空气与水直接接触时的热湿交换PPT幻灯片课件

第五章空气的热湿处理,第一节空气热湿处理设备的类型；第二节空气与水直接接触时的热湿交换；第三节用喷水室处理空气；第四节用表面式换热器处理空气；第五节空气的其它热湿处理方法；第六节空气的其它热湿处理装置；,1,基本要求：1、了解空气热湿处理的途径和设备。2、掌握用喷水室处理空气的原理、特点及热工计算方法；3、掌握用表面式换热器处理空气的原理、特点及热工计算方法；4、了解空气的其他热湿处理方法和设备。,2,第一节空气热湿处理设备的类型,热湿交换设备,介质与空气直接接触,空气流经热湿交换介质表面,将热湿交换介质喷淋到空气中间,介质不与空气直接接触,热湿交换在设备金属表面进行,3,空气热湿处理设备的类型介质：水、水蒸汽、制冷剂、液体和固体吸湿剂,液体吸湿剂装置,接触式热湿处理设备,喷水室,蒸汽加湿器,高压喷雾加湿器,表面式热湿处理设备,空气加热器,空气冷却器,热湿处理设备,湿膜加湿器,超声波加湿器,4,第二节空气与水直接接触时的热湿交换,一、空气与水直接接触时的热湿交换原理,5,空气与水的热、湿交换,6,热交换的推动力主体空气与边界层空气之间的温差。当边界层空气的温度高于主体空气的温度时，边界层空气向主体空气传热；反之，则主体空气向边界层空气传热。,7,湿交换的推动力主体空气与边界层空气之间的水蒸汽分压力差。当边界层空气的水蒸汽分压力大于主体空气的水蒸汽分压力时，水蒸汽分子由边界层向主体空气迁移（蒸发）；反之，则水蒸汽分子由主体空气向边界层迁移（凝结）。,8,当空气与水在一个微小表面dF(m2)上接触时，显热交换量将是：式中空气与水表面的显热换热系数，W/(m2.）；t周围空气的温度，；tb边界层的空气温度，。,9,湿交换量是：式中D空气与水表面之间按水蒸气分子浓度差计算的湿交换系数，m/s；C周围空气中水蒸气分子浓度，kg/m3；Cb边界层空气中水蒸气分子浓度，kg/m3.,10,和湿交换同时发生的潜热交换量是：式中r温度为tb时水的汽化潜热，J/kg因为总热交换量，于是，有下式：,11,二、空气与水直接接触时的状态变化过程1、假想条件下的状态变化过程假想条件：与空气接触的水量无限大、接触时间无限长。状态变化过程：水温不变，全部空气都能达到饱和状态，且空气终温等于水温。,12,=100%,水蒸气分压力（Pa),0,p2,p4,p6,13,空气与水直接接触时各种过程的特点,14,1.A-2过程在上述假想条件下，以温度等于空气露点温度的冷水与空气直接接触，便可实现A-2过程。这时，尽管空气与水接触，但是由于d=db，所以湿交换量dW=0，空气既未加湿，也未减湿。但是由于ttb，所以存在显热交换，空气将向水传热而使空气温度下降。结果，空气状态的变化是等湿冷却过程。,15,2.A-4过程在上述假想条件下，以温度等于空气湿球温度的水与空气直接接触，便可实现A-4过程。这时，空气的终状态将变成该空气的湿球温度状态。然而由于等湿球温度线与等焓线非常接近，所以也可说空气的状态变化为等焓加湿或绝热加湿过程。因此，总热交换量为0.但是，由于ttb和ddb，说明还存在着显热交换和潜热交换。所以，空气状态的变化是等焓加湿过程。,16,3.A-6过程在上述假想条件下，用温度等于空气干球温度的水与空气直接接触，便可实现A-6过程。这时，由于t=tb，所以空气的显热量不发生变化。但是，由于ddb,说明空气将被加湿，空气的潜热量将增加。结果，空气的状态变化是等温加湿过程。,17,2、理想条件下的状态变化过程理想条件：空气与水的接触时间足够长、但水量有限。状态变化过程：水温发生变化，全部空气都能达到饱和状态，且空气终温等于水终温（或水初温）。,18,3、实际条件下的状态变化过程实际条件：空气与水的接触时间有限、水量也有限状态变化过程：空气最终难以达到饱和状态。实际变化过程不为直线，但工程中只关心初终状态，可以用连接初终状态的直线来表示空气的变化过程。,19,三、刘伊斯关系式及其应用,绝热加湿过程，空气失去的显热=水分蒸发需要的潜热：,刘伊斯关系式,即热交换系数与湿交换系数之比为常数。也适用于其他过程。,20,21,第三节用喷水室处理空气,优点,缺点,能实现多种空气处理过程（7种）；具有一定的空气净化能力；金属耗量少，容易加工。,对水质要求高；占地面积大；水泵耗能大。,22,一、喷水室的构造和类型1、喷水室的构造喷嘴：使水雾化成液滴喷水排管：布置喷嘴前挡水板：挡水、使进风均匀后挡水板：分离空气中夹带的水滴、减少过水量管道系统：供水管、循环水管、补水管、溢水管、泄水管其他：水泵、底池、滤水器、溢水器等。,23,普通卧式单级喷水室,24,普通立式单级喷水室,25,26,2、喷水室的类型卧式喷水室、立式喷水室单级喷水室、双级喷水室低速喷水室、高速喷水室带旁通的喷水室、带填料层的喷水室,27,二、喷水室的水系统根据空调系统使用冷源的不同。喷水室的水系统形式也不同。一般地说，使用天然冷源比使用人工冷源的水系统要简单一些。（一）使用天然冷源的水系统（二)使用人工冷源的水系统1.自流回水方式2.压力回水方式,28,自流回水式喷水室水系统(a),29,自流回水式喷水室水系统（b),30,压力回水的喷水室水系统（a）,31,压力回水的喷水室水系统（b),32,三、喷水室的热工计算（一）用喷水室处理空气的实际过程,用喷水室处理空气的实际过程,（a)顺流,(b)逆流,33,34,（二）喷水室的热交换效率系数和接触系数,t1,1,1,=100%,ts1,i1,ts2,2,2,i2,3,4,5,t2,t3,tw2,tw1,冷却干燥过程空气与水的状态变化,35,1.热交换效率系数根据上图，如果把空气的状态变化过程沿等焓线投影到饱和曲线上，并近似地将这一段饱和曲线看出直线，则热交换效率系数可表示为：,即：,36,2.接触系数喷水室的接触系数2是只考虑空气状态变化的，它可以表示为：,由于131与232几何相似，因此：,即：,37,同样不难证明，上式也适合于其他喷水室的处理过程，包括绝热加湿过程。对于绝热加湿过程：,故有：,38,（三）影响喷水室热交换效果的因素及两个系数的实验公式1.空气的质量流速,增大，则1、2增大，并且可以减小喷水室的横断面积，但也会使过水量和喷水室阻力增大。,2.喷水系数,增大，则1、2增大，但水泵的能耗也会增大。,定义：处理每kg空气所用的水量，,常用范围：2.53.5kg/(m2.s).,39,（3）喷水室的结构特性喷嘴排数热交换效果双排比单排好，三排与双排差不多，因此常用双排喷嘴。喷嘴密度喷嘴密度过大，水苗叠加；过小，水苗不能覆盖整个喷水室断面，使部分空气旁通。,40,喷水方向对单排喷嘴，逆喷比顺喷好；对双排喷嘴，采用对喷；对三排喷嘴，采用一顺两逆。排管间距600mm左右。,41,喷嘴孔径喷嘴孔径小，则喷出的水滴小，与空气的接触面积大，热湿交换的效果好，但易阻塞，所需的喷嘴数量多。一般取35.5mm。（4）空气、水的初始参数不同的初始参数会导致不同的处理过程和结果。,42,（四）喷水室的热工计算方法对于结构参数一定的喷水室而言，如果空气处理过程一定，它的热工计算原则在于满足下列三个条件：1.空气处理过程需要的1应等于喷水室能达到的1；2.空气处理过程需要的2应等于喷水室能达到的2；3.空气失去(或得到)的热量应等于喷水室喷水吸收（或放出）的热量。,43,上述三个条件可以用下面三个方程式表示：,44,计算方法及步骤（1）计算类型设计性计算对既定的空气处理过程，选择满足要求的喷水室。,已知：空气量G、空气的初终状态（）、（）,计算内容：喷水室结构、喷水量W（或喷水系数）、水的初终温。,45,校核性计算对结构一定的喷水室，校核其处理能力。,已知：空气量G、空气的初状态（）、喷水室结构、喷水量W（或喷水系数）、水的初温。,计算内容：空气的终状态（）、水的终温。,46,热平衡：,质量平衡：,冷冻水量：,循环水量：,47,例5-1：已知需处理的空气量为，当地大气压力为101325Pa，空气的初参数为：，。空气的终参数为：，。求喷水量W、喷嘴前水压p、水的初温、终温、冷冻水量及循环水量。,解：（1）选用喷水室结构：Y-1型离心式喷嘴，双排对喷，喷嘴孔径，喷嘴密度，空气的质量流速。,48,（2）此过程为减湿冷却过程，查附录5-1，得到各项系数和指数。,49,联立求解得：，,（3）求喷水量：,（4）求喷嘴前水压,喷水室横断面积：,喷嘴总数：,每个喷嘴的喷水量：,根据喷水量和喷嘴孔径，查图5-4（b）得喷嘴前水压为0.18MPa。,50,（5）求冷冻水量和循环水量,冷冻水温取。,冷冻水量：,循环水量：,51,四、喷水室的阻力计算,1、前后挡水板的阻力,前后挡水板局部阻力系数之和；挡水板处的迎面风速，m/s。一般取1.11.3倍喷水室断面风速。,52,2、喷嘴管排的阻力,喷嘴的排数；喷水室断面风速，m/s。,3、水苗的阻力,喷嘴前水压，MPa；系数，对单排顺喷，取0.22；对单排逆喷，取0.13；对双排对喷，取0.075。,53,五、双级喷水室的特点及其热工计算问题,54,1、特点,2、热工计算两级的喷水系数相同，可以当作一个喷水室处理。,被处理空气的温降、焓降较大，且空气终状态一般可以达到饱和。,空气的温降I级喷水室要大，而空气的减湿量II级喷水室要大。,水的温升比较大，可能出现的情况。,55,六、高速喷水室及其热工计算,Carrier公司高速喷水室,56,第四节用表面式换热器处理空气,优点,缺点,构造简单；占地面积小；对水质要求不高，水系统阻力小。,不能进行加湿处理；金属耗量大。,57,分类,空气加热器（介质为热水或蒸汽）,表面式冷却器,水冷式表冷器（介质为水）,直接蒸发式表冷器（介质为制冷剂）,表面式换热器,58,一、表面式换热器的构造与安装1、构造光管式、肋管式2、安装垂直安装、水平安装、倾斜安装有凝结水产生时，应安装接水盘和排水管。空气量较大时采用并联，空气温升（温降）较大时采用串联。,59,并联的换热器其冷、热媒管路也应并联，串联的换热器其冷、热媒管路也应串联。空气和冷、热媒之间最好是逆流。附属设备：阀门、压力表、温度计、排气装置、泄水装置、排污装置等。,60,61,各种肋片式换热器的构造,62,三、表面式换热器的传热性能用表面式换热器处理空气时只能实现等湿加热、等湿冷却和减湿冷却三种过程。当用空气加热器处理空气时，实现的是等湿加热过程。当用表面冷却器处理空气时，如果冷却器表面温度虽低于空气的干球温度，但是高于其露点温度，这种情况为等湿冷却过程或干冷过程。如果冷却器的表面温度低于被冷却空气的露点温度，这种过程被称为减湿冷却过程或湿冷过程（湿工况）,63,（一）提高表面式换热器传热性能的主要途径根据传热原理，为了提高表面式换热器的性能，应提高管外侧和管内侧的放热系数。为了强化空气侧放热，主要采取两方面的措施，一是用二次翻边片代替一次翻边片，并提高胀管质量，二是用波形管、条缝片和波形冲缝片、针刺型片等代替平片。为了强化管内侧传热，采用的主要手段是在管内侧拉螺旋槽。,64,(二）等湿冷却和加热过程,传热介质是水时：,传热介质是热水时：,传热介质是蒸汽时：,65,（三）减湿冷却过程,66,四、表面式换热器的热工计算（一）空气加热器的计算空气加热器的计算也分为两种类型：设计性计算和校核性计算。设计性计算目的是根据被加热空气量及加热要求按一定热媒参数选择合适的加热器型号；校核性计算目的则是根据已有的加热器型号，校核它能否满足预定的加热要求。,67,1.计算原则及基本计算公式若已知被加热的空气量G（kg/s),加热前后空气的温度为t1和t2（），则加热空气所需热量为：,加热器供给的热量为：,68,当热媒为热水时：,当热媒为蒸汽时：,69,2.计算方法和步骤（1）初选加热器的型号（2）计算加热器的传热系数（3）计算需要的加热面积和加热器台数（4）检查加热器的安全系数,70,（P164例5-5）,需要将60000kg/h空气从t1=-32加热到t2=31，热媒是工作压力为0.3MPa的蒸汽。试选择合适的SRZ型空气加热器解(1)初选加热器型号,因为G=60000kg/h=16.7kg/s，假定（vp)=8kg(m2.s),则需要的加热器有效截面积为：,根据计算的f值，根据附录5-5可选2台SRZ1510Z的加热器并联，每台有效截面积为0.932m2，加热面积为52.95m2.,71,(2)求加热器的传热系数由附录5-3查得SRZ-10Z型加热器的传热系数经验公式为：,将vp值带入上式则得：,（3）计算加热面积和台数,先计算需要的加热量,72,需要的加热面积为,需要的加热器串联（对空气）台数为,取两台串联，共取4台加热器，总传热面积为52.954=212m2,73,(4)检查安全系数,即安全系数为1.15，说明所选的加热器合适。,74,（二）表面式空气冷却器的计算1.表面冷却器的热交换效率系数和接触系数,热交换效率系数：,接触系数：,1,t1,t2,t3,tw1,2,3,ts2,i2,i1,ts1,=100%,表面冷却器处理空气时的各个参数,75,校核性计算对结构一定的表冷器，校核其处理能力。,已知：空气量G、空气的初状态（）、表冷器的结构（型号、台数、排数）、冷却面积F、水的初温、冷水量W。,计算内容：空气的终状态（）、水的终温、冷量Q。,2.表面冷却器的热工计算类型,76,3.表面冷却器热工计算的主要原则和方法2个热交换效率方程式+1个热平衡方程式,77,4.关于热工计算中安全系数的考虑表冷器经长时间使用后，因外表面积灰、内表面结垢等因素影响。其传热系数会有些降低。为了保证在这种情况下表冷器的使用仍然安全可靠，在选择计算时应该考虑一定的安全系数。具体的做法是加大传热面积。方法有两种：一是保证V的情况下增加排数，二是减少V增加F，保持排数不变。,78,例5-5：已知需处理的空气量为，当地大气压力为101325Pa，空气的初参数为：，。冷水量为，冷水初温为。试求用JW20-4型6排表冷器处理空气所能达到的终状态和水终温。,解：（1）求迎面风速、冷水流速和通用热交换效率,查附录5-7，JW20-4型表冷器迎风面积，每排传热面积，通水截面积,79,迎面风速：,冷水流速：,查附录5-6，通用热交换效率。,（2）确定空气终状态,假定（一般取），,计算式,定义式,80,（3）求析湿系数,（4）求传热系数,查附录5-4，得到各项系数和指数，,81,（5）求全热交换效率,相差不大，证明所设的空气终温合适。,计算式,定义式,82,（6）求冷量和冷水终温,热平衡方程,热平衡方程,83,5、湿球温度效率法（湿球温度效率+通用热交换效率）,（1）湿球温度效率,定义式：,计算式：,84,：按湿球温度差计算的传热系数，,：焓差与湿球温度差的比值，近似取2.86。,（2）计算实例重新计算例5-4和例5-5，把干球温度效率的计算部分改成湿球温度效率.,85,四、空气加热器的热工计算一般的设计性计算用平均温差法，表冷器用作加热时用热效率法。1、平均温差法,换热量：,当冷热流体进出口端的温差之比小于2时，可以用算术平均温差代替对数平均温差。,86,空气的质量流速取左右。,热水流速。,一般取传热面积的安全系数为1.11.2。,热水作热媒：,蒸汽作热媒：,87,2、热交换效率法（只用干球温度效率）,定义式：,计算式：,88,计算步骤：,（1）根据迎面风速和热水流速w，求传热系数；,（2）求热水流量W；,（3）求干球温度效率（计算式）；,（4）求水初温（定义式）；,（5）求加热量（热平衡方程式）；,（6）求水终温（热平衡方程式）。,89,五、表面式换热器的阻力计算1、空气加热器的阻力,空气阻力：,热水阻力：,蒸汽阻力：大约为0.03MPa,2、表面式冷却器的阻力,空气阻力：,冷水阻力：,90,六、喷水式表冷器和直接蒸发式表冷器1、喷水式表冷器向表冷器喷水，空气主要是与表冷器表面的水膜进行热湿交换。兼有喷水室和表冷器的特点。热湿交换能力比表冷器大。空气终状态的相对湿度较大，一般能达到95%以上。,91,2、直接蒸发式表冷器用制冷剂作冷媒。处理空气需要的冷量应该等于制冷机组能够提供的冷量。,92,第五节空气的其它热湿处理方法,一、用电加热器处理空气电流通过电阻丝发热来加热空气。优点：结构紧凑、加热均匀、热量稳定、控制方便等用途：适用于加热量要求较小、需要局部加热的场合结构：裸线式、管式,93,94,二、空气的加湿处理,95,干蒸汽加湿器,96,电热式加湿器,电极式加湿器,97,等焓加湿,压缩空气喷雾器,电动喷雾机,超声波加湿器,离心式加湿器,湿膜加湿器,98,离心式加湿器,99,冷冻减湿机原理图,100,（一）、用加热通风法减湿将加热与通风结合起来，用含湿量低的室外空气代替含湿量高的室内空气，达到加热减湿的目的。（二）、用冷冻除湿机减湿冷冻除湿机由制冷系统和风机等组成，适用于需要加热减湿的场合。空气的处理过程：,三、空气的减湿处理,101,减湿机中的空气状态变化,3,1,2,蒸发器吸热量,冷凝器排热量,=90%,=100%,i1,i2,i3,d1,d2,102,（三）、用固体吸湿剂减湿固体吸湿剂：如硅胶、铝胶。空气处理过程：等焓加热减湿。空气的温度越高、含湿量越小，则固体吸湿剂的吸湿能力越小，所以被处理的空气最好不要超过35。固体吸湿剂可以加热再生。采用转轮除湿机，吸湿和再生能同时连续进行。,103,104,（四）、用液体吸湿剂减湿液体吸湿剂：氯化锂、溴化锂、氯化钙等盐水溶液和三甘醇等有机物质。空气处理过程：加热减湿、等温减湿、冷却减湿。溶液的浓度越大、温度越低，则溶液的吸湿能力越大。可以在除湿同时冷却溶液，以维持较大的吸湿能力液体吸湿剂可以加热再生。,105,溶液表面饱和空气层状