热质交换原理与设备第三版第4章.pptx

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,89-,#,单击此处编辑母版标题样式,第四章,空气的热湿处理,52-,1,2026/10/4,内 容,空气的热湿处理途径,4.1,空气与固体表面之间的热湿交换,4.2,空气与水直接接触的热湿交换,4.3,2026/10/4,52-,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,焓湿图简介,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,2026/10/4,52-,3,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。,2026/10/4,52-,4,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,t,d,取决于水蒸气分压，因此定比湿度线簇也是,定,t,d,线簇。,52-,5,定焓线簇,52-,6,定温（干球温度）线簇,52-,7,定相对湿度线簇,=100%,时线实际上是不同比湿度,d,下露点的轨迹,=0%,时即为干空气，,d,0,，即纵坐标轴,52-,8,水蒸气分压力线簇,由于,d,通常很小，所以,p,v,与,d,近似成线性,52-,9,定湿球温度线簇,由于,d,通常很小，湿球温度也不高，定,t,w,线可近似以定焓线代替,52-,10,0,5,4,3,2,W,d,0,i,1,t,0,L,O,L,W,j=100,%,(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),W 2 L O:,加热器预热 喷蒸汽加湿加热器再热,夏季：冷却减湿,冬季：加热加湿,(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,(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,(5)W 5L 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,4.1.,2,空气热湿处理的原理和方案,2026/10/4,52-,11,4.1.,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。,2026/10/4,52-,12,B,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,凝结水,C,A,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,4.2,空气与固体表面之间的热湿交换,2026/10/4,52-,13,湿空气,传质,气膜,冷凝液膜,冷却介质,传热,金属壁,湿空气在冷壁面上的冷却去湿过程示意图,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,4.2.1,湿空气在冷表面上的冷却降湿,2026/10/4,52-,14,微元体上，湿空气和水膜的总传热量为,湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,民用和工业空调系统中的喷淋室、蒸发冷却空调器,湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,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。,3 空气热湿处理及设备,1 空气调节的几个相关概念,此时表冷器表面温度Tb只是空气焓i的函数。,总热流：热流方向以空气初状态湿球温度TS1为界。,忽略水膜和金属表面的热阻，,影响双膜阻力的因素也是影响热质交换的因素。,显热：热流方向以空气初状态干球温度T1为界。,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。,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。,1 空气调节的几个相关概念,空气与水接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主流空气之间，通过分子扩散和紊流扩散，使边界层的饱和空气与主流空气不断掺混，从而使主流空气状态发生变化。,湿空气边界层,冷表面,冷却剂边界层,冷,却,剂,W,湿,空,气,G,t,t,i,t,w,凝结水膜,d,A,d,d,i,2026/10/4,52-,15,湿空气边界层,冷表面,冷却剂边界层,冷,却,剂,W,湿,空,气,G,t,t,i,t,w,凝结水膜,d,A,d,d,i,空气侧：,忽略水膜和金属表面的热阻，,冷却剂的传热量有：,2026/10/4,52-,16,根据热平衡可得,对于水-空气系统，根据刘伊斯关系式上式改写为,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。,麦凯尔方程,2026/10/4,52-,17,湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,点（,i,t,w,)与(,i,i,t,i,)的连接线斜率,根据热平衡，空气侧：,2026/10/4,52-,18,上式为,i,与,t,w,之间的工作线斜率,又：,湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,点（,i,t,w,)与(,i,i,t,i,)连接线斜率,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,2026/10/4,52-,19,湿空气冷却减湿过程示意图,t,i,M(,i,2,t,2,),P,Q,B(,i,1,t,w2,),t,w2,i,2,t,w1,t,1,饱和线,工作线,冷却减湿过程线,E(,i,1,t,1,),t,2,连接线,切线,A(,i,2,t,w1,),湿空气入口状态,湿空气出口状态,出口端冷却剂温度,入口端冷却剂温度,C,(,i,i,t,i,),t,d,2,t,d,1,湿球温度,干球温度,湿球温度,干球温度,2026/10/4,52-,20,常压下饱和湿空气的焓值及其在饱和曲线上的斜率,4.4,7.2,10.0,12.8,15.6,18.3,21.1,23.9,26.7,29.4,32.2,35.0,37.8,40.6,43.3,46.1,48.9,51.7,54.4,8.461,9.801,11.278,12.900,14.670,16.700,18.938,20.338,24.271,27.460,31.071,35.176,39.845,45.187,51.298,58.319,66.408,75.774,86.607,0.454,0.507,0.557,0.616,0.684,0.763,0.855,0.960,1.082,1.224,1.389,1.580,1.802,2.061,2.364,2.72,3.14,3.64,4.25,i(kcal/kg),t(),di/dtkcal/(kg),2026/10/4,52-,21,冷却表面积计算,2026/10/4,52-,22,4.2.2,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,等截面直肋示例,2026/10/4,52-,23,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；,3）肋片只有,x,向导热，肋片外的水膜只有,y,向的导热。,x,dx,L,水膜平均厚度,t,w,d,qF,2,y,F,湿空气,q,F,t,F,y,w,t,FB,y,等截面直肋,2026/10/4,52-,24,x,dx,L,t,w,d,qF,2,y,F,湿空气,q,F,t,F,y,w,t,FB,y,2026/10/4,52-,25,肋片微元在,-,x,方向上净导热量为,肋片与水膜之间的换热量为,饱和空气焓可近似为,微元体上，湿空气和水膜的总传热量为,2026/10/4,52-,26,令,2026/10/4,52-,27,边界条件：,方程：,定义湿肋的肋效率为：,其中：,湿肋与干肋的肋效率形式相同，将,h,替换为,h,md,后可直接引用干肋肋效率图表,2026/10/4,52-,28,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,4,.,3,空气与水直接接触时的热湿交换,2026/10/4,52-,29,4.3.1,热湿交换原理,2026/10/4,52-,30,水膜表面的空气与水的热湿交换过程,湿空气边界层,湿空气主流,G t d P,q,t,b,d,b,P,qb,水,2026/10/4,52-,31,显热交换量：,湿交换量：,湿交换量也可写成：,潜热交换量：,温差是,热交换,的动力，,水蒸气分压力差是湿交换的动力,2026/10/4,52-,32,总热交换量,换热扩大系数,（析湿系数）,对于水侧：,稳定工况时，空气侧与水侧换热量相等：,2026/10/4,52-,33,4.3.2,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,直接蒸发冷却空调工作原理,A,含湿量,g/kg,温度（）,直接蒸发空气处理过程的,i-d,图 表示,As,2026/10/4,52-,34,间接蒸发冷却的制冷装置示意图,间接蒸发空气处理过程的,i-d,图表示,间接蒸发冷却过程的核心思想是采用逆流换热，逆流传质来减少不可逆损失，已得到较低的供冷温度和较大的供冷量,2026/10/4,52-,35,4.3.,3,与水直接接触时空气的状态变化过程,空气与水接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主流空气之间，通过分子扩散和紊流扩散，使边界层的饱和空气与主流空气不断掺混，从而使主流空气状态发生变化。,为方便分析，假设全部空气与水接触后都能,达到具有水温的饱和状态,，即水量无限大、接触时间无限长。,2026/10/4,52-,36,空气与水直接接触时各种过程的特点,过程线,水温特点,t,或,Q,x,d,或,Q,s,i,或,Q,x,过程名称,A-1,A-2,A-3,A-4,A-5,A-6,A-7,t,w,t,l,t,w,=,t,l,t,l,t,w,t,s,t,w,=,t,s,t,s,t,w,t,A,减,减,减,减,减,不变,增,减,不变,增,增,增,增,增,减,减,减,不变,增,增,增,减湿冷却,等湿冷却,减焓加湿,等焓加湿,增焓加湿,等温加湿,增温加湿,0,P,q2,4,3,2,1,5,6,7,P,q4,P,q6,A,t,6,=,t,A,t,4,=,t,S,t,2,=,t,l,j=100,%,水蒸汽分压力（,P,a),2026/10/4,52-,37,空气与水直接接触的变化过程,A,1,2,3,t,w1,t,w,t,w,t,w2,=100,%,A,=100,%,1,2,3,t,w1,t,w,t,w,t,w2,A,1,2,3,t,w1,t,w,t,w,t,w2,=100,%,(,a),(,b),(,c),水,t,w1,t,w2,空气,t,w1,t,w2,t,w1,t,A,t,w1,t,w2,t,w1,t,A,t,w1,t,A,水量有限时，接触时间很长。,2026/10/4,52-,38,4.3.3 空气和水直接接触时的对流增湿和减湿,刘伊斯关系式:,如果在空气与水的热湿交换过程中存在着刘伊斯关系式，则,2026/10/4,52-,39,上式没有考虑水分迁移时液体热的转移，同时以水蒸汽的焓（,2500,）代替式中的汽化潜热，将湿空气的比热用（1.01+1.84,d）,代替，有,或,即,麦凯尔方程,表明：热质交换同时进行时，如刘伊斯关系成立，则总热交换的驱动力是空气的焓差,2026/10/4,52-,40,54.,1 空气调节的几个相关概念,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,(3)W O:液体吸湿剂减湿冷却,86.,1 焓差是总热交换推动力,包括光管式和肋管式空气加热器及空气冷却器等,1 空气的热湿处理途径,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,2 蒸发冷却装置的特点与工作原理,如果在空气与水的热湿交换过程中存在着刘伊斯关系式，则,湿空气在冷却降湿过程中的过程线斜率,石油化工,3 空气热湿处理及设备,肋片与水膜之间的换热量为,4.3.,4,影响空气与水表面之间热质交换的主要因素,4.3.4.1,焓差是总热交换推动力,对于,1kg,干空气，总热交换量即为焓差,i,：,2026/10/4,52-,41,自然通风,机械通风,横流,逆流,冷却塔的型式,2026/10/4,52-,42,1),当空气与水直接接触时，从空气侧分析：,总热流,：热流方向以空气初状态湿球温度,T,S1,为界。,显热,：热流方向以空气初状态干球温度,T,1,为界。,T,L1,T,s1,T,1,i,T,o,潜热,显热,总热,2026/10/4,52-,43,潜热,：热流方向以空气初状态露点温度,T,L1,为界。,T,L1,T,s1,T,1,i,T,o,潜热,显热,总热,2026/10/4,52-,44,2),当空气与水直接接触时，从水侧分析：,水冷却的极限温度是空气湿球温度,T,s1,。,空气和水的初状态决定了总热流方向，决定过程的进行。,i,T,L1,T,s1,T,1,T,o,潜热,显热,总热,2026/10/4,52-,45,4.3.4.2,气液之间的双膜阻力是热质交换的控制因素,焓差推动力与温差推动力之比，与双膜阻力之比成正比。膜阻力越大，所需推动力越大。,影响双膜阻力的因素也是影响热质交换的因素。,1,）空气流动对气膜阻力的影响,空气质量流速,v,：,增大，则气膜减薄，膜阻减小，,h,和,h,md,增大。,过大，则气水接触时间短，且流动阻力大，气流携带水量大，不易捕捉。,由式（,4-3,）：,2026/10/4,52-,46,2,）液滴大小对水膜阻力的影响,小水滴：,水滴内部停滞，热质传递主要靠分子扩散，水膜阻力大。,中水滴：,内部有层流内循环，提高了传质速率，降低了水膜阻力。,大水滴：,会发生变形，内部有较强烈混合，水滴有振荡，水膜阻力进一步降低。,水滴小，沉降速度慢，气水接触时间长，且比表面积大，利于热质交换。但太小易被气流带走。,2026/10/4,52-,47,3,）淋水装置填料材料和结构对热质交换也有较大影响,一般的：,气水逆流时，水气比,应较大；,气水顺流时，水气比,应较小；,4,）水气比,的影响,2026/10/4,52-,48,4.3.4.3,间接接触的表冷器深度（管排数）对热质交换的影响,若空气及冷却剂流速一定，且冷却剂温度,T,w,给定，则上式右侧为定值。此时表冷器表面温度,T,b,只是空气焓,i,的函数。,空气冷却干燥过程为减焓过程，因此表冷器表面温度沿气流方向降低，即后面的管排温度比前面的低。,2026/10/4,52-,49,为增加热交换，应增加管排数，但也增加了阻力。,湿工况,（既有显热、也有潜热交换）,干工况,（只有显热交换）,气流,表冷器入口,表冷器出口,2026/10/4,52-,50,4.3.5,空气与水表面的热质交换系数,h,md,理论计算困难，一般通过实验进行确定。,影响对流传质系数的因素：,空气与水的初参数；热质交换设备的结构；空气质量流速,v,；水气比,。,热质交换设备的对流传质系数难以确定，可用其它方式（如效率）表示设备性能。,2026/10/4,52-,51,The End,演讲完毕，谢谢观看！,