空气的热湿处理热质交换与设备原理

1、52-1 2021-5-14 内内 容容 4.1 4.2 4.3 2021-5-1452-2 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 2021-5-1452-3 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

2、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。 2021-5-1452-4 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。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 =100%时线实际上是不

3、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 =0%时即为干空气，时即为干空气，d0，即纵坐标轴，即纵坐标轴 52-8 )( 622. 0 dfpp d pd p vv 一定时，当 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 )( 622. 0 dfpp d pd p vv 一定时，当 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 0 5 4 3 2 w d0 i 1 t0 l o l w j100j10

4、0 % (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:

5、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 5l 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 .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 2021-5-1452-11 4.1.3 空气热湿处理及设备空气热湿处理及设备 根据各种热质交换设备的特点不同分成两大类：根据各种热质交换设备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

6、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。 2021-5-1452-12 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 i-d -d 图上表示图上表示 4.2 空气

7、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 2021-5-1452-13 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 2021-5-1452-14 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

8、湿湿 空空 气气g t ti tw 凝 结 水凝 结 水 膜膜 da d di 2021-5-1452-15 wwwiw dtwcdatth)( datthdtgc ip )( addhdg imd d)(d da dt wctth w wwiw )( 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g t ti tw 凝结水膜凝结水膜 da d di 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： 2021-5-1452-16 根据热平衡可得根据热平衡可得 rddhtthtth

9、 imdiwiw )()()( rdd h tth h i md i md )( )( 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 rddttchtth iipmdwiw )()()( )( imd iih 麦凯尔方程麦凯尔方程 2021-5-1452-17 datthdtgc ip )( 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 i i tt ii t i d d 点（点（i, tw)与与(ii,ti )的连接线斜率的连接线斜率 h ch h h tt ii pw md w wi i 根据热平衡，空气侧：根据热平衡，空气

10、侧： aiihig imd d)(d pmdc hh )()( imdwiw iihtth 2021-5-1452-18 g wc t i w w d d 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 aiihig imd d)(d da dt wctth w wwiw )( i i tt ii t i d d h ch h h tt ii pw m w wi i 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 冷却减湿过程冷却

11、减湿过程 中的温度与焓的变化曲线中的温度与焓的变化曲线 2021-5-1452-19 湿空气冷却减湿过程示意图湿空气冷却减湿过程示意图 t i m(i2, t2) p q b(i1, tw2) tw2 i2 tw1 t1 饱饱 和和 线线 工工 作作 线线 冷却减湿冷却减湿 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) td2 td1 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 球干 球 温度温

12、度 g wc t i w w d d h ch tt ii pw wi i i i tt ii t i d d 2021-5-1452-20 常压下饱和湿空气的焓值及其在饱和曲线上的斜率常压下饱和湿空气的焓值及其在饱和曲线上的斜率 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 51.7 54.4 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

13、.187 51.298 58.319 66.408 75.774 86.607 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 3.64 4.25 i(kcal/kg)t()di/dtkcal/(kg) 2021-5-1452-21 冷却表面积计算冷却表面积计算 aiihig imd d)(d imd ii i h g a d 2021-5-1452-22 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

14、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 2021-5-1452-23 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 。 x dx l 水膜平均厚度水膜平

15、均厚度 tw dqf 2yf 湿空气湿空气 qf tf yw tfb y 等截面直肋等截面直肋 2021-5-1452-24 dxtt y dq fw w w f )(2 dx dt yf f 2 dx dx td y dx dt y dx dx dt y dx d dx dt y ffff ffff 2 2 22 )(22 x dx l tw dqf 2yf 湿空气湿空气 qf tf yw tfb y 2021-5-1452-25 dx dx td ydq f fff 2 2 2 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 dx

16、tt y dq fw w w f )(2 饱和空气焓可近似为饱和空气焓可近似为 wwww tbai dxii yb dq fw ww w f )(2 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 dxii c h dxiihdq w p wmdf )(2)(2 w wwf fw yb dx dq ii 2 h c dx dq ii p f w 2 hb c y dx dqb ii w p w wfw f 2 fwwf tbai 2021-5-1452-26 hb c y h w p w w d 1 令令 hb c y dx dqb ii w p w wfw f 2 dx

17、i b h dxii b h dq f w d f w d f 2 )( 2 dx dx id b y dx id b y dq f w fff w ff f 2 2 2 2 22 fwwf tbai f ff df i y h dx id 2 2 dx dx td ydq f fff 2 2 2 2021-5-1452-27 f ff df i y h dx id 2 2 边界条件：边界条件： 0 , , 0 , dx id lx iix f bff 方程：方程： 定义湿肋的定义湿肋的 肋效率为：肋效率为： bf mf bf mf w i i ii ii , , , , pl hpl w t

18、an ff d y h p 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 2021-5-1452-28 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、蒸发冷却空调和工业空调系统中的喷淋室、蒸发冷却空调 器器 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

19、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 2021-5-1452-29 4.3.1 热湿交换原理热湿交换原理 2021-5-1452-30 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 2021-5-1452-31 显热交换量：显热交换量： datthdtgcdq bpx 湿交换量：湿交换量： dapphdgddw q

20、bq )()( mp 湿交换量也可写成：湿交换量也可写成： daddhdw bmd )( 潜热交换量：潜热交换量： daddrhrdwdq bmdq )( 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 2021-5-1452-32 总热交换量总热交换量 qxz dqdqdq daddrhtthdq bmdbz )( 换热扩大系数换热扩大系数（析湿系数）（析湿系数） x z dq dq wpz dtwcdq wpqx dtwcdqdq 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： 2021-5

21、-1452-33 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（ ） c 直接直接蒸发空气蒸发空气处理过程处理过程的的

22、i-d图图 表示表示 as 2021-5-1452-34 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 2021-5-1452-35 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 空气与水接触时，水表面形成的饱和空气边空气与水接触时，水表面形成的饱和空气边 界层与主流空气之间，通过

23、分子扩散和紊流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。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达到具有水温的饱和状态，即水量无限大、，即水量无限大、 接触时间无限长。接触时间无限长。 2021-5-1452-36 空气与水直接接触时各种过程的特点空气与水直接接触时各种过程的特点 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-1 a-2 a-3 a-4 a-

24、5 a-6 a-7 tw tl tw= tl tltw ts tw= ts tstwta 减减 减减 减减 减减 减减 不变不变 增增 减减 不变不变 增增 增增 增增 增增 增增 减减 减减 减减 不变不变 增增 增增 增增 减湿冷却减湿冷却 等湿冷却等湿冷却 减焓加湿减焓加湿 等焓加湿等焓加湿 增焓加湿增焓加湿 等温加湿等温加湿 增温加湿增温加湿 0 pq2 4 3 2 1 5 6 7 pq4pq6 a t 6= t a t 4= t s t 2= t l j100j100 % 水蒸汽分压力（水蒸汽分压力（p pa)a) 2021-5-1452-37 空气与水直接接触的变化过程 a 1 2

25、 3 tw1 tw tw tw2 =100 % a =100 % 1 2 3 tw1 tw tw tw2 a 1 2 3 tw1 tw tw tw2 =100% (a) (b) (c) 水水tw1tw2 空气空气 tw1tw2 tw1ta tw1tw2 tw1tatw1ta 水量有限时，接触时间很长。水量有限时，接触时间很长。 2021-5-1452-38 4.3.3 空气和水直接接触时的对流增湿和减湿空气和水直接接触时的对流增湿和减湿 daddrhtthdq bmdbz )( 刘伊斯关系式刘伊斯关系式: p md c h h 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

26、存在着 刘伊斯关系式，则刘伊斯关系式，则 daddrttchdq bbpmdz 1 pr sc le 2021-5-1452-39 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） 代替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（代替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（1.01+1.84d）代替代替 ，有，有 daddt ttdhdq bb bmdz )(84.12500( )(84.101.1( 或或 dadtt dtthdq bbb mdz )84. 12500(01. 1 )84. 12500(01. 1 即即 daiihdq b

27、mdz )( 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 2021-5-1452-40 4.3.4 影响空气与水表面之间热质交换的主要因素影响空气与水表面之间热质交换的主要因素 daiihdhg bmda )( 焓差是总热交换推动力焓差是总热交换推动力 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i： 潜热交换量。显热交换量； ls ls ii iii 2021-5-1452-41 自然通风自然通风 机械通风机械通风 横流横流

28、逆流逆流 冷冷 却却 塔塔 的的 型型 式式 2021-5-1452-42 焓；反之，空气减焓。热流流向空气，空气增水温: 1sw tt 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。为界。 气失显热。空气得显热；反之，空水温: 1 ttw tl1ts1t1 i t o 潜热潜热 显热显热 总热总热 2021-5-1452-43 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

29、度tl1为界。为界。 气失潜热。空气得潜热；反之，空水温: 1lw tt tl1ts1t1 i t o 潜热潜热 显热显热 总热总热 2021-5-1452-44 水得到热，水温升高。 ，水温不变；，但总热流水得到显热，失去潜热 温降低；，但总热流向空气，水水得到显热，失去潜热 低；热流流向空气，水温降 : 0: : : 1 1 11 1 sw ws ws w tt tt ttt tt 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

30、流方向，决定过 程的进行。程的进行。 i tl1 ts1 t1 t o 潜热潜热 显热显热 总热总热 2021-5-1452-45 w p w md bw b h hc h h tt ii /1 / /1 /1 气液之间的双膜阻力是热质交换的控制因素气液之间的双膜阻力是热质交换的控制因素 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。成正比。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v： 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