热质交换原理与设备(chapter4 new)

本章内容 1 空气热质处理的主要的理论和技术原理2 空气热质处理的途径3 热湿调节案例分析考虑加入些蒸发式空调 把前面的原理用起来 苏老师材料 第4章空气的热湿处理 4 1 1几个相关概念 1 空气调节 对空气的温湿度进行处理 使之达到要求 温度 湿度 风速 空气品质等 2 新风 室外经过热质交换设备处理后进入室内的新鲜空气 用途 满足室内人员的卫生要求 补充室内的正压 3 热舒适性 人体对周围环境的热舒适性感觉 Acceptableoperativetemperaturerangesfornaturallyconditionedspaces ASHRAE55 2004 5 SCVindexvarieswithtimeoftest 20岁 30岁 SCVindexvarieswithtimeoftest 4 湿空气焓湿图 湿空气状态参数及其变化特征的曲线 包括 等焓线 等湿线 等温线 等相对湿度线 附表4 1的构成介绍 5 回风 从室内引出的空气 经过热质交换设备处理后再次进入室内的空气 6 送风状态点 为保持室内环境参数要求送入房间的空气状态 7 夏季室内设计工况 舒适性空调参数 温度24 28 相对湿度40 60 风速 0 3m s 8 冬季室内设计工况 舒适性空调参数 温度18 22 相对湿度40 60 风速 0 2m s以上参数请参考各种设计标准 4 1 3空气热质处理的各种方案 结合附表4 1 同一送风状态点可以有不同的处理途径 1 焓值 含湿量 干球温度 夏季室外状态点 冬季室外状态点 送风状态点 室内状态点 1 再加热 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 3空气热质处理设备 1 混合式热质交换设备 喷淋湿室 冷却塔 蒸汽加湿器 局部补充加湿装置 液体吸湿剂 2 间壁式热质交换设备 表冷器和空气加热器 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冷却除湿 模型和各个参数的解释 湿空气和水膜在无限小的微元面积dA上的热 质交换量 G 为湿空气的质量流量 kg s d di 分别为湿空气主流和紧靠水膜饱和空气的含湿量 kg kg干空气 t ti 分别为湿空气主流和凝结水膜的温度 h 为湿空气侧的换热系数 W m2 K hmd 为以含湿量为基准的传质系数 假定水膜和金属表面的热阻可不计 则dA上冷却剂的传热量为 能量平衡 刘伊斯关系式 得到 麦凯尔 Merkel 方程式 显热 潜热 结论 湿空气主流与与靠近水膜饱和空气的焓差是空气与水热 质交换的推动力 对空气侧总能量交换 4 干肋片效率 肋效率定义式 平均值 4 2 2湿空气在肋片上的冷却降湿过程 与干肋片作比较 表面的平均过余温度 带入肋片效率 4 2 2湿空气在肋片上的冷却降湿过程 物理模型解释 条件 1 热 质传递过程是稳定的 2 肋片的导热系数 肋根温度tFB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 在X方向的断面上的导热量为 数量值 在dX微元体上的导热增量为 在dX的微元体上 凝结水膜与肋片的传热量为 空调温度范围内 为了简化计算过程 饱和空气的焓可近似用下式表示为 a b分别为计算空气焓的简化系数 与导热增量相等 水膜导热方程变形式 dX的微元体上 湿空气和水膜的传热量为 水膜导热方程 空气与水膜传热方程 由导热 边界条件 肋根部 肋顶部 对于肋顶部 无热交换 空气的i近似作为常量 由的求解值计算肋效率 湿肋的肋效率定义 空气焓与肋片平均温度对应饱和湿空气焓的差与空气焓与肋片根部温度对应饱和湿空气焓的差的比值 L 肋片长度 湿肋效率 干肋效率 干湿状态下肋片效率对比 湿肋效率 4 3空气与水直接接触时的热湿交换4 3 1热湿交换原理空气与水直接接触时 既有显热交换又有潜热交换 并伴有质交换结论 温差是显热交换的推动力 高温向低温传递 水蒸气分压力差 含湿量差 在焓湿图上举例说明 是质交换的推动力 高分压向低分压传递 或高浓度向低浓度 湿空气总能量的驱动力 空气焓差 热湿充分交换 与水接触的饱和层 当空气与水在一微元面积dA m2 上接触时 空气温度变化为dt 含湿量变化为dd 显热交换量将是 湿交换量 潜热交换量 总热交换量 总热交换量与显热交换量之比称为换热扩大系数 或析湿系数 水 冷媒 侧总热交换量 热交换量平衡 4 3 2空气与水直接接触时的状态变化过程假想条件下的热质交换 1 与空气接触的水量无限大 结果 2 接触时间无限长 结果 4 3 2空气与水直接接触时的状态变化过程假想条件下的热质交换 1 与空气接触的水量无限大 这样水温在整个过程中不发生变化 空气一直是与同一温度下的水进行换热 2 接触时间无限长 由于水量无限大 时间足够长 空气温度都能达到水温 而且能达到饱和状态 所以终状态是温度为水温的饱和状态 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 七种典型过程的特点 详细过程见后 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 热 质传递与温度 分压力的关系分析 各种情况总结 接触时间充分 但水量有限的情况分析 稳定阶段 假定 水初温低于空气露点温度 水与空气运动方向相同 顺流 的情况 空气 水 水表层饱和空气水蒸气分压力 或含湿量 由水温决定 讨论 接触时间充分 但水量有限的情况分析 稳定阶段 水初温低于空气露点温度 水与空气运动方向相反 逆流 的情况 逆流和顺流的差异弯曲方向相反 空气 水 讨论 从空气入口开始分析 接触时间充分 但水量有限的情况分析 稳定后 水初温高于空气温度 水与空气运动方向相同 顺流 的情况 讨论 空气 水 喷淋室能量平衡及循环水量 能量平衡 1 喷淋室的热交换效率系数同时考虑空气和水的状态变化 将空气状态沿等焓线投影到饱和曲线上 并将饱和曲线近似认为是直线 ts2与tw2差值越大 热湿交换越不完善 2 喷淋室的接触系数 只考虑空气状态变化 所以 6 7 22 7与11 6相似 喷淋室的热交换效率系数和接触系数 都是从空气和水的状态参数得到的 当从设备本身因素时 水和空气的配比比例 喷嘴密度 13 24 2 5 3 5 回水温度 由冷源确定 空气和水直接接触时的能量总结 空气为对象 显热h t tb 潜热r hmd d db dQz h t tb rhmd d db dA 麦凯尔方程 焓差是总热交换推动力 总热交换量即为焓差 i 显热 潜热 总热 露点温度 水温 湿球温度 干球温度 总结 显热和潜热传递的方向 同学分析 1 当空气与水直接接触时 对空气侧而言 空气达到一定的状态为换热目的Ts1 湿球温度 Tw 水温 T1 干球温度TL1 露点温度l 总热交换 2 显热交换 Tw T1 Tw T1 此时总热量 3 潜热交换 Tw TL1 Tw TL1 总热流方向 4 当Tw T1时 显热 潜热方向 总热流方向 总结 显热和潜热传递的方向 1 当空气与水直接接触时 从空气侧而言 空气达到一定的状态为换热目的l 总热交换量以空气初状态的湿球温度Ts1为界 当水温时 空气为增焓过程 总热流方向向着空气 当时 空气为减焓过程 总热流方向向着水 2 显热交换量以空气初状态的干球温度T1为界 当Tw T1时 空气失去显热 但是总热流方向还要看潜热流量而定 当Tw T1时 空气获得显热 3 潜热交换以空气初状态的露点温度TL1为界 当Tw TL1时 空气得到潜热量 总热流方向还要看显热流量而定 当Tw TL1时 空气失去潜热量 此时 总热流方向可以确定 并指向水 4 当水温Tw T1时 显热 潜热都向着空气 总热流方向总是向着空气 冷却塔热质交换的特点 冷却对象 水 2 当空气与水直接接触时 对水侧而言 水达到一定的状态为换热目的 同学分析 1 当Tw T1时 流向 总热流 水温 2 当时 热流方向 总热流 水温 2 当空气与水直接接触时 对水侧而言 水达到一定的状态为换热目的 同学分析 2 当空气与水直接接触时 从水侧而言 水达到一定的状态为换热目的 方向分析 1 对于水来说 当Tw T1时 的热流都由水流向空气 所以水温降低 2 当时 的热流方向虽然相反 但是总热流 o 即热流仍由水流向空气 所以水温仍然降低 3 当此时热流量等于零 所以水温不变 4 当 热流方向由空气流向水面 所以水温升高 冷却塔热质交换的特点 冷却对象 1 冷却塔是利用环境空气温度处理用于冷却制冷机组冷凝器的冷却循环水 2 冷却塔内水的降温主要是由于水的蒸发换热和气水之间的接触传热 3 冷却塔多为封闭形式 冷却塔外壳 且水温与周围构件的温度都不很高 故辐射传热量可不予考虑 4 在冷却塔内 不论水温高于还是低于周围空气温度 总能进行水的蒸发 蒸发所消耗的热量Q 总是由水传给空气 露点温度 5 而水和空气温度不等导致的接触传热Q 的热流方向可从空气流向水 也可从水流向空气 这要看两者的温度差异 在冷却塔中 当水温高于气温时 蒸发散热和接触传热都向同一方向 即由水向空气 传热 因而由水放出的总热量为Q Q Q 其结果是使水温下降 当水温下降到等于空气温度时 接触传热量Q 0 这时Q Q 蒸发散热仍在进行 当水温继续下降到低于空气温度时 接触传热量Q 的热流方向从空气流向水 与蒸发散热的方向相反 于是由水放出的总热量为 Q Q Q 如果Q Q 水温仍将下降 Q 逐渐增加 于是当水温下降到某一程度时 由空气传向水的接触传热量等于由水传向空气的蒸发散热量 这时Q Q Q 0 此时 总传热量等于零 水温也不再下降 这时的水温的冷却极限 湿球温度因而湿球温度代表着在当地气温条件下 水可能冷却到的最低温度 水的出口温度越接近于湿球温度ts时 所需冷却设备非常庞大 故要求冷却后的水温比ts高3 5 当水温t ts时 两种传热量之间的平衡具有动态平衡的特征 因为不论是水的蒸发或是水气间的接触传热都没有停止 只不过由接触传热传给水的热量全部都被消耗在水的蒸发上 这部分热量又由水蒸气重新带回到空气中 直接蒸发式空调 没有机械制冷部件 通过空气与水体的直接接触蒸发冷却空气 达到空气调节的目的 问题 1 空气的冷却过程如何进行 忽略外部传热 2 为什么该类型的空调只能在干燥的西北等地区应用 3 并以30 不同相对湿度下的空气状态点进行分析 找出相应的原因 课程论文自选题目 与课程内容相关 准备相关的写作材料 查阅相关的资料 1 吸附 吸附剂和吸附质 一般性概念 吸附 adsorption 就是把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中 气体分子附着在固体表面上的过程 使气体浓缩的物体叫做吸附剂 adsorbent 被浓缩的物质叫做吸附质 adsorbate 例如 当某固体物质吸附水蒸气时 此固体物质就是吸附剂 CaCl2等 水蒸气就是吸附质 空气干燥吸附空气中水蒸气的吸附剂称为干燥剂 限定了范围 干燥剂的吸湿和放湿是由干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差决定的 干燥原理 当干燥剂表面的蒸汽压较低时 干燥剂吸湿 反之放湿 两者相等时 达到平衡 即既不吸湿 也不放湿 当表面水蒸气分压超过周围空气分压时 干燥剂脱湿 这个过程称为干燥剂再生过程 图4 19显示了干燥剂吸湿量与其表面蒸气分压力间的关系 吸湿量增加 表面蒸汽压力也随之增加 图4 20显示了温度对干燥剂蒸汽压的影响 从温度升高 分子运动剧烈 有利于水分蒸发的角度理解 相同吸湿量下 温度升高 干燥剂中水分子运动加强 利于蒸发 说明温度升高有利于脱湿 图4 21表示了完整的干燥循环过程 干燥剂加热干燥后 水蒸气被脱附后 还需降温 才能返回最初状态 继续吸附 固体除湿器 旋转式 固体除湿器 旋转式旋转式是通过转轮的旋转 使被除湿的气流所流经的转轮除湿器的扇形部分对湿空气进行除湿 再生气流流过的剩余扇形部分同时进行干燥剂的再生 除湿 当需要除湿的被处理空气空气中所含的水蒸气大部分被除湿轮中的吸湿剂吸收并放出潜热 于是通过除湿轮吸湿区的被处理空气成为含湿量降低 温度升高的干燥空气从除湿轮的另一侧流出 再生 用作再生的空气经加热器加热到预定的温度 流入除湿轮 并从旋转着的除湿轮再生区通道中流过 吸湿剂温度升高 其表面水蒸气分压增高 使其所含水分汽化并被再生空气带走 从除湿轮的另一侧流出 吸附法处理空气的优点 1 不需要低温露点除湿 吸附除湿不需要对空气进行冷却 减少能耗 2 吸附除湿噪声低 3 由于其他方式 如 表冷器 除湿后的空气温度过低 往往还需将空气再加热到适宜的送风状态 4 表冷器除湿的冷媒温度较低 使一些直接利用天然冷源的空调方式无法应用 而浪费了能源 5 此外 传统空调系统中表冷器产生的冷凝水易产生霉菌 会影响室内空气质量 吸收剂处理空气的机理 制冷技术中有专门的学习 吸收 absorption 是用适当的液体吸收剂来吸收气体或气体混合物中的某种组分的一种操作过程 例如 用溴化锂水溶液来吸收水蒸气 用水来吸收氨气等 空调用制冷技术 专业课 吸收的推动力是溶液表面的某气态物质的分压力与气流主体中此气体分压力差如果溶液表面压力小于主体压力 吸收过程进行 反之 为再生过程 可以通过调整溶液的温度 浓度来调整溶液表面的压力 吸收剂处理空气的机理 1 由于被处理空气的水蒸气分压力与除湿溶液的表面蒸汽压之间的压差是水分由空气向除湿溶液传递的驱动力 2 除湿溶液表面蒸汽压越低 在相同的处理条件下 溶液的除湿能力越强 与所接触的湿空气达到平衡时 湿空气具有更低的含湿量 液体除湿剂的类型和性能用于吸收水蒸气的溶液有 溴化锂 氯化锂 氯化钙 三甘醇