热质交换原理与设备

1、第第4 4章章 空气热质处理方法空气热质处理方法 本章的主要内容 介绍对空气进行热质处理主要技术的原理和方法，包括空气与液体表面、空气与固体表面之间的热质交换。 介绍独立除湿方法利用吸收剂和吸附材料处理空气的原理4.1.1 空气热质处理的各种方案空气热质处理的各种方案 在空调系统中，为得到同一送风状态点，有不同的处理途径。如下图所示的各种空气处理方案。4.1 4.1 空气热质处理的途径空气热质处理的途径12345OLd0i0WNetoWL夏季：夏季：（1）WLO（2）W1O（3）WO冬季：（1）W2LO（2）W3LO（3）W4O（4）WLO（5）W5LO表表4-1 4-1 空气处理各种途径的方

2、案说明空气处理各种途径的方案说明 季节季节空空 气气 处处 理理 途途 径径处处 理理 方方 案案 说说 明明夏季夏季 (1)W L O (2)W 1 O (3)W O （1）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（2）固体吸湿剂减湿）固体吸湿剂减湿 表面冷却器表面冷却器 等湿冷却等湿冷却（3）液体吸湿剂减湿冷却）液体吸湿剂减湿冷却冬季冬季 (1)W 2 L O (2)W 3 L O (3)W 4 O (4)W L O (5)W 5 L O（1）加热器预热）加热器预热 喷蒸汽加湿喷蒸汽加湿加热加热器器再热再热（2）加热器预热）加热器预

3、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）加热器预热）加热器预热 喷蒸汽加湿喷蒸汽加湿（4）喷淋室喷热水加热加湿）喷淋室喷热水加热加湿 加热器加热器再再热热 （5）加热器预热）加热器预热 一部分喷淋室绝热一部分喷淋室绝热加湿加湿与另一部分未加湿的空气混合与另一部分未加湿的空气混合4.1.2 空气热质处理及设备空气热质处理及设备 在空调工程中，实现不同的空气处在空调工程中，实现不同的空气处理过程需要不同的空气处理设备，一种理过程需要不同的空气处理设备，一种空气处理设备能同时实现空气的加热加空气处理设备能同时实现空气的加热加湿、冷却干燥或者升温干燥等过程。湿、冷却干燥或者升温干燥

4、等过程。 水、水蒸汽、冰、各种盐类及其水水、水蒸汽、冰、各种盐类及其水溶液、制冷剂及其它物质。溶液、制冷剂及其它物质。(1)(1)混合式（直接接触）热质交换设备混合式（直接接触）热质交换设备 常见的设备：喷淋室、冷却塔、蒸汽加湿器、使用液体吸湿剂的装置 特点是：换热介质直接与空气接触，被处理空气流过热质交换介质表面，通过含有介质的填料层或将介质喷洒到空气中去，形成具有各种分散度液滴的空间，使液滴与流过的空气直接接触。（2 2）间壁式热质交换设备）间壁式热质交换设备 （光管式和肋管式空气加热器及空气冷却器等） 特点是：介质不与空气接触，二者之间的热质交换是通过分隔壁面进行的。根据热质交换介质的温

5、度不同，壁面的空气侧可能产生水膜（湿表面），也可能不产生水膜（干表面）。 分隔壁面有平表面和带肋表面两种。4.2 4.2 空气与水空气与水 / / 固体表面之间的热质交换固体表面之间的热质交换4.2.1 湿空气在冷表面上的冷却降湿 冷却器表面形成一层水膜；湿空气的边界层；湿空气边界层温度等于水膜温度；热交换：空气主流与水膜的温差质交换：空气主流与空气边界层含湿量差冷却剂侧的边界层冷却剂边界层 湿空气的冷却与降湿湿空气的冷却与降湿itt idd G为湿空气的质量流量，kg/s； d、di湿空气主流和紧靠水膜饱和空气的含湿量，kg/kg； t、ti湿空气主流和凝结水膜的温度，； h为湿空气侧的换热

6、系数，W/m.K。 dAtthdtGcip)( dAddhdGimd)(d水膜上微元面积dA的热、质交换量ttiiiitw=100%iwddimdh- -为以含湿量为基准的传质系数 假定水膜和金属表面的热阻可不计，则单位面积上冷却剂的传热量为：hw冷却剂侧的放热系数；tw冷却剂侧的主流温度；cw冷却剂的比热；W冷却剂的质量流量。dAdtWctthwwwiw)(rddhtthtthimdiwiw)()()(rddchttchhipmdipmd)()(1pmdchh又又rddttchtthiipmdwiw)()()()(imdiih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的焓

7、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根据热平衡，得根据热平衡，得: :根据热平衡，对于空气侧dAiihGdiimd)( 又又dAtthdtGcip)( iittiidtdi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)()(imdwiwiihtthhhttiipwmdwwiichh这是点 与 的连接线斜率。),(wti),(iiti由式(3)与(4)得表示i与tw之间关系的工作线斜率。 GWcdtdiwwdAiihGdiimd)( dAdtWc)tt (hwwwiw4.2.2 湿空气在肋片上的冷却降湿过程空

8、气冷却器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。假定：n热、质传递过程是稳定的；n肋片的导热系数、肋根温度均为定值；n金属肋片只有x方向的导热，肋片外的水膜只有y方向的导热。n 肋效率的定义n采用肋片的意义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FdqWyFyFtFq离肋根x处长度为dx的微元体，金属肋片在x方向的导热量为：dxdtyqFFFF2FFy2dxttydqFwwwF)(2w肋片的导热系数与肋片厚度，下标F表示肋片在在dxdx微元体上，凝结水膜与肋片的传热量为：微元体上，凝结水膜与肋片的传热量为：wy水膜的导热系数与水膜厚度，下标水膜的导热系数与

9、水膜厚度，下标w w表示水膜表示水膜饱和空气的焓饱和空气的焓wwwwtbaidx)ii (yb2dqFwwwwF在dx的微元体上，湿空气和水膜的总传热量:dxiichdxiihdqwpwF)(2)(2mdFdqWyFyFtFqhcdxdqiipFw2wwwFFw2ybdxdqii)(2hbcydxdqbiiwpwwFwF得到得到Dwpwwhhbcy1)(dxibh2dx)ii (bh2dqFwDFwDF令令dxdtyqFFFF2dxidby2dxdiby2qFwFFFwFFF可得上式的边界条件为：湿肋的肋效率定义为：FFFD2F2iyhdxidBFFiix, 00,dxidLxFBFmFBFmFwiiiiii, 分别为肋片平均温度与肋根温度所对应的饱湿空气的焓mFi,pLpLwtanh解得解得BFi,FFDyhp式中式中 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 12.815.618.321.123.926.729.432.235.037.840.643.346.148.951.7 54.4 8.4619.80111.27812.90014.67016.70018.93820.33824.27127.46031.07135.17639.84545