空气的热湿处理---热质交换与设备原理

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1、第四章第四章 空气的热湿处理空气的热湿处理52-12012-4-5内 容空气的热湿处理途径空气的热湿处理途径4.1空气与固体表面之间的热湿交换空气与固体表面之间的热湿交换4.2空气与水直接接触的热湿交换空气与水直接接触的热湿交换4.32012-4-552-24.1 空气的热湿处理途径4.1.1 空气调节的几个相关概念焓湿图简介空气调节，热舒适，新风，回风，送风状态 ，焓湿图，夏季工况，冬季工况等2012-4-552-3以1kg干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力 下，取焓h与比湿度d为坐标，图中有定比湿度、 定水蒸气分压力、定露点温度、定焓、定湿球温 度、定干球温度、定相对湿度各线簇。201

2、2-4-552-4定比湿度线簇一定压力下，水蒸气分压与比湿度一一对应， 因此定比湿度线簇也是定水蒸气分压力线簇。 露点温度td取决于水蒸气分压，因此定比湿度 线簇也是定td线簇。52-5定焓线簇52-6定温（干球温度）线簇52-7定相对湿度线簇=100%时线实际上是不同比湿度d下露点的轨迹=0%时即为干空气，d0，即纵坐标轴52-8水蒸气分压力线簇由于d通常很小，所以pv与d近似成线性52-9定湿球温度线簇由于d通常很小，湿球温度也不高，定tw 线可近似以定焓线代替52-1005432Wd0i1t0LO LWj=100 %(1) W L O 喷淋室喷冷水(或用表面冷却器)冷却减湿 加热器再热(

3、1) W 2 L O:加热器预热 喷蒸汽加湿加热器再热夏季：冷却减湿冬季：加热加湿(2)W 1 O: 固体吸湿剂减湿 表面冷却器等湿冷却( 3)W O: 液体吸湿剂减湿冷却(2)W 3 L O: 加热器预热 喷淋室绝热加湿 加热器再热(3) W 4 O: 加热器预热 喷蒸汽加湿(4)W L O: 喷淋室喷热水加热加湿 加热器再热 (5)W 5L O: 加热器预热 一部分喷淋室绝热加湿与另一部分 未加湿空气混合4.1.2 空气热湿处理的原理和方案 2012-4-552-114.1.3 空气热湿处理及设备 根据各种热质热质 交换设备换设备 的特点不同分成两大 类类： 混合式热质交换设备 ：包括喷淋

4、室、蒸汽加湿器、局部补充加湿 装置以及使用液体吸湿剂的装置等 间壁式热质交换设备：包括光管式和肋管式空气加热器及空气冷 却器等 有的空气处理设备如喷水式表面冷却器则兼有 这两类设备的特点。 2012-4-552-12B冷却降湿是将空气冷却到露点温度 以下，从而将其中水蒸气部分去除 的方法 冷却盘管凝结水CA湿空气通过盘管的情况冷却除湿时空气状态变化的i-d 图上表示4.2 空气与固体表面之间的热湿交换 2012-4-552-13湿空气传质气膜冷凝液膜冷却介质传热金属壁湿空气在冷壁面上的冷却去湿过程示意图空调工程中通常通过金属冷壁面冷却湿空气以除掉湿 分，使得空气侧壁面上出现水蒸汽冷凝液在重力作

5、用 下的流动 4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿2012-4-552-14湿空气边界层 冷表面 冷却剂边界层 冷 却 剂W湿 空 气Gt titw凝结水 膜dAddi2012-4-552-15湿空气边界层 冷表面 冷却剂边界层 冷 却 剂W湿 空 气Gttitw凝结水膜dAddi空气侧：忽略水膜和金属表面的热阻， 冷却剂的传热量有： 2012-4-552-16根据热平衡可得 对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为 湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，湿湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，湿 空气主流与紧靠水膜的饱和空气的焓差是热湿交空气主流与紧靠水膜的饱和空气的焓差是热湿交 换的推动

6、力。换的推动力。麦凯尔方程2012-4-552-17湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率 点（i, tw)与(ii,ti )的连接线斜率根据热平衡，空气侧：2012-4-552-18上式为i与tw之间的工作线斜率 又：湿空气在冷却降湿过 程中的过程线斜率 点（i, tw)与(ii, ti )连接线斜率可在i-t图上做出湿空气在表冷器 冷却减湿过程中 的温度与焓的变化曲线2012-4-552-19湿空气冷却减湿过程示意图ti M(i2, t2) PQB(i1, tw2) tw2i2tw1t1饱 和 线工 作 线冷却减湿 过程线 E(i1, t1) t2连 接 线切线A(i2, tw1) 湿空气入口

7、状态湿空气出口状态出口端冷却剂温度入口端冷却剂温度C(ii, ti) td2td1湿球温度干球温度湿球温度干球 温度2012-4-552-20常压压下饱饱和湿空气的焓值焓值 及其在饱饱和曲线线上的斜率 4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 40.6 43.3 46.1 48.9 51.754.4 8.461 9.801 11.278 12.900 14.670 16.700 18.938 20.338 24.271 27.460 31.071 35.176 39.845 45.187 51.298 58.3

8、19 66.408 75.77486.607 0.454 0.507 0.557 0.616 0.684 0.763 0.855 0.960 1.082 1.224 1.389 1.580 1.802 2.061 2.364 2.72 3.14 3.644.25 i(kcal/kg)t()di/dtkcal/(kg)2012-4-552-21冷却表面积计积计 算2012-4-552-224.2.2 湿空气在肋片上的冷却降湿过程表面式冷却器往往采用肋片这种扩展换热面的形 式来强化冷却降湿过程中的热、质交换。肋片有直 肋和环肋两类，直肋和环肋又都可分为等截面和变 截面 等截面直肋示例2012-4-

9、552-23假定：1）热、质传递过程是稳定的；2）肋片的导热系数、肋根温度均为定值；3）肋片只有x向导热，肋片外的水膜只有y向的导热 。xdxL水膜平均厚度twdqF2yF湿空气qFtFywtFBy等截面直肋2012-4-552-24xdxL twdqF2yF湿空气qFtFywtFBy2012-4-552-25肋片微元在-x方向上净导热量为肋片与水膜之间的换热量为饱和空气焓可近似为微元体上，湿空气和水膜的总传热量为2012-4-552-26令2012-4-552-27边界条件：方程：定义湿肋的 肋效率为：其中：湿肋与干肋的肋效率形式相同，将h替换为 hmd后可直接引用干肋肋效率图表2012-4

10、-552-28空气与水直接接触热质交换现象在生产应用的许 多领域都常见到，如：石油化工电力生产等工业过程的冷却塔蒸发式冷凝器等冷却设备民用和工业空调系统中的喷淋室、蒸发冷却空调器食品行业的冷却干燥过程农业工程领域的真空预冷湿帘降温和湿冷保鲜技术等都大量遇到空气与水的直接接触热质交换情况 4.3 空气与水直接接触时的热湿交换 2012-4-552-294.3.1 热湿交换原理 2012-4-552-30水膜表面的空气与水的热湿交换过程湿空气边界层湿空气主流G t d Pqtb db Pqb水2012-4-552-31显热交换量： 湿交换量：湿交换量也可写成： 潜热交换量： 温差是热交换的动力，

11、水蒸气分压力差是湿交换的动力2012-4-552-32总热交换量 换热扩大系数（析湿系数） 对于水侧： 稳定工况时，空气侧与水侧换热量相等：2012-4-552-334.3.2 蒸发冷却装置的特点与工作原理蒸发冷却就是利用水与空气之间的热湿交换来实现 的, 可分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却 直接蒸发冷却是指在喷淋室中水与空气直接接触, 水不断吸收空气的热量进行蒸发, 从而使被处理的空 气降温加湿 直接蒸发冷却空调工作原理 A含湿量 g/kg温度（ ）直接蒸发空气处理过程的i-d图 表示 As2012-4-552-34间接蒸发冷却的制冷装置示意图 间接蒸发空气处理过程的i-d图表示间接蒸发冷却过

12、程的核心思想是采用逆流换热， 逆流传质来减少不可逆损失，已得到较低的供冷温度 和较大的供冷量 2012-4-552-354.3.3 与水直接接触时空气的状态变化过程 空气与水接触时，水表面形成的饱和空气边 界层与主流空气之间，通过分子扩散和紊流 扩散，使边界层的饱和空气与主流空气不断 掺混，从而使主流空气状态发生变化。为方便分析，假设全部空气与水接触后都能 达到具有水温的饱和状态，即水量无限大、 接触时间无限长。2012-4-552-36空气与水直接接触时时各种过过程的特点 过程线水温特点t或Qxd或Qqi或Qz过程名称A-1A-2A-3A-4A-5A-6A-7twtA减减减减减不变增 减不变

13、增增增增增减减减不变增增 增 减湿冷却等湿冷却减焓加湿等焓加湿增焓加湿等温加湿增温加湿 0Pq24 32 1567Pq4Pq6At6=tAt4=tSt2=tlj=100 %水蒸汽分压力（Pa)2012-4-552-37空气与水直接接触的变化过程 A123tw1twtw“tw2=100%A=100 %123tw1twtw“tw2A 123tw1twtw“tw2=100%(a) (b)(c) 水tw1tw2空气tw1tw2tw1tAtw1tw2tw1tAtw1tA水量有限时，接触时间很长。2012-4-552-384.3.3 空气和水直接接触时时的对对流增湿和减湿 刘伊斯关系式: 如果在空气与水的

14、热湿交换过程中存在着 刘伊斯关系式，则 2012-4-552-39上式没有考虑水分迁移时液体热的转移，同时以水蒸汽的焓（2500）代 替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（1.01+1.84d）代替 ，有或 即 麦凯尔方程表明：热质交换同时进行时，如刘伊斯关系成立，则总热交 换的驱动力是空气的焓差2012-4-552-404.3.4 影响空气与水表面之间热质间热质 交换换的主要因素 4.3.4.1 焓焓差是总热总热 交换换推动动力对于1kg干空气，总热交换量即为焓差i：2012-4-552-41自然通风机械通风横流逆流冷 却 塔 的 型 式2012-4-552-421)当空气与水直接接触时，从空

15、气侧分析：总热流：热流方向以空气初状态湿球温度TS1为界。显热：热流方向以空气初状态干球温度T1为界。TL1Ts1T1iT o潜热显热总热2012-4-552-43潜热：热流方向以空气初状态露点温度TL1为界。TL1Ts1T1iT o潜热显热总热2012-4-552-442)当空气与水直接接触时，从水侧分析：水冷却的极限温度是空气湿球温度Ts1。空气和水的初状态决定了总热流方向，决定过 程的进行。iTL1Ts1T1To潜热显热总热2012-4-552-454.3.4.2 气液之间间的双膜阻力是热质热质 交换换的控制因素焓差推动力与温差推动力之比，与双膜阻力之比 成正比。膜阻力越大，所需推动力越

16、大。影响双膜阻力的因素也是影响热质交换的因素。1）空气流动对气膜阻力的影响空气质量流速v： 增大，则气膜减薄，膜阻减小，h和hmd增大。 过大，则气水接触时间短，且流动阻力大，气流携 带水量大，不易捕捉。由式（4-3） ：2012-4-552-462）液滴大小对水膜阻力的影响小水滴：水滴内部停滞，热质传递主要靠分子扩 散，水膜阻力大。中水滴：内部有层流内循环，提高了传质速率， 降低了水膜阻力。大水滴：会发生变形，内部有较强烈混合，水滴 有振荡，水膜阻力进一步降低。水滴小，沉降速度慢，气水接触时间长，且比水滴小，沉降速度慢，气水接触时间长，且比 表面积大，利于热质交换。但太小易被气流带走。表面积大，利于热质交换。但太小易被气流带走。2012-4-552-473）淋水装置填料材料和结构对热质交换也有较大影响一般的：一般的：气水逆流时，水气比气水逆流时，