熱質(zhì)交換原理與設(shè)備第三版第4章

第四章

空氣的熱濕處理52-12024/12/15內(nèi)容空氣的熱濕處理途徑4.1空氣與固體表面之間的熱濕交換4.2空氣與水直接接觸的熱濕交換4.32024/12/1552-24.1空氣的熱濕處理途徑4.1.1

空氣調(diào)節(jié)的幾個相關(guān)概念焓濕圖簡介空氣調(diào)節(jié)，熱舒適，新風(fēng)，回風(fēng)，送風(fēng)狀態(tài)，焓濕圖，夏季工況，冬季工況等2024/12/1552-3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、定相對濕度各線簇。2024/12/1552-4定比濕度線簇一定壓力下，水蒸氣分壓與比濕度一一對應(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定相對濕度線簇Φ=100%時線實(shí)際上是不同比濕度d下露點(diǎn)的軌跡Φ=0%時即為干空氣，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(或用表面冷卻器)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→表面冷卻器等濕冷卻(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→一部分噴淋室絕熱加濕→與另一部分未加濕空氣混合4.1.2空氣熱濕處理的原理和方案2024/12/1552-114.1.3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)備如噴水式表面冷卻器則兼有這兩類設(shè)備的特點(diǎn)。2024/12/1552-12B冷卻降濕是將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，從而將其中水蒸氣部分去除的方法冷卻盤管凝結(jié)水CA濕空氣通過盤管的情況冷卻除濕時空氣狀態(tài)變化的i-d圖上表示4.2空氣與固體表面之間的熱濕交換2024/12/1552-13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程示意圖空調(diào)工程中通常通過金屬冷壁面冷卻濕空氣以除掉濕分，使得空氣側(cè)壁面上出現(xiàn)水蒸汽冷凝液在重力作用下的流動4.2.1濕空氣在冷表面上的冷卻降濕2024/12/1552-14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dAddi2024/12/1552-15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)：忽略水膜和金屬表面的熱阻，冷卻劑的傳熱量有：2024/12/1552-16根據(jù)熱平衡可得對于水-空氣系統(tǒng)，根據(jù)劉伊斯關(guān)系式上式改寫為

濕空氣在冷卻表面進(jìn)行冷卻降濕過程中，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力。麥凱爾方程2024/12/1552-17濕空氣在冷卻降濕過程中的過程線斜率點(diǎn)（i,tw)與(ii,ti

)的連接線斜率根據(jù)熱平衡，空氣側(cè)：2024/12/1552-18上式為i與tw之間的工作線斜率又：濕空氣在冷卻降濕過程中的過程線斜率點(diǎn)（i,tw)與(ii,ti

)連接線斜率可在i-t圖上做出濕空氣在表冷器冷卻減濕過程中的溫度與焓的變化曲線2024/12/1552-19濕空氣冷卻減濕過程示意圖ti●M(i2,t2)PQB(i1,tw2)●●tw2i2tw1t1飽和線工作線冷卻減濕過程線●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)td2td1濕球溫度干球溫度濕球溫度干球溫度2024/12/1552-20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·℃)]2024/12/1552-21冷卻表面積計(jì)算2024/12/1552-224.2.2濕空氣在肋片上的冷卻降濕過程

表面式冷卻器往往采用肋片這種擴(kuò)展換熱面的形式來強(qiáng)化冷卻降濕過程中的熱、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示例2024/12/1552-23假定：1）熱、質(zhì)傳遞過程是穩(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向?qū)?，肋片外的水膜只有y向的導(dǎo)熱。xdxL水膜平均厚度twdqF2yF濕空氣qFtFywtFBy等截面直肋2024/12/1552-24xdxLtwdqF2yF濕空氣qFtFywtFBy2024/12/1552-25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2024/12/1552-26令2024/12/1552-27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2024/12/1552-28

空氣與水直接接觸熱質(zhì)交換現(xiàn)象在生產(chǎn)應(yīng)用的許多領(lǐng)域都常見到，如：石油化工電力生產(chǎn)等工業(yè)過程的冷卻塔蒸發(fā)式冷凝器等冷卻設(shè)備民用和工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)中的噴淋室、蒸發(fā)冷卻空調(diào)器食品行業(yè)的冷卻干燥過程農(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的直接接觸熱質(zhì)交換情況4.3空氣與水直接接觸時的熱濕交換2024/12/1552-294.3.1熱濕交換原理2024/12/1552-30水膜表面的空氣與水的熱濕交換過程濕空氣邊界層濕空氣主流GtdPq

tbdbPqb水2024/12/1552-31顯熱交換量：濕交換量：濕交換量也可寫成：潛熱交換量：溫差是熱交換的動力，水蒸氣分壓力差是濕交換的動力2024/12/1552-32總熱交換量換熱擴(kuò)大系數(shù)ξ（析濕系數(shù)）對于水側(cè)：穩(wěn)定工況時，空氣側(cè)與水側(cè)換熱量相等：2024/12/1552-334.3.2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)空氣處理過程的i-d圖表示

As2024/12/1552-34間接蒸發(fā)冷卻的制冷裝置示意圖

間接蒸發(fā)空氣處理過程的i-d圖表示間接蒸發(fā)冷卻過程的核心思想是采用逆流換熱，逆流傳質(zhì)來減少不可逆損失，已得到較低的供冷溫度和較大的供冷量2024/12/1552-354.3.3

與水直接接觸時空氣的狀態(tài)變化過程空氣與水接觸時，水表面形成的飽和空氣邊界層與主流空氣之間，通過分子擴(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達(dá)到具有水溫的飽和狀態(tài)，即水量無限大、接觸時間無限長。2024/12/1552-36空氣與水直接接觸時各種過程的特點(diǎn)

過程線水溫特點(diǎn)t或Qxd或Qsi或Qx過程名稱A-1A-2A-3A-4A-5A-6A-7tw<tltw=tltl<tw<tstw=tsts<tw<tAtw=tAtw>tA減減減減減不變增減不變增增增增增減減減不變增增增減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)2024/12/1552-37空氣與水直接接觸的變化過程

A123tw1tw'tw"tw2Φ=100%AΦ=100%123tw1tw'tw"tw2A123tw1tw'tw"tw2Φ=100%(a)(b)(c)水tw1tw2空氣tw1tw2tw1>tAtw1tw2tw1<tAtw1<tA水量有限時，接觸時間很長。2024/12/1552-38

4.3.3空氣和水直接接觸時的對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程中存在著劉伊斯關(guān)系式，則

2024/12/1552-39上式?jīng)]有考慮水分遷移時液體熱的轉(zhuǎn)移，同時以水蒸汽的焓（≈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

即麥凱爾方程表明：熱質(zhì)交換同時進(jìn)行時，如劉伊斯關(guān)系成立，則總熱交換的驅(qū)動力是空氣的焓差2024/12/1552-404.3.4影響空氣與水表面之間熱質(zhì)交換的主要因素4.3.4.1焓差是總熱交換推動力對于1kg干空氣，總熱交換量即為焓差Δi：2024/12/1552-41自然通風(fēng)機(jī)械通風(fēng)橫流逆流冷卻塔的型式2024/12/1552-421)當(dāng)空氣與水直接接觸時，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2024/12/1552-43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2024/12/1552-442)當(dāng)空氣與水直接接觸時，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，決定過程的進(jìn)行。ΔiTL1Ts1T1To潛熱顯熱總熱2024/12/1552-454.3.4.2氣液之間的雙膜阻力是熱質(zhì)交換的控制因素焓差推動力與溫差推動力之比，與雙膜阻力之比成正比。膜阻力越大，所需推動力越大。影響雙膜阻力的因素也是影響熱質(zhì)交換的因素。1）空氣流動對氣膜阻力的影響空氣質(zhì)量流速vρ：增大，則氣膜減薄，膜阻減小，h和hmd增大。過大，則氣水接觸時間短，且流動阻力大，氣流攜帶水量大，不易捕捉。由式（4-3）：2024/12/1552-462）液滴大小對水膜阻力的影響小水滴：水滴內(nèi)部停滯，熱質(zhì)傳遞主要靠分子擴(kuò)散，水膜阻力大。中水滴：內(nèi)部有層流內(nèi)循環(huán)，提高了傳質(zhì)速