第四章 空气的热湿处理(暖通空调)

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水蒸气分压力线簇
pv
pd Bd pB f (d ) pv f (d ) pv 当p一定时， 当 v 一定时， d 0.622 d 622
由于d通常很小，所以pv与d近似成线性
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4.1.2 空气热湿处理的原理和方案
(1) W →L → O 喷淋室喷冷水(或用表面冷却器)冷却减湿 → 加热器再热
冬季室内设计工况：根据我国的《采暖通风与空
气调节设计规范》 GB50019-2003 ，舒适性空调室 内计算参数为：温度18～22℃；相对湿度为：40% ～60%，风速不应大于0.2m/s。
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相关概念
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。
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。
定义湿肋的 肋效率为： 其中：
w
p
i iF , m i iF , B
hD F y F

iF ,m iF , B
tan hpL w pL
湿肋与干肋的肋效率形式相同，将h替换为 hmd后可直接引用干肋肋效率图表
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4.3 空气与水直接接触时的热湿交换
di i ii dt t ti
干球温度
湿空气出口状态
湿球温度
t
入口端冷却剂温度
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湿球温度
出口端冷却剂温度
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冷却表面积计算
Gdi hmd (i ii )dA
G A hmd
di i ii
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4.2.2 湿空气在肋片上的冷却降湿过程 表面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 肋和环肋两类，直肋和环肋又都可分为等截面和变 截面
微元体上，湿空气和水膜的总传热量为
dqF c p h i iw dqF 2hmd (i iw )dx 2 (i iw )dx dx 2h cp bw dqF yw c p i iF 2dx w bw h
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令
1
(2)W →1→ O: 固体吸湿剂减湿 → 表面冷却器等湿冷却 ( 3)W → O: 液体吸湿剂减湿冷却
5 4 3
0
W
t0
夏季：冷却减湿
O
L'
2
d0 W'
L
i
冬季：加热加湿
(1) W’ → 2 → L → O:加热器预热→ 喷蒸汽加湿→加热器再热 (2)W‘→ 3 → L → O: 加热器预热→ 喷淋室绝热加湿→ 加热器再热 (3) W' → 4 → O: 加热器预热→ 喷蒸汽加湿 (4)W' → L→ O: 喷淋室喷热水加热加湿→ 加热器再热
的焓差是热、质交换的推动势；
单位时间单位面积上的总传热量可近似的用传质系
数hmd与焓差驱动力的乘积来表示。
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根据热平衡，空气侧：
Gdi hmd (i ii )dA
Gcp dt h(t ti )dA
h hmd c p
di i ii dt t ti
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相关概念
送风状态点：指的是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。
夏季室内设计工况：根据我国的《采暖通风与空
气调节设计规范》GB50019-2003，舒适性空调室内 计算参数为：温度24～28℃；相对湿度为：40% ～ 65%，风速不应大于0.3m/s。
yw c p 1 hD w bwh
bw dqF i iF 2dx
yw c p b h w w
d 2t F dqF 2F y F dx 2 dx
iF aw bwt F
2hD 2hD dqF (i iF )dx iF dx bw bw
tw 冷 却 d A 剂W
dt w hw (ti t w ) Wcw dA
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冷却剂边界层
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根据热平衡可得
hw (ti tw ) h(t ti ) hmd (d di ) r
h(t ti ) hmd (d d i )r hmd
4.3.1 热湿交换原理
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汽凝结（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。
如图所示，当空气与敞开水面或飞溅水滴表面接触时，由 于水分子作不规则运动的结果，在贴近水表面处存在一个温 度等于水表面温度的饱和空气边界层，而且边界层的水蒸汽 分压力取决于水表面温度。
点（i, tw)与(ii,ti )的连接线斜率
又： 点（i, tw)与(ii, ti )连接线斜率 湿空气在冷却降湿过程中 的过程线斜率
hwc p ii i hw ti t w hm h
di i ii dt t ti
可在i-t图上做出湿空气在表冷器 冷却减湿过程 中的温度与焓的变化曲线
下面介绍麦凯尔(Miokley)方程的推导方法。
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空气侧：
凝结水膜
Gdd r hmd (d di )dA r
Gcp dt h(t ti )dA
忽略水膜和金属表面的热阻， 冷却剂的传热量有：
湿空气边界层 t 湿 ti 空 气G
d di
冷表面
hw (ti tw )dA Wc wdtw
空气与水直接接触热质交换现象在生产应用的许 多领域都常见到，如： 石油化工 电力生产等工业过程的冷却塔 蒸发式冷凝器等冷却设备 民用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 农业工程领域的真空预冷 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
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湿空气
2yF
dqF
tF
dx
L
dt dt 2F y F 2 F y F (dx) dx x dx dt d 2t 2F y F 2F y F 2 dx dx dx
tw qF yw x tFB y
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肋片微元在x方向上净导热量为
2F yF d 2iF 2F yF d 2 iF dqF dx dx 2 2 bw dx bw dx d 2 iF hD iF 2 dx F yF
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方程：
d 2 iF hD iF 2 dx F yF
x 0, iF iF , B 边界条件： diF 0 x L, dx
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湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率
Gdi hmd (i ii )dA
dt w hw (ti t w ) Wcw dA
di Wc w dt w G
上式为i与tw之间的工作线斜率
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hw (ti tw ) hmd (i ii )
hwc p ii i hw ti t w hmd h
(5)W' →5→L' →O: 加热器预热→ 一部分喷淋室绝热加湿→与另一部分 未加湿空气混合
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4.1.3 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：
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 装置以及使用液体吸湿剂的装置等 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 却器等 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。
第四章 空气的热湿处理
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内容
4.1
空气的热湿处理途径 空气与固体表面之间的热湿交换 空气与水直接接触的热湿交换
4.2
4.3
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4.1 空气的热湿处理途径
4.1.1 空气调节的几个相关概念
空气调节：利用冷却或者加热设备等装置，对
空气的温度和湿度进行处理，使之达到人体舒适 度的要求。 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。
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。
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 横坐标的图线称为焓湿图。
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以1kg干空气的湿空气为基准，在一定的大气压力 下，取焓h与含湿量d为坐标，图中有定含湿量、 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。
对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为
hw (ti tw ) hmd c p (t ti ) (d di )r
hmd (i ii )


——麦凯尔方程
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hw (ti t w ) hmd (i ii )
麦凯尔方程式说明：
冷却降湿过程中，湿空气主流与紧靠水膜饱和空气
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4.2 空气与固体表面之间的热湿交换
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 的方法 喷淋室除湿 表冷器除湿 蒸发器盘管除湿。。。
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A
冷却盘管
B
C 湿空气通过盘管的情况
凝结水
冷却除湿时空气状态变化的i-d 图上表示
4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿
凝 结 水 膜
湿空气边界层 t
冷表面 tw 冷 却 dA 剂W
湿 空 气G
d
ti
di
冷却剂边界层
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与水膜相邻的饱和空气层的温度与冷却器表面上
的水膜温度相等。
热交换:
空气主流与凝结水膜之间的温差 (t ti ) ；
质交换:
空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸汽 的分压力差，即含湿量差 (d d i )
肋片与水膜之间的换热量为 dqF 2 饱和空气焓可近似为
dqF 2
d tF dqF 2F y F dx 2 dx
w
2
yw iw aw bwtw
(t w t F )dx
w
bw yw
(iw iF )dx
iF aw bwt F dqF bw yw iw iF dx 2w
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i
湿 空 气 冷 却 减 湿 过 程 示 意 图
B(tw1,i1) ●
饱 和 线
Q
湿空气入口状态
● E(t1,i1)
切线 连 接 ● C(ti, ii) 线
di Wc w dt w G
hwc p ii i ti t w h
工 作 线
冷却减湿 过程线 A(tw2,i2) i2 ● ● M(t2, i2) 干球 温度 P tw1 td 2 t2 tw2 td 1 t1
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 下的流动 金属壁
传热 传质
湿空气
气膜
冷却介质
冷凝液膜
湿空气在冷壁面上的冷却去湿过程示意图 2014-7-8
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如图所示，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 汽凝结，在冷却器表 面形成一层流动的水 膜。 热质交换同时进行， 相互影响。
等截面直肋示例
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假定：
1）热、质传递过程
是稳定的；
湿空气
2yF
2）肋片的导热系数、
肋根温度均为值；
dqF tw
tF qF
dx
L
3）肋片只有x向导
热，肋片外的水膜
水膜平均厚度 y
w
Baidu Nhomakorabea
x
tFB
只有y向的导热 。
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等截面直肋
y
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dt qF 2F y F dx
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定含湿量线簇
一定压力下，水蒸气分压与含湿量一一对应， 因此定比湿度线簇也是定水蒸气分压力线簇。 露点温度td取决于水蒸气分压，因此定含湿量 线簇也是定td线簇。
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定焓线簇
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定温（干球温度）线簇
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定相对湿度线簇
Φ=100%时线实际上是不同含湿量d下露点的轨迹 Φ=0%时即为干空气，d＝0，即纵坐标轴