空气的热湿处理热质交换与设备原理.ppt
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第四章第四章 空气的热湿处理空气的热湿处理52-12024/9/5 内内 容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4.32024/9/552-2 4.1 空气空气的热湿的热湿处理途径处理途径4.1.1 空气调节的几个相关概念空气调节的几个相关概念焓湿图简介焓湿图简介空气调节，热舒适，新风，回风，送风状态，空气调节，热舒适，新风，回风，送风状态，焓湿图，夏季工况，冬季工况等焓湿图，夏季工况，冬季工况等2024/9/552-3 以以1kg干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力下，取焓下，取焓h与比湿度与比湿度d为坐标，图中有定比湿度、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、定相对湿度各线簇度、定干球温度、定相对湿度各线簇2024/9/552-4 定比湿度线簇定比湿度线簇一定压力下，水蒸气分压与比湿度一一对应，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因此定比湿度线簇也是定水蒸气分压力线簇。
定水蒸气分压力线簇露点温度露点温度td取决于水蒸气分压，因此定比湿度取决于水蒸气分压，因此定比湿度线簇也是线簇也是定定td线簇52-5 定焓线簇定焓线簇52-6 定温（干球温度）线簇定温（干球温度）线簇52-7 定相对湿度线簇定相对湿度线簇Φ=100%时线实际上是不同比湿度时线实际上是不同比湿度d下露点的轨迹下露点的轨迹Φ=0%时即为干空气，时即为干空气，d＝＝0，即纵坐标轴，即纵坐标轴52-8 水蒸气分压力线簇水蒸气分压力线簇由于由于d通常很小，所以通常很小，所以pv与与d近似成线性近似成线性52-9 定湿球温度线簇定湿球温度线簇由于由于d通常很小，湿球温度也不高，定通常很小，湿球温度也不高，定tw线可近似以定焓线代替线可近似以定焓线代替52-10 05432W'd0i1t0LOL'Wj=100j=100 %%(1) W →L → O 喷淋室喷冷水喷淋室喷冷水(或用表面冷却器或用表面冷却器)冷却减湿冷却减湿 → 加热器再热加热器再热(1) W’ → 2 → L → O:加热器预热加热器预热→ 喷蒸汽加湿喷蒸汽加湿→加热器再热加热器再热夏季：冷却减湿夏季：冷却减湿冬季：加热加湿冬季：加热加湿(2)W →1→ O: 固体吸湿剂减湿固体吸湿剂减湿 → 表面冷却器等湿冷却表面冷却器等湿冷却( 3)W → O: 液体吸湿剂减湿冷却液体吸湿剂减湿冷却(2)W‘→ 3 → L → O: 加热器预热加热器预热→ 喷淋室绝热加湿喷淋室绝热加湿→ 加热器再热加热器再热(3) W' → 4 → O: 加热器预热加热器预热→ 喷蒸汽加湿喷蒸汽加湿 (4)W' → L→ O: 喷淋室喷热水加热加湿喷淋室喷热水加热加湿→ 加热器再热加热器再热 (5)W' →5→L' →O: 加热器预热加热器预热→ 一部分喷淋室绝热加湿一部分喷淋室绝热加湿→与另一部分与另一部分未加湿空气混合未加湿空气混合4.1.4.1.2 2 空气热湿处理的原理和方案空气热湿处理的原理和方案 2024/9/552-11 4.1.3 空气热湿处理及设备空气热湿处理及设备 根据各种根据各种热质交交换设备的特点不同分成两大的特点不同分成两大类：： 混合式热质交换设备混合式热质交换设备 ：： 包括喷淋室、蒸汽加湿器、局部补充加湿包括喷淋室、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装置以及使用液体吸湿剂的装置等 间壁式热质交换设备：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包括光管式和肋管式空气加热器及空气冷却器等却器等 有的空气处理设备如喷水式表面冷却器则兼有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。
这两类设备的特点 2024/9/552-12 B冷却降湿是将空气冷却到露点温度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以下，从而将其中水蒸气部分去除的方法的方法 冷却盘管凝结水CA湿空气通过盘管的情况湿空气通过盘管的情况冷却除湿时空气状态变化的冷却除湿时空气状态变化的i-d i-d 图上表示图上表示4.2 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 2024/9/552-13 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用分，使得空气侧壁面上出现水蒸汽冷凝液在重力作用下的流动下的流动 4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿湿空气在冷表面上的冷却降湿2024/9/552-14 湿空气边界层湿空气边界层 冷表面冷表面 冷却剂边界层冷却剂边界层 冷冷却却剂剂W湿湿空空气气Gttitw凝凝 结结 水水膜膜dAddi2024/9/552-15 湿空气边界层湿空气边界层 冷表面冷表面 冷却剂边界层冷却剂边界层 冷冷却却剂剂W湿湿空空气气Gttitw凝结水膜凝结水膜dAddi空气侧：空气侧：忽略水膜和金属表面的热阻，忽略水膜和金属表面的热阻，冷却剂的传热量有：冷却剂的传热量有： 2024/9/552-16 根据热平衡可得根据热平衡可得 对于水对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为 湿湿湿湿空空空空气气气气在在在在冷冷冷冷却却却却表表表表面面面面进进进进行行行行冷冷冷冷却却却却降降降降湿湿湿湿过过过过程程程程中中中中，，，，湿湿湿湿空空空空气气气气主主主主流流流流与与与与紧紧紧紧靠靠靠靠水水水水膜膜膜膜的的的的饱饱饱饱和和和和空空空空气气气气的的的的焓焓焓焓差差差差是是是是热热热热湿湿湿湿交交交交换的推动力。
换的推动力换的推动力换的推动力麦凯尔方程麦凯尔方程2024/9/552-17 湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率 点（点（i, tw)与与(ii,ti )的连接线斜率的连接线斜率根据热平衡，空气侧：根据热平衡，空气侧：2024/9/552-18 上式为上式为i与与tw之间的工作线斜率之间的工作线斜率 又：又：湿空气在冷却降湿过湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率程中的过程线斜率 点（点（i, tw)与与(ii, ti )连接线斜率连接线斜率可在可在i-t图上做出湿空气在表冷器图上做出湿空气在表冷器 冷却减湿过程中冷却减湿过程中的温度与焓的变化曲线的温度与焓的变化曲线2024/9/552-19 湿湿空空气气冷冷却却减减湿湿过过程程示示意意图图ti● M(i2, t2) PQB(i1, tw2) ●●tw2i2tw1t1饱饱和和线线工工作作线线冷冷却却减减湿湿过程线过程线● E(i1, t1) t2连连接接线线切线切线A(i2, tw1) ●湿空气入口状态湿空气入口状态湿空气出口状态湿空气出口状态出口端冷却剂温度出口端冷却剂温度入口端冷却剂温度入口端冷却剂温度C(ii, ti) td2td1湿球温度湿球温度干球温度干球温度湿球温度湿球温度干干球球温度温度2024/9/552-20 常常压下下饱和湿空气的和湿空气的焓值及其在及其在饱和曲和曲线上的斜率上的斜率 4.47.210.012.815.618.321.123.926.729.432.235.037.840.643.346.148.951.7 54.4 8.4619.80111.27812.90014.67016.70018.93820.33824.27127.46031.07135.17639.84545.18751.29858.31966.40875.774 86.607 0.4540.5070.5570.6160.6840.7630.8550.9601.0821.2241.3891.5801.8022.0612.3642.723.143.64 4.25 i(kcal/kg)t(℃)di/dt[kcal/(kg·℃)]2024/9/552-21 冷却表面冷却表面积计算算2024/9/552-22 4.2.2 湿空气在肋片上的冷却降湿过程湿空气在肋片上的冷却降湿过程 表面表面式冷却器往往采用肋片这种扩展换热面的形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肋和环肋两类，直肋和环肋又都可分为等截面和变截面截面 等截面直肋示例等截面直肋示例2024/9/552-23 假定：假定： 1）热）热、质传递过程、质传递过程是稳定的；是稳定的； 2）肋）肋片的导热系数、片的导热系数、肋根温度均为定值；肋根温度均为定值； 3）肋）肋片只有片只有x向导向导热，肋片外的水膜热，肋片外的水膜只有只有y向的导热向的导热 xdxL水膜平均厚度水膜平均厚度twdqF2yF湿空气湿空气qFtFywtFBy等截面直肋等截面直肋2024/9/552-24 xdxLtwdqF2yF湿空气湿空气qFtFywtFBy2024/9/552-25 肋片微元在肋片微元在-x方向上净导热量为方向上净导热量为肋片与水膜之间的换热量为肋片与水膜之间的换热量为饱和空气焓可近似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微元体上，湿空气和水膜的总传热量为2024/9/552-26 令令2024/9/552-27 边界条件：边界条件：方程：方程：定义湿肋的定义湿肋的肋效率为：肋效率为：其中：其中： 湿肋与干肋的肋效率形式相同，将湿肋与干肋的肋效率形式相同，将h替换为替换为hmd后可直接引用干肋肋效率图表后可直接引用干肋肋效率图表2024/9/552-28 空气空气与水直接接触热质交换现象在生产与水直接接触热质交换现象在生产应用的应用的许许多领域都常见多领域都常见到，如：到，如： 石油化工石油化工 电力生产等工业过程的冷却塔电力生产等工业过程的冷却塔 蒸发式冷凝器等冷却设备蒸发式冷凝器等冷却设备 民用民用和工业空调系统中的喷淋室、蒸发冷却空调器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食品行业的冷却干燥过程 农业工程领域的真空预冷农业工程领域的真空预冷 湿帘降温和湿冷保鲜技术等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空气与水直接接触时的热湿交换 2024/9/552-29 4.3.1 热湿交换原理热湿交换原理 2024/9/552-30 水膜表面的空气与水的热湿交换过程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 Pq tb db Pqb水2024/9/552-31 显热交换量：显热交换量： 湿交换量：湿交换量：湿交换量也可写成：湿交换量也可写成： 潜热交换量：潜热交换量： 温差是温差是热交换热交换的动力，的动力，水蒸气分压力差是湿交换的动力水蒸气分压力差是湿交换的动力2024/9/552-32 总热交换量总热交换量 换热扩大系数换热扩大系数ξ（析湿系数）（析湿系数） 对于水侧：对于水侧： 稳定工况时，空气侧与水侧换热量相等：稳定工况时，空气侧与水侧换热量相等：2024/9/552-33 4.3.2 蒸发冷却装置的特点与工作原理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蒸发冷却就是利用水与空气之间的热湿交换来实现的的, , 可分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却可分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却 直接直接蒸发冷却是指在喷淋室中水与空气直接接触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水不断吸收空气的热量进行蒸发, , 从而使被处理的空从而使被处理的空气降温加湿气降温加湿 直接蒸发冷却空调工作原理直接蒸发冷却空调工作原理 A 含湿量 g/kg温度（ ）直接直接蒸发空气蒸发空气处理过程处理过程的的i-d图图 表示表示 As2024/9/552-34 间接蒸发冷却的制冷装置示意图间接蒸发冷却的制冷装置示意图 间接间接蒸发空气蒸发空气处理过程的处理过程的i-d图图表示表示 间接蒸发冷却过程的核心思想是采用逆流换热，间接蒸发冷却过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和较大的供冷量 2024/9/552-35 4.3.3 与水直接接触时空气的状态变化过程与水直接接触时空气的状态变化过程 空空气气与与水水接接触触时时，，水水表表面面形形成成的的饱饱和和空空气气边边界界层层与与主主流流空空气气之之间间，，通通过过分分子子扩扩散散和和紊紊流流扩扩散散，，使使边边界界层层的的饱饱和和空空气气与与主主流流空空气气不不断断掺混，从而使主流空气状态发生变化。
掺混，从而使主流空气状态发生变化为为方方便便分分析析，，假假设设全全部部空空气气与与水水接接触触后后都都能能达达到到具具有有水水温温的的饱饱和和状状态态，，即即水水量量无无限限大大、、接触时间无限长接触时间无限长2024/9/552-36 空气与水直接接触空气与水直接接触时各种各种过程的特点程的特点 过程线过程线水温特点水温特点t或或Qxd或或Qqi或或Qz过程名称过程名称A-1A-2A-3A-4A-5A-6A-7tw< tltw= tltl 水量有限时，接触时间很长2024/9/552-38 4.3.3 空气和水直接接触空气和水直接接触时的的对流增湿和减湿流增湿和减湿 刘伊斯关系式刘伊斯关系式: 如果在空气与水的热湿交换过程中存在着如果在空气与水的热湿交换过程中存在着刘伊斯关系式，则刘伊斯关系式，则 2024/9/552-39 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（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）代替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（1.01+1.84d））代替代替 ，有，有或或 即即 麦凯尔方程麦凯尔方程表明：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换的驱动力是空气的焓差2024/9/552-40 4.3.4 影响空气与水表面之影响空气与水表面之间热质交交换的主要因素的主要因素 4.3.4.1 焓差是差是总热交交换推推动力力对于对于1kg干空气，总热交换量即为焓差干空气，总热交换量即为焓差Δi：：2024/9/552-41 自然通风自然通风机械通风机械通风横流横流逆流逆流冷冷却却塔塔的的型型式式2024/9/552-42 1)当空气与水直接接触时，从空气侧分析：当空气与水直接接触时，从空气侧分析：总热流总热流：热流方向以空气初状态湿球温度：热流方向以空气初状态湿球温度TS1为界。 为界显热显热：热流方向以空气初状态干球温度：热流方向以空气初状态干球温度T1为界TL1Ts1T1ΔiTo潜热潜热显热显热总热总热2024/9/552-43 潜热潜热：热流方向以空气初状态露点温度：热流方向以空气初状态露点温度TL1为界TL1Ts1T1ΔiTo潜热潜热显热显热总热总热2024/9/552-44 2)当空气与水直接接触时，从水侧分析：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，决定过空气和水的初状态决定了总热流方向，决定过程的进行程的进行ΔiTL1Ts1T1To潜热潜热显热显热总热总热2024/9/552-45 4.3.4.2 气液之气液之间的双膜阻力是的双膜阻力是热质交交换的控制因素的控制因素 焓焓差推动力与温差推动力之比，与双膜阻力之比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，所需推动力越大膜阻力越大，所需推动力越大影响双膜阻力的因素也是影响热质交换的因素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）空气流动对气膜阻力的影响 空气质量流速空气质量流速vρ：：增大，则气膜减薄，膜阻减小，增大，则气膜减薄，膜阻减小，h和和hmd增大。 增大过大，则气水接触时间短，且流动阻力大，气流携过大，则气水接触时间短，且流动阻力大，气流携带水量大，不易捕捉带水量大，不易捕捉由式（由式（4-3）：）：2024/9/552-46 2）液滴大小对水膜阻力的影响）液滴大小对水膜阻力的影响•小水滴：小水滴：水滴内部停滞，热质传递主要靠分子扩水滴内部停滞，热质传递主要靠分子扩散，水膜阻力大散，水膜阻力大•中水滴：中水滴：内部有层流内循环，提高了传质速率，内部有层流内循环，提高了传质速率，降低了水膜阻力降低了水膜阻力•大水滴：大水滴：会发生变形，内部有较强烈混合，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2024/9/552-47 3）淋水装置填料材料和结构对热质交换也有较大影响）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：一般的：一般的：气水逆流时，水气比气水逆流时，水气比气水逆流时，水气比气水逆流时，水气比μμμμ应较大；应较大；应较大；应较大；气水顺流时，水气比气水顺流时，水气比气水顺流时，水气比气水顺流时，水气比μ μ应较小；应较小；应较小；应较小；4）水气比）水气比μμ的影响的影响2024/9/552-48 4.3.4.3 间接接触的表冷器深度（管排数）接接触的表冷器深度（管排数）对热质交交换的影响的影响 若空气及冷却剂流速一定，且冷却剂温度若空气及冷却剂流速一定，且冷却剂温度Tw给给定，则上式右侧为定值。 此时表冷器表面温度定，则上式右侧为定值此时表冷器表面温度Tb只只是空气焓是空气焓i的函数 空气冷却干燥过程为减焓过程，因此表冷器表空气冷却干燥过程为减焓过程，因此表冷器表面温度沿气流方向降低，即后面的管排温度比前面面温度沿气流方向降低，即后面的管排温度比前面的低2024/9/552-49 为增加热交换，应增加管排数，但也增加了阻力为增加热交换，应增加管排数，但也增加了阻力湿工况湿工况（既有显热、也有潜热交换）（既有显热、也有潜热交换）干工况干工况（只有显热交换）（只有显热交换）气流气流表表冷冷器器入入口口表表冷冷器器出出口口2024/9/552-50 4.3.5 空气与水表面的空气与水表面的热质交交换系数系数hmd理论计算困难，一般通过实验进行确定理论计算困难，一般通过实验进行确定影响对流传质系数的因素：影响对流传质系数的因素：空气与水的初参数；热质交换设备的结构；空气质空气与水的初参数；热质交换设备的结构；空气质量流速量流速vρ；水气比；水气比μ 热热质交换设备的对流传质系数难以确定，可用其质交换设备的对流传质系数难以确定，可用其它方式（如效率）表示设备性能它方式（如效率）表示设备性能。 2024/9/552-51 The EndThe End 。
