空气的热湿处理---热质交换与设备原理

2F y F d 2iF 2F y F d 2 iF dqF dx 2 2 bw dx bw dx d 2 iF h D iF dx2 F y F
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方程：
d 2 iF hD iF 2 dx F y F
x 0, iF iF , B 边界条件： di F 0 x L, dx
由于d通常很小，所以pv与d近似成线性
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定湿球温度线簇
由于d通常很小，湿球温度也不高，定tw 线可近似以定焓线代替
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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
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
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 t w )dA Wc wdtw
tw 冷 却 d A 剂W
冷却剂边界层
dtw hw (ti tw ) Wc w dA
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根据热平衡可得
hw (ti t w ) h(t ti ) hmd (d di ) r
温 度 （ C ）
A
As
含湿量 g/kg
直接蒸发冷却空调工作原理
直接蒸发空气处理过程的i-d图 表示
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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
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 2013-7-31
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凝 结 水 膜
湿空气边界层 t ti
冷表面
tw 冷 却 d 剂W A
湿 空 气G
d
di
冷却剂边界层
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空气侧：
凝结水膜
Gdd hmd (d di )dA
Gc p dt h(t ti )dA
2
w
bw yw
(iw iF )dx
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 y w c p i iF b h 2dx w w
5
W
t0
4 O
夏季：冷却减湿
L'
3
0
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
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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定焓线簇
52-6
定温（干球温度）线簇
52-7
定相对湿度线簇
Φ=100%时线实际上是不同比湿度d下露点的轨迹 Φ=0%时即为干空气，d＝0，即纵坐标轴
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水蒸气分压力线簇
pv
pd pd pv 当p一定时，pv p一定时，pv f (d ) 当 f (d ) d 0.622 d 0.622
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பைடு நூலகம்
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
冷却盘管
A
B
C
凝结水
湿空气通过盘管的情况
冷却除湿时空气状态变化的i-d 图上表示
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4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿
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 下的流动 金属壁
dqF 2
2yF
w
yw
湿空气
(t w t F )dx
dqF
tw qF yw x tFB y
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tF
dx
L
dt d dt 2F y F 2 F y F (dx) dx dx dx dt d 2t 2F y F 2F y F 2 dx dx dx
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(i2, tw1) i2 ● ● M(i2, t2) 干球 温度 P tw1 td2 t2 tw2 td1 t1
di i ii dt t ti
干球温度
湿空气出口状态
湿球温度
t
湿交换量： dW Gd (d ) hmp ( pq pqb )dA
湿交换量也可写成：dW hmd (d db )dA
潜热交换量：
dQq rdW rhmd (d d b )dA
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总热交换量
dQz dQx dQq
dQz [ht tb rhmd (d db )]dA
肋片微元在-x方向上净导热量为 dq 2 y d t F dx F F F dx2 肋片与水膜之间的换热量为 dqF 2 w (t w t F )dx 饱和空气焓可近似为
dqF 2
yw iw aw bwt w
iF aw bwt F dqF bw yw iw i F dx 2w
4.3.1 热湿交换原理
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水膜表面的空气与水的热湿交换过程
湿空气主流G t d Pq 湿空气边界层 tb db Pqb
水
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温差是热交换的动力， 水蒸气分压力差是湿交换的动力 显热交换量：
dQx Gc p dt ht tb dA
换热扩大系数ξ（析湿系数） 对于水侧：
dQz dQx
dQz Wc p dtw
稳定工况时，空气侧与水侧换热量相等：
dQx dQq Wc p dtw
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4.3.2 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 的, 可分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却 直接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, 从而使被处理的空 气降温加湿
(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。
焓湿图简介
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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与比湿度d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 度、定干球温度、定相对湿度各线簇。
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定比湿度线簇
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，因此定比湿度 线簇也是定td线簇。
等截面直肋示例
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假定： 1）热、质传递过程 是稳定的； 2）肋片的导热系数、 肋根温度均为定值；
湿空气
2yF
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
x
tFB
只有y向的导热 。
等截面直肋
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y
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dt 2F y F dx
tan hpL w pL
定义湿肋的 肋效率为： 其中：
w
i iF , m i iF , B

iF ,m iF , B
p
hD F y F
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
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令
yw c p 1 hD w bw h
bw dqF i iF 2dx
yw c p b h w w
d 2t F dqF 2F yF dx 2 dx
iF aw bwt F
2hD 2hD dqF (i iF )dx iF dx bw bw
h(t ti ) hmd (d d i )r hmd
对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为
hw (ti t w ) hmd c p (t ti ) (d d i )r
hmd (i ii )


麦凯尔方程
湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，湿 空气主流与紧靠水膜的饱和空气的焓差是热湿交 换的推动力。
点（i, tw)与(ii,ti )的连接线斜率
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Gdi hmd (i ii )dA
dtw hw (ti t w ) Wc w dA
di Wc w dt w G
上式为i与tw之间的工作线斜率 di i ii 湿空气在冷却降湿过 又： 程中的过程线斜率 dt t ti 点（i, tw)与(ii, ti )连接线斜率
hwc p ii i hw ti t w hm h
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
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i
湿 空 气 冷 却 减 湿 过 程 示 意 图
B(i1, tw2) ●
饱 和 线
Q
湿空气入口状态
● E(i1, t1)
切线 连 接 ● C(ii, ti) 线
第四章 空气的热湿处理
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52-1
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
4.2
4.3
空气与水直接接触的热湿交换
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52-2
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，热舒适，新风，回风，送风状态， 焓湿图，夏季工况，冬季工况等
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根据热平衡，空气侧：
Gdi hmd (i ii )dA
Gc p dt h(t ti )dA
h hmd c p
di i ii dt t ti
湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率
hw (ti t w ) hmd (i ii )
hwc p ii i hw ti t w hmd h
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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常压下饱和湿空气的焓值及其在饱和曲线上的斜率
t(℃) 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 i(kcal/kg) 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 45.187 51.298 58.319 66.408 75.774 86.607 di/dt[kcal/(kg· ℃)] 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