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1、第 4 章 空气热质处理方法,为了创造适宜的室内人工环境，满足房间的要求，因此必须有相应的热质处理设备能对空气进行各种热质处理，包括去湿和加湿、加热和冷却等，使之达到所要求的送风状态。,按照空气和液体表面之间的接触形式，可以分为直接接触和间接接触两种类型，直接接触又分为填料式和无填料式两种形式。,空气与水直接接触的典型设备是喷淋室和冷却塔，前者是用水来处理空气，后者是用空气来处理水。间接接触的典型设备是表冷器，空气与在盘管内流动的水或者制冷剂之间是间接接触，与冷却盘管表面的冷却水是直接接触。,4.1 空气热质处理的途径,空气调节（Air-conditioning） 使房间或封闭空间的空气温度、
2、湿度、洁净度和气流速度（简称“四度”）等参数，达到给定要求的技术。,所谓热舒适性就是人体对周围空气环境的舒适热感觉，在人的活动量和衣着一定的前提下，这主要取决于室内环境参数，如温度、湿度等。,所谓新风，就是从室外引进的新鲜空气，经过热质交换设备处理后送入室内的环境中。新风量大小是衡量室内空气质量的重要参考指标。室内新风量根据二氧化碳的浓度来确定。,4.1.1 几个相关概念,4.1 空气热质处理的途径,空调系统需要的新风主要有两个用途：一是满足室内人员的卫生要求；二是补充室内排风和保持室内正压。前者主要是稀释室内二氧化碳浓度，使其达到允许的标准值；后者通常根据风平衡计算确定。,在空调系统设计过程
3、中应合理的选用新风量，在满足卫生要求的前提下，应尽可能减少设计新风量。,所谓回风，就是从室内引出的空气，经过热质交换设备的处理再送回室内的环境中。通常回风是将从房间回风口吸走的空气的一部分送入空调箱，与新风混合后，进行空气处理再送入房间。,4.1 空气热质处理的途径,湿空气焓湿图：把描述湿空气状态参数及其变化过程的特性，描述在以焓值为纵坐标、以含湿量为横坐标的图线。,送风状态点：为了消除室内的余热余湿，以保持室内空气环境要求，送入房间的空气的状态。,焓湿图主要的线条有等焓线、等含湿量线、等温线、等相对湿度线以及水蒸气分压力线等。在焓湿图上能够定量表示湿空气的状态点以及湿空气的处理过程，是对空气
4、进行热质处理设计计算的重要图线。,当送入房间的空气吸收室内的余热和余湿后，其状态也由送风状态点变为原来的室内状态点，然后多余的室内空气再排出室外，从而保证了室内空气环境为所要求的状态。,4.1 空气热质处理的途径,舒适性空调室内计算参数：,夏季室内设计工况：,温度: 22 28 ,相对湿度： 40 65 %,风速:不应大于 0.3 m/ s,冬季室内设计工况：,温度: 18 24 ,相对湿度： 30 60 %,风速:不应大于 0.2 m/ s,4.1 空气热质处理的途径,4.1.2 空气热质处理的各种方案,在空调系统中，可以通过不同的途径，即采用不同的空气处理方案，得到同一种送风状态。,至于究
5、竟采用那种途径，则需结合冷源、热源、材料、设备等条件，经过技术经济分析比较才能最后确定。,4.1 空气热质处理的途径,4.1.3 空气热质处理及设备,根据各种热质交换设备的特点不同可将它们分成两大类：混合式热质交换设备和间壁式热质交换设备。前者包括喷淋室、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；后者包括各种形式的空气加热器及空气冷却器等。,混合式热质交换设备的特点：与空气进行热质交换的介质直接与空气接触。,间壁式热质交换设备的特点：与空气进行热质交换的介质不与空气接触，二者之间的热质交换是通过分隔壁面进行的。,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,4.2.1 湿空气在冷表面上的
6、冷却降湿,空调工程中，常用表面式空气冷却器来冷却、干燥空气。湿空气进入冷却器内，当冷却器表面温度低于湿空气的露点温度，水蒸气就要凝结，从而在冷却器表面形成一层流动的水膜。紧靠水膜处为湿空气的边界层，可以认为与水膜相邻的饱和空气层的温度与冷却器表面上的水膜温度近似相等。,在冷却表面的两侧，分别存在湿空气的水膜和边界层以及冷却剂侧的边界层。,空气的主体部分与冷却器表面的热交换是由于空气的主流与凝结水膜之间的温差而产生的，质交换则是由于空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气的分压力差，即含湿量差而引起的。,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,湿空气和水膜在无限小的微元面积dA上的热、质交换量
7、,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,假定水膜和金属表面的热阻可不计，则单位面积上冷却剂的传热量为：,根据热平衡,刘伊斯关系式,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,麦凯尔（ Merkel ）方程式,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饱和空气的焓差是热、质交换的推动势，其在单位时间内、单位面积上的总传热量可近似的用传质系数 hmd 与焓差驱动力i的乘积来表示。,根据热平衡，对于空气侧,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,这就是湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,麦凯尔方程,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,这就是连接点（ i , tw ）与（ i i , t i
8、）的连接线斜率。,表示 i 与 t w之间关系的工作线斜率,当空气冷却器结构确定后，已知空气和冷却剂流速，hw / hmd就为定值。显然，当tw一定时，表面温度 t i仅与空气进口的焓有关。,根据过程线斜率、连接线斜率、工作线斜率可在 i t 图上做出湿空气在空气冷却器冷却降湿过程中的温度与焓的变化曲线。,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,4.2.2 湿空气在肋片上的冷却降湿过程,等截面直杆肋片,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 tF , B 均为定值；,（3）金属肋片只有 x 方向的导热，肋片外的水膜只有 y 方向的导热。,4.2 空气与固体表面之间
9、的热质交换,对于离肋根 x 处分割出的长度为 dx 的微元体,金属肋片在 x 方向的导热量,在 dx 的微元体上，凝结水膜与肋片的传热量,在空调温度范围内，饱和空气的焓可近似表示为,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,在dx的微元体上，湿空气和水膜的总传热量为：,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,令,4.2 空气与固体表面之间的热质交换,边界条件,如果湿肋的肋效率为,求解，可得,综上，湿肋的肋效率与干肋的肋效率具有完全相同的形式，因此在计算湿肋的肋效率时，就可借鉴干肋的肋效率的有关数值与图表，所不同的是要用 hm 来代替 h 。,肋端处绝热,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,4.3.
10、1 热湿交换原理,空气与水直接接触时，根据水温的不同，可能仅发生显热交换（tw=tl），也可能既有显热交换又有潜热交换，即发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）。,显热交换是空气与水之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。潜热交换是空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。总热交换是显热交换和潜热交换的代数和。,空气与水之间的热湿交换和远离边界层的空气（主体空气）与边界层内饱和空气间温差及水蒸气分压力差（即水蒸气浓度差）的大小有关。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,温差是热交换的推动力，而水蒸气分压力差则是湿（质）交换 的推动力。,当空气与水在一微元面积d
11、A上接触时,显热交换量,湿交换量,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,在空调温度范围内，湿交换量,潜热交换量,总热交换量,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,总热交换量与显热交换量之比称为换热扩大系数(也称析湿系数）,从水侧看，总热交换量,在稳定工况下，空气与水之间热交换量总是平衡的,所谓稳定工况是指在换热过程中，换热设备内任何一点的热力学状态参数都不随时间变化的工况。在实际工程中，可以将空调设备中的热湿交换过程看成稳定工况。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,4.3.2 空气与水直接接触时的状态变化过程,空气与水的热湿交换过程可以视为主体空气与边界层空气不断 混合的过程。,在假想条件
12、（假定与空气接触的水量无限大，接触时间无限长）下，全部空气都能达到具有水温的饱和状态点。也就是说，此时空气的终状态点将位于 i d 图的饱和曲线上，且空气终温将等于水温。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,A2过程,空气增湿和减湿的分界线,空气与水接触时的状态变化过程,A4过程,空气增焓和减焓的分界线,A6过程,空气升温和降温的分界线,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,如果在空气处理设备中空气与水的接触时间足够长，但水量是有限的，则除 t w= t s的热湿交换过程外，水温都将发生变化，同时，空气状态变化过程也就不是一条直线。如在 i d 图上将整个变化过程依次分段进行考察，则可大致看
13、出曲线形状。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,（a） t w t l顺流,空气温度等于水终温,（b） t wt A顺流,在实际工程中关注的是空气处理的结果，在已知空气终状态时可用连接空气初、终状态点的直线来表示空气状态的变化过程。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,4.3.3 空气和水直接接触时的对流增湿和减湿,刘伊斯关系式,热交换与质交换类比时，只有当质交换的施米特准则（Sc）与热交换的普朗特准则（Pr）数值相等，而且边界条件的数学表达式也完全相同时，反映对流质交换强度的宣乌特准则（Sh）和反映对流热交换强度的努谢尔特准则（Nu）才相等，只有此时热质交换系数之比才是常数。因此，热质
14、交换系数之比等于常数的结论只适用于一部分空气处理过程。空气处理过程中，绝热加湿过程、冷却干燥过程、等温加湿过程、加热加湿过程以及用表冷器处理空气的过程符合刘伊斯关系式。,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,如果在空气与水的热湿交换过程中存在着刘伊斯关系式,以水蒸气的焓代替式中的汽化潜热，同时将湿空气的比热用（ 1.01 + 1.84d ）代替。,在热质交换同时进行时，如果符合刘伊斯关系式的条件存在，则推动总热交换的动力是空气的焓差。,麦凯尔方程,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,4.3.4 影响空气与水表面之间热质交换的主要因素,4.3.4.1 焓差是总热交换推动力,传给空气的总能量,热
15、质交换总换热方程式,总热交换量与推动力和传质系数乘积成正比。,空气与水表面之间的总热交换推动力是焓差，而不是温差。因此，在确定热流方向时，必须同时考虑显热和潜热两个方面。,对于 1 kg 干空气来说，总热交换量即为焓差,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,（1）当空气与水直接接触时，从空气侧而言：,1）总热交换量以空气初状态的湿球温度 Tsl 为界,Tw Ts1 空气增焓 总热流方向向着空气,Tw Ts1 空气减焓 总热流方向向着水,热质流量随着水温变化的关系,4.3 空气与水直接接触时的热湿交换,2）显热交换量以空气初状态的干球温度T1为界,Tw T1 空气获得显热 总热流方向总是向着空气,3）潜热交换以空气初状态的露点温度TL1为界,TwTL1 空气得到潜热量 总热流方向还要看显热流量而定,Tw T1 时，is和 iL的热流都由水流向空气，所以水温降低；,2）当Ts1 0 ，即热流仍由水流向空气，所以水温仍然降低；,3）当Ts1 Tw时， is iL ， i=0，此时热流量等于零，所以水温不变；,4）当Tw Ts1 时，此时 i 0 ，热流方向由空气流向水面，所以水温升高。,可以看出，水冷却的极限温度是Ts1 ，即水冷却的最低温度不可能低于空气湿球温度。,
