0%時(shí)即為干空氣，d＝0，即縱坐標(biāo)軸52-8水蒸氣分壓力線簇由于d通常很小，所以pv與d近似成線性52-9定濕球溫度線簇由于d通常很小，濕球溫度也不高，定tw線可近似以定焓線代替52-1005432W'd0i1t0LOL'Wj=100%(1)W→L→O噴淋室噴冷水(或用外表冷卻器)冷卻減濕→加熱器再熱(1)

W’→2→L→O:加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕→加熱器再熱夏季：冷卻減濕冬季：加熱加濕(2)W→1→O:固體吸濕劑減濕→外表冷卻器等濕冷卻(3)W→O:液體吸濕劑減濕冷卻(2)W‘→3→L→O:加熱器預(yù)熱→噴淋室絕熱加濕→加熱器再熱(3)W'→4→O:加熱器預(yù)熱→噴蒸汽加濕(4)W'→L→O:噴淋室噴熱水加熱加濕→加熱器再熱(5)W'→5→L'→O:加熱器預(yù)熱→一局部噴淋室絕熱加濕→與另一局部未加濕空氣混合二、空氣熱濕處理的原理和方案2023/12/1352-11三、空氣熱濕處理及設(shè)備根據(jù)各種熱質(zhì)交換設(shè)備的特點(diǎn)不同分成兩大類：混合式熱質(zhì)交換設(shè)備：

包括噴淋室、蒸汽加濕器、局部補(bǔ)充加濕裝置以及使用液體吸濕劑的裝置等間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備：

包括光管式和肋管式空氣加熱器及空氣冷卻器等有的空氣處理設(shè)備如噴水式外表冷卻器那么兼有這兩類設(shè)備的特點(diǎn)。2023/12/1352-12B冷卻除濕是將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，從而將其中水蒸氣局部去除的方法冷卻盤管凝結(jié)水CA濕空氣通過(guò)盤管的情況冷卻除濕時(shí)空氣狀態(tài)變化的i-d圖上表示§4.2空氣與固體外表之間的熱濕交換2023/12/1352-13濕空氣傳質(zhì)氣膜冷凝液膜冷卻介質(zhì)傳熱金屬壁

濕空氣在冷壁面上的冷卻去濕過(guò)程示意圖空調(diào)工程中通常用金屬冷壁面除掉濕空氣中的水分，使得空氣側(cè)壁面出現(xiàn)水蒸汽冷凝液在重力作用下的流動(dòng)一、濕空氣在冷外表上的冷卻降濕2023/12/1352-14濕空氣邊界層冷表面冷卻劑邊界層冷卻劑W濕空氣Gttitw凝結(jié)水膜dAddi2023/12/1352-15如圖,取濕空氣和水膜的微元面積dA:

空氣失去的顯熱空氣失去的水蒸氣空氣主流與冷外表的熱交換是由于主流空氣與凝結(jié)水膜之間的溫差(t-ti)而產(chǎn)生的,而質(zhì)交換那么是由于空氣主流與凝結(jié)水膜相鄰的飽和空氣層中的水蒸氣的分壓力差,即含濕量差(d-di)而引起的1.由主流空氣傳給凝結(jié)水膜的顯熱量為:2.由主流空氣與水膜相鄰的飽和空氣中含濕量差產(chǎn)生的質(zhì)交換為:濕空氣邊界層冷表面冷卻劑邊界層冷卻劑W濕空氣Gttitw凝結(jié)水膜dAddi空氣側(cè)：忽略水膜和金屬外表的熱阻，冷卻劑得到的熱量：2023/12/1352-17根據(jù)熱平衡：對(duì)于水-空氣系統(tǒng)，根據(jù)劉伊斯關(guān)系式改寫(xiě)為說(shuō)明：濕空氣在冷卻外表進(jìn)行冷卻降濕過(guò)程中，濕空氣主流與緊靠水膜的飽和空氣的焓差是熱濕交換的推動(dòng)力。——麥凱爾方程2023/12/1352-18hmd原為以含濕量差為推動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù),這里應(yīng)理解為總熱交換系數(shù).濕空氣在冷卻降濕過(guò)程中的過(guò)程線斜率點(diǎn)〔i,tw)與(ii,ti)的連接線斜率根據(jù)熱平衡，空氣側(cè)：2023/12/1352-19上式表示i與tw之間的工作線斜率又：濕空氣在冷卻降濕過(guò)程中的過(guò)程線斜率點(diǎn)〔i,tw)與(ii,ti)連接線斜率可在i-t圖上作出濕空氣在表冷器冷卻減濕過(guò)程中的溫度與焓的變化曲線2023/12/1352-20濕空氣冷卻減濕過(guò)程示意圖ti●M(i2,t2)PQB(i1,tw2)●●tw2i2tw1t1飽和線工作線冷卻減濕過(guò)程線●E(i1,t1)t2連接線切線A(i2,tw1)●濕空氣入口狀態(tài)濕空氣出口狀態(tài)出口端冷卻劑溫度入口端冷卻劑溫度C(ii,ti)ts2ts1濕球溫度干球溫度濕球溫度干球溫度2023/12/1352-21在i-t圖上作出濕空氣冷卻降濕過(guò)程中溫度與焓的變化曲線〔圖解法〕，步驟如下：1.在i-t圖作飽和線PQ，標(biāo)注空氣進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)E(t1,i1)2.作tw2線與等i1線相交于點(diǎn)B(tw2,i1)，以式〔3〕為斜率，過(guò)B點(diǎn)作直線BA與tw1相交于點(diǎn)A(tw1,i2)3.以式〔2〕為斜率，過(guò)B點(diǎn)作直線BC與飽和線相交于點(diǎn)C(tb,ib)，連接EC，直線EC為空氣過(guò)程線在E點(diǎn)的切線.4.在直線EC上截取微小距離Ea，過(guò)點(diǎn)a作等焓線與工作線BA交于a1，過(guò)a1作BC的平行線a1c1與飽和線PQ交于c1點(diǎn)，連接ac1

，直線ac1為空氣過(guò)程線在a點(diǎn)的切線。重復(fù)上述過(guò)程，直到求出空氣終狀態(tài)2.常壓下飽和濕空氣的焓值及其在飽和曲線上的斜率4.47.210.012.815.618.321.123.926.729.432.235.037.840.643.346.148.951.754.48.4619.80111.27812.90014.67016.70018.93820.33824.27127.46031.07135.17639.84545.18751.29858.31966.40875.77486.6070.4540.5070.5570.6160.6840.7630.8550.9601.0821.2241.3891.5801.8022.0612.3642.723.143.644.25i(kcal/kg)t(℃)di/dt[kcal/(kg·℃)]2023/12/1352-23冷卻外表積計(jì)算：2023/12/1352-24二、濕空氣在肋片上的冷卻降濕過(guò)程外表式冷卻器往往采用肋片這種擴(kuò)展換熱面的形式來(lái)強(qiáng)化冷卻降濕過(guò)程中的熱、質(zhì)交換。肋片有直肋和環(huán)肋兩類，直肋和環(huán)肋又都可分為等截面和變截面等截面直肋例如2023/12/1352-25假定：1〕熱、質(zhì)傳遞過(guò)程是穩(wěn)定的；2〕肋片的導(dǎo)熱系數(shù)、肋根溫度均為定值；3〕肋片只有x方向?qū)?，肋片外的水膜只有y方向的導(dǎo)熱。xdxL水膜平均厚度twdqF2yF濕空氣qFtFywtFBy等截面直肋2023/12/1352-26xdxLtwdqF2yF濕空氣qFtFywtFBy2023/12/1352-27肋片微元在-x方向上凈導(dǎo)熱量為肋片與水膜之間的換熱量為飽和空氣焓可近似為微元體上，濕空氣和水膜的總傳熱量為2023/12/1352-28令2023/12/1352-29邊界條件：方程：定義濕肋的肋效率為：其中：濕肋與干肋的肋效率形式相同，將h替換為hmd后可直接引用干肋肋效率圖表2023/12/1352-30假定：

1)熱、質(zhì)傳遞過(guò)程是穩(wěn)定的；

2)肋片的導(dǎo)熱系數(shù)、肋根溫度均為定值；

3)金屬肋片只有x方向的導(dǎo)熱，肋片外的水膜只有y方向的導(dǎo)熱濕肋干肋濕肋的肋效率：干肋的肋效率：濕肋與干肋的肋效率具有相同的形式.空氣與水直接接觸熱質(zhì)交換現(xiàn)象在許多領(lǐng)域常見(jiàn)到如：石油化工、電力生產(chǎn)等工業(yè)過(guò)程的冷卻塔、蒸發(fā)式冷凝器等冷卻設(shè)備民用和工業(yè)空調(diào)中的噴淋室、蒸發(fā)冷卻空調(diào)器食品行業(yè)的冷卻枯燥過(guò)程農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的真空預(yù)冷、濕簾降溫和濕冷保鮮技術(shù)等都大量遇到空氣與水直接接觸熱質(zhì)交換。4.3空氣與水直接接觸時(shí)的熱濕交換2023/12/1352-33一、熱濕交換原理2023/12/1352-34空氣與水之間的熱交換取決于兩者的溫差.質(zhì)交換取決于兩者之間水蒸氣分壓力差〔蒸發(fā)或凝結(jié)〕水膜外表的空氣與水的熱濕交換過(guò)程濕空氣邊界層濕空氣主流GtdPq

tbdbPqb水2023/12/1352-35顯熱交換量：濕交換量：濕交換量也可寫(xiě)成：潛熱交換量：溫差是熱交換的動(dòng)力，水蒸氣分壓力差是濕交換的動(dòng)力2023/12/1352-36總熱交換量換熱擴(kuò)大系數(shù)ξ〔析濕系數(shù)〕對(duì)于水側(cè)：穩(wěn)定工況時(shí)，空氣側(cè)與水側(cè)換熱量相等：2023/12/1352-37二、蒸發(fā)冷卻裝置的特點(diǎn)與工作原理

蒸發(fā)冷卻就是利用水與空氣之間的熱濕交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的,可分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻

直接蒸發(fā)冷卻是指在噴淋室中水與空氣直接接觸,水不斷吸收空氣的熱量進(jìn)行蒸發(fā),從而使被處理的空氣降溫加濕直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)工作原理

A含濕量g/kg溫度（）直接蒸發(fā)空氣處理過(guò)程的i-d圖表示

As2023/12/1352-38被處理的空氣降溫極限？？？間接蒸發(fā)冷卻的制冷裝置示意圖

間接蒸發(fā)空氣處理過(guò)程的i-d圖表示

間接蒸發(fā)冷卻過(guò)程的核心思想是采用逆流換熱，逆流傳質(zhì)來(lái)減少不可逆損失，以得到較低的供冷溫度和較大的供冷量2023/12/1352-39輸出的冷水溫度？？三、與水直接接觸時(shí)空氣的狀態(tài)變化過(guò)程空氣與水接觸時(shí)，水外表形成的飽和空氣邊界層與主流空氣之間，通過(guò)分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散，使邊界層的飽和空氣與主流空氣不斷摻混，從而使主流空氣狀態(tài)發(fā)生變化。為方便分析，假設(shè)全部空氣與水接觸后都能到達(dá)具有水溫的飽和狀態(tài)，即水量無(wú)限大、接觸時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)。2023/12/1352-400Pq24321567Pq4Pq6At6=tAt4=tSt2=tlj=100%水蒸汽分壓力（Pa)2023/12/1352-41假想過(guò)程：空氣與水接觸的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)、水量無(wú)限大那么空氣的終態(tài)到達(dá)飽和，且等于水溫，狀態(tài)變化過(guò)程為一直線.空氣與水直接接觸時(shí)各種過(guò)程的特點(diǎn)

過(guò)程線水溫特點(diǎn)t或Qxd或Qsi或Qx過(guò)程名稱A-1A-2A-3A-4A-5A-6A-7tw<tltw=tltl<tw<tstw=tsts<tw<tAtw=tAtw>tA減減減減減不變?cè)鰷p不變?cè)鲈鲈鲈鲈鰷p減減不變?cè)鲈鲈鰷p濕冷卻等濕冷卻減焓加濕等焓加濕增焓加濕等溫加濕增溫加濕

0Pq24321567Pq4Pq6At6=tAt4=tSt2=tlj=100%水蒸汽分壓力（Pa)2023/12/1352-42理想過(guò)程：空氣與水接觸的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)、水量有限。那么空氣的終態(tài)仍到達(dá)飽和，終溫等于水終溫〔順流〕或水初溫〔逆流〕，狀態(tài)變化過(guò)程為一曲線.空氣與水直接接觸的變化過(guò)程

A123tw1tw'tw"tw2Φ=100%AΦ=100%123tw1tw'tw"tw2A123tw1tw'tw"tw2Φ=100%(a)(b)(c)水tw1tw2空氣tw1tw2tw1>tAtw1tw2tw1<tAtw1<tA理想過(guò)程：水量有限時(shí)，接觸時(shí)間很長(zhǎng)。2023/12/1352-44實(shí)際過(guò)程：空氣與水接觸的時(shí)間有限、水量有限。那么空氣的終態(tài)不可能到達(dá)飽和，通常用連接空氣初、終狀態(tài)點(diǎn)的直線表示空氣狀態(tài)的變化過(guò)程。四、空氣和水直接接觸時(shí)的對(duì)流增濕和減濕劉伊斯關(guān)系式:如果在空氣與水的熱濕交換過(guò)程中存在著劉伊斯關(guān)系式，那么2023/12/1352-46上式?jīng)]有考慮水分遷移時(shí)液體熱的轉(zhuǎn)移，同時(shí)以水蒸汽的焓〔≈2500〕代替式中的汽化潛熱，將濕空氣的比熱用〔1.01+1.84d〕代替，有或

即—麥凱爾方程說(shuō)明：熱質(zhì)交換同時(shí)進(jìn)行時(shí)，如劉伊斯關(guān)系成立，那么總熱交換的驅(qū)動(dòng)力是空氣的焓差2023/12/1352-47五、影響空氣與水外表之間熱質(zhì)交換的主要因素1、

焓差是總熱交換推動(dòng)力對(duì)于1kg干空氣，總熱交換量即為焓差Δi：2023/12/1352-48自然通風(fēng)機(jī)械通風(fēng)橫流逆流冷卻塔的型式2023/12/1352-491)當(dāng)空氣與水直接接觸時(shí)，從空氣側(cè)分析：總熱流：熱流方向以空氣初狀態(tài)濕球溫度TS1為界。顯熱：熱流方向以空氣初狀態(tài)干球溫度T1為界。TL1Ts1T1ΔiTo潛熱顯熱總熱2023/12/1352-50潛熱：熱流方向以空氣初狀態(tài)露點(diǎn)溫度TL1為界。TL1Ts1T1ΔiTo潛熱顯熱總熱2023/12/1352-512)當(dāng)空氣與水直接接觸時(shí)，從水側(cè)分析：水冷卻的極限溫度是空氣濕球溫度Ts1。空氣和水的初狀態(tài)決定了總熱流方向，決定過(guò)程的進(jìn)行。ΔiTL1Ts1T1To潛熱顯熱總熱2023/12/1352-522.氣液之間的雙膜阻力是熱質(zhì)交換的控制因素焓差推動(dòng)力與溫差推動(dòng)力之比，與雙膜阻力之比成正比。膜阻力越大，所需推動(dòng)力越大。影響雙膜阻力的因素也是影響熱質(zhì)交換的因素。1〕空氣流動(dòng)對(duì)氣膜阻力的影響空氣質(zhì)量流速vρ：增大時(shí)，那么氣膜減薄，膜阻減小，h和hmd增大。假設(shè)過(guò)大，那么氣