第三章空气的热湿处理.ppt

第三章 空气的热湿处理,第一节 空气热湿处理途径及使用设备的类型第二节 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 空气的其它加热加湿方法和设备第六节 空气的其它除湿方法和设备,第三章 空气的热湿处理,基本要求：1、了解空气热湿处理的途径和设备。2、掌握用喷水室处理空气的原理、特点及热工计算方法；3、掌握用表面式换热器处理空气的原理、特点及热工计算方法；4、了解空气的其他热湿处理方法和设备。,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,一、空气热湿处理的各种方案 任务：把室外空气状态处理到送风状态。,1、夏季（减湿冷却）（1）WLO,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,（2）W1O,（3）WO,液体吸湿剂减湿冷却,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,2、冬季（加热加湿）,（1）WLO,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,（2）W2LO,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,（3）W3LO,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,（4）W4O,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,（5）W5L 5,第一节 空气热湿处理的途径及使用设备的类型,二、空气热湿处理设备的类型 介质：水、水蒸汽、制冷剂、液体和固体吸湿剂,液体吸湿剂装置,接触式热湿处理设备,喷水室,蒸汽加湿器,高压喷雾加湿器,表面式热湿处理设备,空气加热器,空气冷却器,热湿处理设备,湿膜加湿器,超声波加湿器,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,一、空气与水直接接触时的热湿交换原理,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,热交换的推动力 主体空气与边界层空气之间的温差。当边界层空气的温度高于主体空气的温度时，边界层空气向主体空气传热；反之，则主体空气向边界层空气传热。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,湿交换的推动力 主体空气与边界层空气之间的水蒸汽分压力差。当边界层空气的水蒸汽分压力大于主体空气的水蒸汽分压力时，水蒸汽分子由边界层向主体空气迁移（蒸发）；反之，则水蒸汽分子由主体空气向边界层迁移（凝结）。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,热湿交换量,显热交换量：,湿交换量：,潜热交换量：,总热交换量：,换热扩大系数：,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,二、空气与水直接接触时的状态变化过程 1、假想条件下的状态变化过程 假想条件：与空气接触的水量无限大、接触时间无限长。状态变化过程：水温不变，全部空气都能达到饱和状态，且空气终温等于水温。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,空气与水直接接触时各种过程的特点,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,2、理想条件下的状态变化过程 理想条件：空气与水的接触时间足够长、但水量有限。状态变化过程：水温发生变化，全部空气都能达到饱和状态，且空气终温等于水终温（或水初温）。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,(a)顺流(b)逆流(c)顺流,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,3、实际条件下的状态变化过程 实际条件：空气与水的接触时间有限、水量也有限状态变化过程：空气最终难以达到饱和状态。实际变化过程不为直线，但工程中只关心初终状态，可以用连接初终状态的直线来表示空气的变化过程。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,三、热湿交换的相互影响及同时进行的热湿传递过程,绝热加湿过程，空气失去的显热=水蒸发需要的潜热：,1、刘伊斯关系式,即热交换系数与湿交换系数之比为常数。也适用于其他过程。,第二节 空气与水直接接触时的热湿交换,2、麦凯尔方程,总热量：,即总热交换的推动力是主体空气和边界层空气之间的焓差。,第三节 用喷水室处理空气,优点,缺点,能实现多种空气处理过程（7种）；具有一定的空气净化能力；金属耗量少，容易加工。,对水质要求高；占地面积大；水泵耗能大。,第三节 用喷水室处理空气,一、喷水室的构造和类型1、喷水室的构造喷嘴：使水雾化成液滴喷水排管：布置喷嘴前挡水板：挡水、使进风均匀后挡水板：分离空气中夹带的水滴、减少过水量管道系统：供水管、循环水管、补水管、溢水管、泄水管 其他：水泵、底池、滤水器、溢水器等。,第三节 用喷水室处理空气,2、喷水室的类型卧式喷水室、立式喷水室单级喷水室、双级喷水室低速喷水室、高速喷水室带旁通的喷水室、带填料层的喷水室,第三节 用喷水室处理空气,二、喷水室的热工计算方法1、喷水室的热交换效率 表示实际过程接近理想过程的程度。,（1）全热交换效率E,绝热加湿以外的其他处理过程：,绝热加湿过程：,定义式,第三节 用喷水室处理空气,（2）通用热交换效率E,绝热加湿过程：,定义式,第三节 用喷水室处理空气,2、热湿交换效果的影响因素（1）空气的质量流速,增大，则E、E增大，并且可以减小喷水室的横断面积，但也会使过水量和喷水室阻力增大。,常用范围：,（2）喷水系数,增大，则E、E增大，但水泵的能耗也会增大。,定义：处理每kg空气所用的水量，,第三节 用喷水室处理空气,（3）喷水室的结构特性喷嘴排数 热交换效果双排比单排好，三排与双排差不多，因此常用双排喷嘴。喷嘴密度 喷嘴密度过大，水苗叠加；过小，水苗不能覆盖整个喷水室断面，使部分空气旁通。,第三节 用喷水室处理空气,喷水方向 对单排喷嘴，逆喷比顺喷好；对双排喷嘴，采用对喷；对三排喷嘴，采用一顺两逆。排管间距 600mm左右。,第三节 用喷水室处理空气,喷嘴孔径 喷嘴孔径小，则喷出的水滴小，与空气的接触面积大，热湿交换的效果好，但易阻塞，所需的喷嘴数量多。一般取35.5mm。（4）空气、水的初始参数 不同的初始参数会导致不同的处理过程和结果。,第三节 用喷水室处理空气,3、热交换效率的实验公式 对一定的空气处理过程和一定结构的喷水室：,系数和指数见附录3-2。,计算式,第三节 用喷水室处理空气,4、计算方法及步骤（1）计算类型设计性计算 对既定的空气处理过程，选择满足要求的喷水室。,已知：空气量G、空气的初终状态（）、（）,计算内容：喷水室结构、喷水量W（或喷水系数）、水的初终温。,第三节 用喷水室处理空气,校核性计算 对结构一定的喷水室，校核其处理能力。,已知：空气量G、空气的初状态（）、喷水室结构、喷水量W（或喷水系数）、水的初温。,计算内容：空气的终状态（）、水的终温。,第三节 用喷水室处理空气,（2）计算公式 2个热交换效率方程+1个热平衡方程,或,定义式=计算式,第三节 用喷水室处理空气,（3）循环水量的计算,在设计性计算中，根据求出的水初温 选择自然冷源或人工冷源。,一般，冷冻水温。如果，则需要使用一部分循环水。,第三节 用喷水室处理空气,热平衡：,质量平衡：,冷冻水量：,循环水量：,第三节 用喷水室处理空气,（4）喷水温度和喷水量的调整 在设计性计算中，如果，可以通过调整水量（）来改变水初温（）：,被处理空气的露点温度。,第三节 用喷水室处理空气,例3-1：已知需处理的空气量为，当地大气压力为101325Pa，空气的初参数为：，。空气的终参数为：，。求喷水量W、喷嘴前水压p、水的初温、终温、冷冻水量 及循环水量。,解：（1）选用喷水室结构（参考附录3-2）：Y-1型离心式喷嘴，双排对喷，喷嘴孔径，喷嘴密度，空气的质量流速。,第三节 用喷水室处理空气,（2）此过程为减湿冷却过程，查附录3-2，得到各项系数和指数。,第三节 用喷水室处理空气,联立求解得：，,（3）求喷水量：,（4）求喷嘴前水压,喷水室横断面积：,喷嘴总数：,每个喷嘴的喷水量：,根据喷水量和喷嘴孔径，查附录3-1得喷嘴前水压为0.18MPa。,第三节 用喷水室处理空气,（5）求冷冻水量和循环水量,冷冻水温取。,冷冻水量：,循环水量：,第三节 用喷水室处理空气,例3-2：已知需处理的空气量为，空气的初参数为：，。要求空气的终参数为：，。计算得到喷水系数，水初温。试将喷水初温改为10进行校核性计算。,解：（1）新的喷水系数：,新的喷水量：,第三节 用喷水室处理空气,（2）求空气和水的终状态,联立求解得：，。,可以满足要求。,第三节 用喷水室处理空气,三、双级喷水室的特点及其热工计算问题,第三节 用喷水室处理空气,1、特点,2、热工计算 两级的喷水系数相同，可以当作一个喷水室处理。（例3-3）,被处理空气的温降、焓降较大，且空气的终状态一般可以达到饱和（，）。,空气的温降I级喷水室要大，而空气的减湿量II级喷水室要大。,水的温升比较大，可能出现（E1）的情况。,第三节 用喷水室处理空气,四、喷水室的阻力计算,1、前后挡水板的阻力,前后挡水板局部阻力系数之和；挡水板处的迎面风速，m/s。一般取1.11.3倍 喷水室断面风速。,第三节 用喷水室处理空气,2、喷嘴管排的阻力,喷嘴的排数；喷水室断面风速，m/s。,3、水苗的阻力,喷嘴前水压，MPa；系数，对单排顺喷，取-0.22；对单排逆喷，取0.13；对双排对喷，取0.075。,第四节 用表面式换热器处理空气,优点,缺点,构造简单；占地面积小；对水质要求不高，水系统阻力小。,不能进行加湿处理；金属耗量大。,第四节 用表面式换热器处理空气,分类,空气加热器（介质为热水或蒸汽）,表面式冷却器,水冷式表冷器（介质为水）,直接蒸发式表冷器（介质为制冷剂）,表面式换热器,第四节 用表面式换热器处理空气,一、表面式换热器的构造与安装 1、构造 光管式、肋管式2、安装 垂直安装、水平安装、倾斜安装有凝结水产生时，应安装接水盘和排水管。空气量较大时采用并联，空气温升（温降）较大时采用串联。,第四节 用表面式换热器处理空气,并联的换热器其冷、热媒管路也应并联，串联的换热器其冷、热媒管路也应串联。空气和冷、热媒之间最好是逆流。附属设备：阀门、压力表、温度计、排气装置、泄水装置、排污装置等。,第四节 用表面式换热器处理空气,二、表面式换热器热湿交换过程的特点热湿交换的推动力：主体空气与换热表面的边界层空气之间的温差和水蒸汽分压力差。1、表面式换热器的空气处理过程（1）等湿加热过程 当边界层空气的温度高于主体空气的温度时，发生等湿加热过程。此过程只有显热交换。,第四节 用表面式换热器处理空气,（2）等湿冷却过程（干工况）当边界层空气的温度低于主体空气的温度、但高于其露点温度时，发生等湿冷却过程。此过程只有显热交换。（3）减湿冷却过程（湿工况）当边界层空气的温度低于主体空气的露点温度时，发生减湿冷却过程。此过程既有显热交换，又有湿交换和潜热交换。,第四节 用表面式换热器处理空气,2、表面式换热器的传热系数（1）等湿过程的传热系数,肋表面全效率；肋化系数，为单位管长肋管外表面积和内表面积之比，。,定义式,第四节 用表面式换热器处理空气,（2）析湿系数定义：总热交换量与显热交换量之比，,反映析出凝结水的多少。干工况下，；湿工况下，。,第四节 用表面式换热器处理空气,（3）减湿过程的传热系数,等湿过程：,减湿过程：,减湿过程的传热系数：,相当于外表面换热系数增大了 倍。,定义式,第四节 用表面式换热器处理空气,（4）传热系数的实验公式表面式冷却器,等湿过程：,减湿过程：,迎面风速，表冷器一般取23m/s；管内水流速。,见附录3-3。,计算式,第四节 用表面式换热器处理空气,空气加热器,水做热媒：,蒸汽做热媒：,见附录3-6。,计算式,第四节 用表面式换热器处理空气,三、表面式冷却器的热工计算1、表冷器的热交换效率,（1）全热交换效率（干球温度效率）,定义式：,计算式：,第四节 用表面式换热器处理空气,（2）通用热交换效率,定义式：,计算式：,a肋通系数，；N肋管排数，一般不超过8排；肋管外表面积；迎风面积。,可查附录3-4。,第四节 用表面式换热器处理空气,2、计算类型 设计性计算 对既定的空气处理过程，选择满足要求的表冷器。,已知：空气量G、空气的初终状态（）、（）冷水量W（或冷水初温）。,计算内容：选定表冷器的结构（型号、台数、排数）冷却面积F、冷水初温（或冷水量W）、冷水的终温、冷量Q。,校核性计算 对结构一定的表冷器，校核其处理能力。,第四节 用表面式换热器处理空气,已知：空气量G、空气的初状态（）、表冷器的结 构（型号、台数、排数）、冷却面积F、水的初温、冷水量W。,计算内容：空气的终状态（）、水的终温、冷 量Q。,3、计算方法及步骤 2个热交换效率方程式+1个热平衡方程式,第四节 用表面式换热器处理空气,实际计算中采用分开求解的方法，具体计算框图见P90。,定义式=计算式,4、考虑安全系数 由于表冷器外表面积灰、内表面结垢等原因，传热系数会降低。为了安全可靠，需要考虑一定的安全系数。,第四节 用表面式换热器处理空气,计算时，将求得的 乘以安全系数，仅冷却用时取0.94，冷热两用时取0.9。,将计算出来的水初温降低10%20%（温差增大）。,例3-4：已知需处理的空气量为，当地大气压力为101325Pa，空气的初参数为：，。空气的终参数为：，。选择JW型表冷器，并确定水温和水量。,第四节 用表面式换热器处理空气,解：（1）确定表冷器的排数,通用热交换效率：,查附录3-4，取肋管排数N=8。,定义式,（2）确定表冷器的型号,第四节 用表面式换热器处理空气,假定迎面风速，,迎风面积：,查附录3-5，选用JW30-4型表冷器一台，实际迎风面积，每排传热面积，通水截面积。,查附录3-4，实际的通用热交换效率。,实际的迎面风速：,计算式,（3）求析湿系数,第四节 用表面式换热器处理空气,（4）求传热系数,假定管内冷水流速，查附录3-3，得到各项系数和指数，,（5）求冷水量,第四节 用表面式换热器处理空气,（6）求全热交换效率,计算式,（7）求冷水初温,第四节 用表面式换热器处理空气,（8）求冷量和冷水终温,定义式,热平衡方程,热平衡方程,例3-5：已知需处理的空气量为，当地大气压力为101325Pa，空气的初参数为：，。冷水量为，冷水初温为。试求用JW20-4型6排表冷器处理空气所能达到的终状态和水终温。,第四节 用表面式换热器处理空气,解：（1）求迎面风速、冷水流速和通用热交换效率,查附录3-5，JW20-4型表冷器迎风面积，每排传热面积，通水截面积,迎面风速：,第四节 用表面式换热器处理空气,冷水流速：,查附录3-4，通用热交换效率。,（2）确定空气终状态,假定（一般取），,计算式,定义式,（3）求析湿系数,第四节 用表面式换热器处理空气,（4）求传热系数,查附录3-3，得到各项系数和指数，,（5）求全热交换效率,第四节 用表面式换热器处理空气,相差不大，证明所设的空气终温合适。,计算式,定义式,（6）求冷量和冷水终温,第四节 用表面式换热器处理空气,热平衡方程,热平衡方程,5、湿球温度效率法（湿球温度效率+通用热交换效率）,第四节 用表面式换热器处理空气,（1）湿球温度效率,定义式：,计算式：,：按湿球温度差计算的传热系数，,第四节 用表面式换热器处理空气,：焓差与湿球温度差的比值，近似取2.86。,（2）计算实例 重新计算例3-4和例3-5，把干球温度效率的计算部分改成湿球温度效率，具体计算过程见P92-93。,第四节 用表面式换热器处理空气,四、空气加热器的热工计算 一般的设计性计算用平均温差法，表冷器用作加热时用热效率法。1、平均温差法,换热量：,当冷热流体进出口端的温差之比小于2时，可以用算术平均温差 代替对数平均温差。,第四节 用表面式换热器处理空气,空气的质量流速 取 左右。,热水流速。,一般取传热面积的安全系数为1.11.2。,热水作热媒：,蒸汽作热媒：,例3-6：需要将 的空气从 加热到，热媒是工作压力为0.3MPa的蒸汽，蒸汽温度为。试选择合适的SRZ型空气加热器。,第四节 用表面式换热器处理空气,解：（1）初选空气加热器的型号,假定空气的质量流速，,有效截面积：,查附录3-7，选用2台SRZ1510Z的空气加热器并联，每台的有效截面积为，加热面积为,实际的质量流速：,第四节 用表面式换热器处理空气,（2）求传热系数,查附录3-6，得到各项系数和指数。,（3）求加热面积,加热量：,需要的加热面积：,热平衡方程,热平衡方程,第四节 用表面式换热器处理空气,加热器的台数：,取4台加热器，每2台并联以后再串联。,实际的加热面积：,（4）检查安全系数,安全系数为1.15，满足要求。,第四节 用表面式换热器处理空气,2、热交换效率法（只用干球温度效率）,定义式：,计算式：,第四节 用表面式换热器处理空气,计算步骤：,（1）根据迎面风速 和热水流速w，求传热系数；,（2）求热水流量W；,（3）求干球温度效率（计算式）；,（4）求水初温（定义式）；,（5）求加热量（热平衡方程式）；,（6）求水终温（热平衡方程式）。,第四节 用表面式换热器处理空气,五、表面式换热器的阻力计算1、空气加热器的阻力（见附录3-6）,空气阻力：,热水阻力：,蒸汽阻力：大约为0.03MPa,2、表面式冷却器的阻力（见附录3-3）,空气阻力：,冷水阻力：,第四节 用表面式换热器处理空气,六、喷水式表冷器和直接蒸发式表冷器1、喷水式表冷器向表冷器喷水，空气主要是与表冷器表面的水膜进行热湿交换。兼有喷水室和表冷器的特点。热湿交换能力比表冷器大。空气终状态的相对湿度较大，一般能达到95%以上。,第四节 用表面式换热器处理空气,2、直接蒸发式表冷器 用制冷剂作冷媒。处理空气需要的冷量应该等于制冷机组能够提供的冷量。,第五节 空气的其他加热加湿方法和设备,一、用电加热器处理空气 电流通过电阻丝发热来加热空气。优点：结构紧凑、加热均匀、热量稳定、控制方便等 用途：适用于加热量要求较小、需要局部加热的场合结构：裸线式、管式,二、空气的加湿处理 1、等温加湿（喷蒸汽）干蒸汽加湿器、电热式加湿器、电极式加湿器等 2、等焓加湿（喷水）高压喷雾加湿器、湿膜加湿器、超声波加湿器、离心式加湿器等。,第五节 空气的其他加热加湿方法和设备,第六节 空气的其他除湿方法和设备,一、用加热通风法减湿 将加热与通风结合起来，用含湿量低的室外空气代替含湿量高的室内空气，达到加热减湿的目的。二、用冷冻除湿机减湿 冷冻除湿机由制冷系统和风机等组成，适用于需要加热减湿的场合。空气的处理过程：,三、用固体吸湿剂减湿固体吸湿剂：如硅胶、铝胶。空气处理过程：等焓加热减湿。空气的温度越高、含湿量越小，则固体吸湿剂的吸湿能力越小，所以被处理的空气最好不要超过35。固体吸湿剂可以加热再生。采用转轮除湿机，吸湿和再生能同时连续进行。,第六节 空气的其他除湿方法和设备,第六节 空气的其他除湿方法和设备,四、用液体吸湿剂减湿液体吸湿剂：氯化锂、溴化锂、氯化钙等盐水溶液和三甘醇等有机物质。空气处理过程：加热减湿、等温减湿、冷却减湿。溶液的浓度越大、温度越低，则溶液的吸湿能力越大。可以在除湿同时冷却溶液，以维持较大的吸湿能力液体吸湿剂可以加热再生。,第六节 空气的其他除湿方法和设备,第三章知识要点,1、空气热湿处理的途径和设备。2、喷水室处理空气的原理、特点及热工计算方法。3、表面式换热器处理空气的原理、特点及热工计算方法。4、空气的其他热湿处理方法和设备。,习题和思考题,1、空气的热湿处理设备有哪两类（举例说明）？各有什么特点？2、试述空气与水直接接触的热湿交换原理。3、假想条件、理想条件和实际条件有何不同？各自的空气状态变化过程又有什么区别？4、空气和水直接接触，当水温低于空气的露点温度时，实现的是哪一种空气处理过程？各种参数如何变化？并把空气处理过程用h-d图表示出来。,习题和思考题,5、组成喷水室的主要部件有哪些？各自的作用是什么？6、用喷水室处理空气能实现哪些过程？7、影响喷水室热湿交换效率的因素有哪些？8、用表面式换热器处理空气能实现哪些空气处理过程？其工作条件和热量变化有何不同？9、什么叫析湿系数？它的物理意义是什么？,习题和思考题,10、已知需要处理的空气量为G=30000kg/h，当地大气压力B=101325Pa，空气的初参数为：t1=27，ts1=20，h1=57.2kJ/kg干空气，空气的终参数为：t2=17，ts2=16，h2=44.5kJ/kg干空气。现采用Y-1型离心喷嘴，d0=5mm，喷嘴密度n=13个/m2排，喷淋室为双排对喷，质量流速，若冷冻水温度t1=5，求：水的初温tw1与终温tw2；总喷水量W；冷冻水量Wle和循环水量Wx。,习题和思考题,11、需将10000kg/h的空气从t1=26，ts1=21，h1=60.5kJ/kg干空气，处理到t2=16，ts2=15，h2=42kJ/kg干空气，已知大气压力B=101325Pa，拟选用JW型表面冷却器对空气进行热湿处理，试求水的初终温度及用水量。,