第五章空气热湿处理.ppt

第五章 空气的热湿处理,第一节 空气的热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 空气的其他处理方法,空气热湿处理设备的类型,第一类：直接接触式热湿交换设备 喷水室，蒸汽加湿器，局部补充加湿装置，液体吸湿剂装置。第二类：表面式热湿交换设备 光管式和肋片管式空气加热器，空气冷却器第一类热湿交换设备特点：与空气进行热湿交换的介质与被处理的空气直接接触，做法是让空气流经热湿交换介质的表面或将热湿交换介质喷淋到空气中间去第二类热湿交换设备特点：与空气进行热湿交换的介质不与空气直接接触，空气与介质间的热湿交换是通过设备的金属表面来进行的,空气与水直接接触时的热湿交换,空气与水之间的热湿交换原理要,边界层,未饱和空气,边界层,未饱和空气,空气与水的热湿交换(a)敞开的水面（b）飞溅的水滴,(a),(b),水滴,如果边界层温度高于周围空气温度，则由边界层向周围空气传热；反之则由周围空气向边界层传热。如果边界层内水蒸气分子浓度大于周围空气的水蒸气分子浓度，则由边界层进入周围空气中的水蒸气分子数多于由周围空气进入边界层的水蒸气分子数，结果周围空气中的水蒸气分子数将增加；反之则将减少。质交换有两种基本形式：分子扩散和紊流扩散,空气与水之间的显热交换取决于边界层与周围空气之间的温度差，而湿交换及由它引起的潜热交换取决于二者之间的水蒸气分子浓度或者说取决于二者之间的水蒸气分压力差,当空气与水在一个微小表面dF上接触时显热交换量：dQx=（t-tb）dF(W)t周围空气温度tb边界层空气温度湿交换量：dW=D(C-CD)dF kg/sD空气与水表面间按水蒸汽分子浓度差计算的湿交换系数，单位m/sC周围空气中水蒸汽分子浓度，单位kg/m3CD边界层空气中水蒸汽分子浓度，单位kg/m3,或：dw=（pq-pqb）dF,空气与水表面间按水蒸汽分压力差计算的 湿交换系数，单位kg/NS pq周围空气的水蒸汽分压力，单位Pa pqb边界层空气的水蒸汽分压力，单位Pa或：dW=（d-db）dF 空气与水表面间按水蒸汽含湿量差计算的湿交换系数，单位kg/m2s d周围空气的含湿量，kg/kg干 db边界层空气的含湿量，kg/kg干,潜热交换量：dQq=rdW=r（d-db）dF,r温度为tb时水的汽化潜热，单位J/kg,总热交换量：dQZ=dQX+dQq=（t-tb）+r（d-db）dF,二、刘易斯关系式,应用？,三、空气与水直接接触时的状态变化过程（理想条件）,0,pq2,pq4,pq6,水蒸汽分压力Pa,t6=tA,t4=ts,t2=tl,A,前提：水温不变，水量无限大，接触时间无限长,七种典型的空气状态变化过程,说明：,A-2 空气加湿与减湿的分界线：ttb，d=db，有显热交换，等湿冷却过程。,A-4 空气增焓与减焓的分界线：空气沿等湿球温度线变化而加湿，即等焓加湿过程。,A-6 等温加湿过程，空气的潜热量增加，焓增大,思考：1、A-4过程中水温如何控制？2、能否用水实现等湿升温、等焓减 湿或等温去湿过程？,四、空气与水接触的实际变化过程,空气与水接触的过程中，只要空气得到或失去了热量则水的温度一定要变化。,2、i-d图表示 参看P65 图3-4,4-3 用喷水室处理空气,优点：能实现多种空气处理过程，具有一定的净化空气能力，耗费金属量少和容易加工。缺点：对水质的卫生要求高，占地面积大，水系统复杂和水泵消耗电能较多。应用情况：目前一般建筑物中不常用或只做加湿器使用，但在纺织厂、卷烟厂等工业建筑中还大量使用。,2、排管、喷嘴：根据喷水方向与空气流动方向的相对状况分：顺喷、逆喷、对喷,3、后挡水板使夹在空气中的水滴分离出来615是喷水室的水供应系统，有四种管道与底池相连,1、前挡水板挡住可能飞溅出来的水滴，并使进入喷水室的空气能均匀地流过整个断面。,7、循环水管底池通过滤水器与循环水管相连，使落在底池的水能重复使用，滤水器的作用是除去水中杂物，以免堵塞喷嘴。,一、喷水室的构造和类型,(一)构造（图3-5）,14、溢水管底池通过溢水器与溢水管相连，以便排除夏季由空气中冷凝出来的水或收集回水。此外，溢水器的喇叭口上有水封罩可将喷水室内外空气隔绝，并使底池水面维持一定高度。11、补水管由于冬季通常是用循环水加湿空气，一部分水要蒸发到空气中去，所以底池水面会降低。为了维持水面高度不低于溢水器，需设补水管，并经浮球阀门自动补水，补水量按喷水量24%来补。15、泄水管为检修、清洗和防冻等目的，在底池底部需设泄水管，以便能将池内的水全部泄至下水道。,（二）类型立式、卧式；单级、双级,立式特点：占地面积小，空气自上而下的与水接触，热湿交换效果更好，但能处理的空气量不大。双级特点：水能重复使用，节省水量，同时可使空气焓降更大，适用于应用大型冷源及要求处理的空气焓降大的场合，但占地面积大，水系统复杂。,带旁通的喷水室：喷水室上面或侧面再增加一个旁通风道，这样一部分空气可以不通过喷水处理，与经过喷水处理的空气相混合得到要求的空气状态。带填料的喷水室：水均匀的洒在填料层上，空气通过填料层时与水进行热湿交换，净化作用更好。,低速喷水室：2-3m/s；高速喷水室：3.5-6.5m/s,立式单级喷水室,卧式单级喷水室,双级喷水室原理,玻璃丝盒喷水室,二、组成喷水室的主要部件,（一）喷嘴1、Y-1型喷嘴性能：喷嘴喷出的水滴大小，水量多少，喷射角度和作用距离与喷嘴的构造、喷嘴前的水压及喷嘴孔径有关。,同一类型的喷嘴，孔径越小，喷嘴前水压越高，喷出的水滴越细，雾化效果好；孔径相同时，水压越高，则喷水量越高，雾化程度越好。但水压越高，喷水过程消耗的机械能也越多，因此，理想的喷嘴应能在较低压力下，保证喷水室所需的雾化效果和喷水量。,后两者水滴直径较大，与空气接触时温度升高慢，不易蒸发，适用于空气冷却干燥过程。,细喷：do=22.5mm,喷嘴前水压po2.5atm,此时水 滴直径仅为0.050.2mm，适用于空气加湿。,中喷：do=2.53.5mm，Po=2atm,水滴直径为0.150.25mm,粗喷：do=45.5mm，Po=0.51.5atm，水滴直径为0.20.5mm,3、喷嘴布置：原则：使水滴均匀地布满整个断面为原则，可以布置为一排，二排或三排，常见为二排或三排，密度多采用1324个/m2,2、喷嘴材料：一般采用黄铜、尼龙、塑料、陶瓷等黄铜耐磨性最好，价格较高，尼龙次之，塑料和陶瓷易损坏,(二)挡水板,挡水板一般用镀钢板，玻璃钢或塑料制成，现以塑料板居多。经过前挡水板均匀流过喷水室的空气，与喷嘴喷出水雾发生热湿交换后，携带一定量的水滴，当其流经后挡水板时，空气被迫沿着曲折通道不断改变方向，水滴惯性大，与挡水板发生碰撞并聚集成水膜，沿挡水板流回底池。从挡水效果看，档水板的折数多，夹角小，板间距小和空气流速低是有利的，但是增加折数，减小夹角，缩小板间尺寸都会增加空气阻力；而减小空气流速，又会增加挡水板的迎风面积，因此，在世纪工程中，前挡水板一般取46折，夹角90120度，板间距2540mm。,（三）外壳及排管,喷管排管与供水干管的连接方式主要有上分式、下分式、中分式和环式等几种，不论采用哪种方式，水管最低点应设丝堵，以便在冬季不用时泄掉存水。,喷水室的长度应根据喷管排数，排管间距和排管与挡水板的距离确定。,喷水室的外壳多为钢板制成，现在国产装配的空调机也有采用玻璃钢的，其断面一般为矩形，断面积由处理风量和推荐风速来确定。,下分式,上分式,中分式,环式,（四）底池及附属装置,1、底池：大小一般按能容纳23min的总喷水量来确定，池深一般为500600mm。,喷水室各种管道尺寸的确定原则：对于供水管等有压管道，按水量及允许流速12m/s确定管经；对于泄水管等自流管道，应根据一定流量下造成的阻力不超过有效压头来确定管经,4、补水管与泄水管：装在底池最低点，并设闸板阀门，补水管补水量按喷水量24%来确定。,3、滤水器：通常作成圆桶形，以增大过水面积，滤水网常用铜丝网，其规格与滤水能力可参表选用。,2、溢水器：普通的溢水器是一个矩形或圆形的喇叭口，上加水封罩，溢水器的尺寸可按溢水口周边溢水量为3010kg/mh来设计。,三、喷水室的水系统,（一）使用天然冷源的水系统 最简单的水系统是用深井泵抽取地下水直接供喷水室使用，用过之后则排入下水道,这样长期使用地下水，既造成水源紧张又能引起一些地方的地面下沉。采用深井回灌技术，开展冬灌夏用和夏灌冬用，不但有较多的经济价值，而且能有效控制地面沉降。,（二）使用人工冷源的水系统 利用由制冷机设备的冷冻水来处理空气的水系统。根据制冷机蒸发器的类型，安装位置、用不用辅助水池及水泵可以有很多方式。,1、自流回水方式,制冷机蒸发水箱比喷水室底池低，回水可自流回到蒸发水箱，若制冷系统用的是壳管式蒸发器，需另设冷冻水箱和回水箱。,2、压力回水方式 蒸发水箱高于喷水室底池时，需另设回水泵将喷水室的回水送回蒸发水箱。,若几个喷水室公用一套制冷系统，可采用集中的回水泵，为此要增设一个低位的集中回水池，使各喷水室的回水均能自流到集中回水池，再用一个回水泵送回蒸发水箱。选用的回水泵流量应大于各喷水室的最大回水量之和。,注意：,喷水室的水泵一般仅设置一个，但也可以设置大小不同的两个，因为冬季加湿时，可能不需要很大的喷水量，此时另设一台水泵，可节约电能。,水系统中的止回阀主要用来防止停泵时高位水箱的水向低位水池自流，最后从溢水管流入下水道，引起冷水的无益流失,四、喷水室的热工计算,（一）用喷水室处理空气的实际过程 空气与水直接接触时，在假想条件下。可以实现7种过程。,但是在实际的喷水室里，喷水量总是有限的，空气与水的接触时间也不可能很长，所以空气状态和水温都是不断变化的，而且空气的终状态也难达到饱和。,所谓假想条件，一是指用以处理空气的水量无限大，所以水温不变，二是指空气与水的接触时间非常充分，以致所有空气都能达到饱和，而且空气温度最终与水温一样。,实际过程分析,假设水滴与空气的运动方向相同，因为空气总是先与具有初温tw1的水相接触，而且有一小部分达到饱和，且温度等于tw1，这小部分空气与其余空气混合得到状态点1，此时水温已升至tw。如此继续下去，最后可得到一条表示空气状态变化过程的折线，点取得多时，便成了曲线。在逆流的情况下，按同样的分析方法，可得到另外一条曲线。,tw2,tw,tw,tw1,顺流,tw2,tw,tw,tw1,逆流,注意：,实际喷水室中，无论是逆喷还是顺喷，水滴与空气的运动方向都不是纯粹的逆流或顺流，而是比较复杂的交叉流动，所以空气的终状态将既不等于水终温，也不等于水的平均温度。,空气与水的接触时间不够充分，所以空气的终状态往往达不到饱和。单级喷水室，能达到95%；双级能达到100%。习惯上称喷水室后的这种空气状态为“机器露点”。,实际工作中，人们关心的是处理后的空气状态，而不是状态变化的轨迹，所以还是用直线来表示空气状态的变化过程。,（二）喷水室的热交换系数和接触系数,1、热交换效率系数1或E 以冷却减湿过程为例，空气的状态变化和水温变化如图。喷水室的热交换效率系数（第一热交换效率或全热交换效率）是同时考虑空气和水的状态变化的。如果把空气的状态变化过程沿等焓线投影到饱和线上，并近似的将这一段饱和曲线看成直线，则1可表示为：,ts2=tw2 时,1=1ts2与tw2差值越大,说明热湿交换越不完善,1越小,2、接触系数2或E喷水室的2（第二热交换效率或通用热交换效率）是只考虑空气的状态变化，因此它可以表示为：,由于,所以,若把图上一段饱和的曲线近似看成直线，则有,分析绝热加湿过程的1和2,1,2,3,t3=ts1=ts2,可看做等焓过程，所以空气初终状态的湿球温度相等。且水温不变，并等于空气的湿球温度，即空气的状态变化过程线在饱和曲线上的投影成了一个点。在理想条件下，空气终状态能达到点3，但实际过程中只能达到点2。,（三）影响喷水室热交换效果的因素,影响喷水室热交换效果的因素很多，空气的质量流量、喷嘴类型与布置密度、喷嘴孔径与喷嘴前水压，空气与水的接触时间、空气与水滴运动方向以及空气与水的初、终参数等均有关。1、空气质量流量的影响：,单位时间内通过每m2喷水室断面的空气质量，不随温度而变,常用范围：2.53.5kg/(m2.s),（三）影响喷水室热交换效果的因素,2、喷水系数的影响,在一定范围内增大可增大1，2；的具体值应由热工计算确定,（三）影响喷水室热交换效果的因素,3、喷水室结构特性的影响,喷嘴排数：单双三 喷嘴密度:每m2喷水室断面上布置的单排喷嘴个数，通常 取n=1324个/（m2.排）喷水方向：单排逆喷效果好，双排对喷效果好 排管间距：通常采用600mm 喷嘴孔径：优先选用大孔径,4、空气与水初参数的影响 空气与水的初参数决定了喷水室内热湿交换的方向和大小,（四）喷水室的热工计算方法双效率法,1、1和2的经验公式附录3-2 p295,喷水室本身具有的1和2,2、热工计算任务,1）空气处理过程所需要的1应等于喷水室能达到的12）空气处理过程所需要的2应等于喷水室能达到的23）空气失去的热量应等于喷水室中喷水所吸收的热量,（四）喷水室的热工计算方法双效率法,（四）喷水室的热工计算方法双效率法,3、计算类型设计性和校核性,设计性：,已知条件：G（空气量）空气的初终参数T1,ts1,i1；T2,ts2,i2,求解内容：喷水室结构喷水量W水的初终温度tw1、tw2,G（空气量）空气的初终参数T1,ts1,i1；喷水室结构喷水量W水的初温tw1,空气终参数T2,tw2,i2水的终温度tw2,校核性：,（四）喷水室的热工计算方法双效率法,以例3-1，讲解设计性计算的计算步骤和注意问题。深井水量的计算公式的推导（板书）出练习题让学生课堂完成,（五）喷水温度与喷水量的关系,tl1-被处理空气的露点温度（初态）tw1-新水温与新水温对应的喷水系数,五、喷水室的阻力计算,4-4 用表面式换热器处理空气,常用的表面式换热器包括空气加热器和表面冷却器两类。空气加热器是用热水或蒸汽做热媒，通常又称为水冷式或直接蒸发式表冷器。,一、表面式换热器的构造：空调工程中常用的是用肋片管制成的肋管式换热器，它的基本构造如图,常见的肋片管形式,1）皱褶式绕片管绕片换热器,皱褶作用：增加肋片与管子间的接触面积及空气流动时的扰动性，因而能提高传热系数；同时，它的存在也增加了空气通过时的阻力，且容易集灰，不易清理。2）串片管串片式换热器 在肋片上率先冲好相应的孔，再将肋片与管束串在一起，多用铜和铝。以前 多用于手工操作，现在则用冲片机，弯管机，串片机，胀管机，焊接机等代替手工操作，提高效率，保证质量。3）轧片管轧片式换热器，通常是在铜管或铝管上轧出肋片，优点是肋片和管子是套体，传热效果更好。,4）二次翻片式即从管孔处翻两次边，增强传热效果,5）其他型式：波纹型，条缝型，百叶缝型，针刺型,注意：为使表面式换热器性能稳定，应力求管子与肋片间接触紧密，保证长久使用后也不会松动。,各种肋管式换热器的构造,二、表面式换热器的安装,1）可以垂直、水平或倾斜安装，对于用蒸汽做热媒的空气加热器而言，为便于排除凝结水，安装时应有一定的坡度。,热媒和冷媒管也有串、并联之分。对于使用蒸汽做热媒的表面式换热器，蒸汽管路与各换热器之间只能并联，对于使用水作冷媒或热媒的表面式换热器，水管与换热器之间串、并联均可。通常相对于空气来说，并联的冷却器，其冷水管路也常并联；串联的冷却器，其冷水管路也常串联。,2）表面式换热器可串，可并或既有并又有串。通常，空气量多时多用并联，需要的空气温升（降）大时多多用串联。,3）表冷器工作时，会有水分从空气中冷凝出来，所以下部安装滴水盘的排水管。,另外，冷、热媒的管路上应设截止阀，以便调节或关断换热器。对于蒸汽系统来说，回水管路上应设疏水器，否则有蒸汽入水泵，会引起冷蚀。换热器水系统最高点要设排空气装置，最低点要设泄水和排污阀门。,滴水盘与排水管,三、表面式换热器的传热系数,用表面式换热器处理空气时能实现的三种过程：等湿加热空气加热器处理空气等湿冷却表冷器处理空气，表面温度高于露点温度（干工况）减湿冷却表冷器处理空气，表面温度低于露点温度（湿工况）,表面式换热器的热交换能力，在F和t一定的情况下，主要取决于传热系数的大小。,在减湿冷却过程工程中，在水膜周围会形成一个饱和空气边界层，因此空气与表冷器之间，不但发生热交换，还会发生湿交换和潜热交换，此时换热能力更大。,（一）等湿冷却和加热过程,对于结构一定的肋片式换热器来说，K只与内外表面的换热系数有关，可用下式计算：,w外表面换热系数 n内表面换热系数o肋表面全效率 管壁厚度管壁导热系数 肋化系数,实际常用的经验公式,对于以热水为热媒的空气加热器，常用（b）式,部分空气加热器的传热系数试验公式见附录3-7,对于以蒸汽为热媒的空气加热器，则基本上不考虑蒸汽流速的影响，此时公式为：,（二）减湿冷却过程,减湿冷却过程既有湿交换，又有显热交换，此时它的K如何计算？,在空调工程中应用的表冷器中，热湿交换规律符合刘伊斯关系式=/cp（对流质交换系数），这样，会有下式成立,通常用表示因存在湿交换而增大了的换热量，的定义式为,可以反映凝结水析出的多少，称为析湿系数。干工况时，=1，湿工况时1,认为此时外表面的换热系数比干工况时增大了倍,此时K可表达为,湿工况下的K，不仅与迎风面风速Vy、管内水流速有关，还与有关。实际工作中，也是通过测定整理出实验公式：,其他一些表冷器的传热系数实验公式见附录3-4,四、表面式换热器的热工计算,（一）、空气加热器的计算 空气加热器的计算分两种类型：设计性计算和校核性计算。,回忆换热器计算步骤,空调工程中常用的是设计性计算,设计性计算目的：根据被加热空气量加热要求，按一定热媒参数选择合适的加热器型号。校核性计算目的：根据已有的加热器型号，校核它能否满足预定的要求。,1、计算原则及基本计算公式,原则：加热空气需要的热量等于空气加热器供给的热量。,加热器供给的热量：Q=KFtmtm是热媒与空气之间的对数平均温差。,基本公式：已知空气量为G（kg/s），加热前后空气温度为t1、t2，则加热空气需要热量为Q=GCp(t2-t1)kw,tm的确定：对加热过程来说，由于冷热流体在进、出口端的温差比值常常小于2，用算术平均温差代替对数平均温差，也不会引起很大误差，所以,热媒为热水时：,热媒为蒸汽时：,2、计算方法和步骤,（1）初选加热器的型号：先假定 v值，然后根据f=G/v求出加热器需要的有效截面积，提高v，可使K，从而减少加热器的传热面积，降低设备的投资。但是v，阻力也将，使运行费.,（2）计算加热器的传热系数 有了加热器的型号和空气质量流速后，查取相应经验公式便可计算传热系数。若经验公式使用的不是v而是vy，则应根据有效截面系数使用vy=(v)/求出vy后再计算K,通常采用“经济质量流速”：即采用使运行费和初投资的总和为最小的v值，通常在8kg/m2s左右,热媒为热水时，还要用到w，w的确定如下：,一般是取w=0.60.8m/s，如果热媒是高温热水，温降大，水的流速应取更小。选定w后，可用下式确定通过加热器的水量,（3）计算需要的加热面积和加热器台数F=Q/Ktm先按Q=Q算出需要的加热面积，再根据每台加热器的实际加热面积确定加热器的排数和台数。,（4）检查加热器的安全系数 由于加热器的质量和运行中内外表面积垢等原因，选用时应考虑一定的安全系数，一般取传热面积的安全系数为1.11.2。,（5）计算加热器的阻力,选定空气加热器后，还必须计算它的空气阻力和水阻力。,建议H的安全系数取1.1，h取为1.2,热媒是蒸汽，依靠保持一定的工作压力，不必计算热媒是热水，h=cwq,空气阻力：通常按H=B（v）p Pa,（二）水冷式表冷器的选择计算,1、表冷器的热交换效率系数和接触系数,（1）1的确定：通常是先确定（传热单元数）和（水当量比）查表确定或者通过测定,回忆其是如何定义的？,表冷器的热交换效率系数同时考虑了空气和水的状态变化，接触系数则只考虑空气的状态变化。两个系数的定义式为,表冷器需要的,表冷器能达到的,（2）接触系数,通常利用下式计算：,2随N而，随VY而,N肋片管的排数肋通系数，每排肋片管外表面积与迎风面积的比值,2、表冷器热工计算类型,设计性：选择冷却器，以满足要求的初、终态参数校核性：检验一定型号的冷却器，能否满足要求3、表冷器热工计算的原则：空气处理过程需要的1应等于表冷器能达到的值空气处理过程需要的2应等于表冷器能达到的值空气放出的热量应等于表冷器能吸收的热量即,设计性计算：先根据给定的空气初、终参数计算需要的2，根据2确定冷却器的型号、台数与排数，然后就可以求出冷却器能够达到的1，根据1确定tw1。,校核性计算：空气终参数尚未求出之前，不能求出，此时求解会更复杂，通常采用试算法。,若已知条件给出tw1，此时需要的1已定，则热工计算的目的就在于通过调整水流速w或者调整vy和N等办法，使选择的表冷器能够达到空气处理过程需要的1。,6、用湿球温度效率法计算表冷器的湿工况,定义式：,（1）判别工况由于湿工况的计算才采用湿球温度效率，所以解题之前要先判断工况。,方法：等价工况定义：对于风量、水量、水初温相同的表冷器工况而言，如果某一干工况的进风焓值与一湿工况的进风焓值相等，而且它们的出风焓值i2与接触系数也相等，则称这个干工况为该湿工况的等价干工况。,根据1、2的定义可推导出干、湿工况的界限判据,令：,对于临界工况：tL1=t3 所以TO=D对于湿工况：tL1t3 所以TOD,（2）方法内容,干蒸汽加湿器,管式电热元件,离心式加湿器,冷冻减湿机原理,转轮除湿机工作原理,