水_空气处理系统全热交换模型和性能分析.pdf

ISSN 1000-0054CN 11-5154/N清华大学学报(自然科学版)J T singhua Univ(Sci&Tech),1999年 第 39 卷 第 10期1999,Vol.39,No.1011/343538水空气处理系统全热交换模型和性能分析张寅平,朱颖心,江亿清华大学 热能工程系,北京 100084收稿日期:1998-10-13第一作者:男,1962年生,教授文摘为解决已有模型难以指导应用的不足,建立了分析顺、逆流水空气处理系统全热交换性能的模型。藉此模型,分析了各因素对水空气处理系统全热交换性能及出口参数的影响,从理论上推出了该类系统的全热交换效率公式的形式,并计算了顺流和逆流式空气冷却干燥过程的全热交换效率,所得结果与实验结果误差在 7%以内。该模型是分析空调领域中各类顺、逆流喷水式空气处理过程全热交换性能的较通用模型,对该类系统的设计、调试、性能分析与模拟有一定的帮助。关键词传热;全热交换;空调;水空气处理系统分类号TK11在空调工程中,用喷水处理空气是普遍采用的方法,利用该方法可实现多种空气处理过程,也形成了多类常用空调设备如冷却塔、喷水室、喷雾式加湿器等 1,2。目前,水空气处理系统全热交换性能主要藉实验测定,空调设计中的热工计算完全基于厂家和手册提供的经验公式。水空气处理系统实际上是气液换热器,和普通换热器不同的是,空气和水之间的换热不仅有显热交换,而且有潜热交换,从而使其全热交换分析较普通换热器复杂。美国暖通、制冷和空调工程师学会(ASHRAE)1996 年版的 ASHRAE手册(暖通空调系统与设备部分)2从热质交换原理上分析了冷却塔的性能,但令人不能满意的是:1)给出的数学模型过于简化,不能分析各因素对水空气处理系统全热交换性能的影响;2)没有从理论上推导出水空气处理系统全热交换经验公式的形式,因而难以对由实验总结经验公式提供理论指导;3)不能分析水空气处理系统可调参数对其出口参数和性能的影响,不能实现系统的性能模拟和仿真,难以对实际应用产生切实的指导。为此,利用热质交换原理,进行了一些合理简化,建立了分析水空气处理系统全热交换性能的数学模型,所建模型克服了 ASHRAE 手册中模型的上述不足,并藉此对喷水室性能及其影响因素进行了分析和讨论。1数学模型及求解1.1简化及假定为突出问题本质,简化分析,对水滴空气的热质交换做以下简化和假定:1)液滴为球形,其半径分布函数为 f(rw),液滴在系统内均匀分布;2)在水滴下落过程中,水滴直径 D 变化不大(喷雾加湿器除外)2;3)水滴速度恒定 3;4)水滴的 Biot 数 Bi 0.1,故水滴的换热采用集中热容法处理;5)紧贴水滴的空气层系温度为水滴温度(tw)的饱和湿空气,其焓为 iw(tw);6)每个水滴的传热系数与单个水滴的传热系数具有类似的准则公式,其对流换热系数可用对单滴适用的如下公式 4:NuD=2+c3Re1/2DPr1/3,c3=0.6.7)在不大的温度区间(15),iw和 tw的关系可近似当作线性关系,即 iw=c1tw-c2,同理,ia=c1ts-c2。对较大的温度区间,可对 iw和tw做分段线性处理。从等效换热角度出发,可推得水空气处理系统内水滴当量半径为rw,D=h(rw,D)0f(rw)r3wdrw0f(rw)r2wh(rw)drw(1)式中,f(rw)为不同半径 rw的水滴分布函数;h 为对流换热系数,单位为 WK-1m-2.水空气处理系统单位时间内产生的半径为当量半径的水滴数为:n=W43Pr3w,DQw(2)式中,W 为喷水量,单位为 kg/s.液滴在系统内的分布密度 Nd为(见图 1):Nd=nHv1HL=nvL或Nd=nLv1H L=nvH(3)由于只有顺、逆流式水空气处理系统全热交换的数学模型可通过解析法求解,故以下仅对此类系统的全热交换性能进行分析和讨论。1.2数学模型及求解逆流式水空气处理系统的尺寸、流体流动情况和坐标系示意图见图 1。图 1逆流水空气处理系统尺寸、流体流动情况和坐标系示意图热质交换方程为:dtwiw-ia=d(NTU)(4)Wcp,wdtwdy=Gdidy(5)其中,NTU为传热单元数,G 为空气质量流量,单位为kg/s.NTU=RNdVWcp,w=NuDka3H2Qwcp,wcp,ar2wv=f1(Qava,w),rw,H/v(6)式中,V 为系统有效体积,R 为对流传质系数,单位 为kgs-1m-2,va,w=va+v(顺流时),va,w=va-v(逆流时)。边界条件为 y=0,ia=ia,1;y=H,tw=tw,1.由方程(5)得:ia=ia,1+Wcp,wG(tw-tw,2)(7)其中,ia,1=c1ts,1-c2。则iw-ia=a0tw+a1+Wcp,wGtw,2(8)式中:a0=c1-Wcp,wG=f2(W/G),a1=-c1ts,1将式(8)代入式(4)并积分得tw,1-tw,2=tw,2+a1a0+Wcp,wGa0tw,2(ea0NT U-1)(9)解方程(9)得tw,2=tw,1+a1a0(1-ea0NTU)ea0NTU+Wcp,wGa0(ea0NT U-1)(10)从而得tw,1-tw,2=a2tw,1+a3(11-1)a2=(ea0NTU-1)1+Wcp,wGa0ea0NT U+Wcp,wGa0(ea0NT U-1)=f3(a0,NTU,W/G)=f4(W/G,Qava,rw,H/v)(11-2)a3=a1a0(ea0NT U-1)ea0NTU+Wcp,wGa0(ea0NTU-1)=f5(a0,a1,NTU,W/G)=f6(W/G,Qava,rw,ts,1,H/v)(11-3)由式(11-1)、(11-2)和(11-3)可得Q/W=cp,w(tw,1-tw,2)=cp,wtw,1f4W/G,H/v,rw,Qava+f6ts,1,W/G,H/v,rw,Qava=f7(W/G,H/v,rw,Qava,ts,1,tw,1)(12)对顺流式,同理可推得tw,1-tw,2=tw,1-c1ts,1+WGcp,wtw,1c1+WGcp,w(13)Q/W=cp,w(tw,1-tw,2)=f8W/G,H/v,rw,Qava,ts,1,tw,1(14)2分析与讨论2.1热交换效率 E及其影响因素由水空气处理过程热交换效率 E 的定义式,利用式(11-1)、式(11-2)和式(11-3),并考虑到:ia,2-ia,1tw,1-tw,2=WGcp,w(15)c1(ts,2-ts,1)tw,1-tw,2=WGcp,w(16)36清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)1999,39(10)可推得,对逆流式、顺流式喷水室均有E=ts,1-ts,2+tw,2-tw,1ts,1-tw,1=WGcp,wc1+1(tw,2-tw,1)ts,1-tw,1=f9W/G,Qava,rw,H/v,ts,1,tw,1(17)影响 E 的因素为 W/G,Qava,w,rw,H/v,ts,1,tw,1.分析表明:W/G,Qava,w,H/v,rw,D E。对给定的水空气处理过程,有E=f10WG,Qava,Hv,ts,1,tw,1A(Q va)nWGm(18)式(18)给出了喷水室效率经验公式的形式,此形式与通过实验得到的各类喷水室经验公式的形式完全一致。从推导过程中可以看出,A 与当量水滴半径 rw,D和 H/v 有关,即与喷嘴形式、尺寸、喷水压力及喷水室尺寸有关。2.2影响出口参数的因素式(10)和式(12)定量地描述了各种因素对出口水温和全热交换量的影响。作为算例,计算了 ts,1=25,tw,1=35 的冷却塔的热质交换情况,分析了 rw,D,W/G,H/v 和空气流速 va对冷却塔出口参数和全热交换效率 E的影响,计算结果见图 2图 5。(H/L=1,H/v=1)图 2W/G、水滴当量半径对Q/W的影响曲线(W/G=1,rw,D=10-3m)图 3H/v 对 Q/W 的影响曲线(W/G=1,rw,D=10-3m)图 4空气流速对 Q/W 的影响曲线图 5W/G、水滴当量半径rw,D对全热交换效率 E 的影响曲线从中可以看出:1)对给定的情况,存在一临界水滴当量半径,当水滴当量半径大于此临界当量半径时,水滴当量半径的变化对喷水室热质交换能力影响很大,半径增大,热质交换能力明显减小;当水滴当量半径小于此临界当量半径时,水滴当量半径的变化对喷水室热质交换能力则几乎无影响。2)当水滴当量半径较小(小于临界当量半径)时,也存在一临界 W/G,当 W/G 小于此临界值时,W/G 的变化对喷水室热质交换能力几乎无影响,反之,影响显著;当水滴当量半径较大时,W/G 的变化对喷水室热质交换能力几乎无影响。3)全热交换效率随 W/G 的增大和水滴当量半径 rw,D的减小而增大,但对给定的情况,存在着W/G和水滴当量半径 rw的临界值,当 W/G 大于其临界值、水滴当量半径 rw,D小于其临界值时,它们的变化对全热交换效率的影响甚微。4)其他条件不变时,水滴运动速度小对喷水室的热质交换有利。5)空气流速大可提高喷水室的热质交换能力,但影响程度不很大。37张寅平,等:水空气处理系统全热交换模型和性能分析3与实验结果的比较作为对模型及计算结果的验证,进行了喷水室空气冷却干燥过程热交换效率计算结果与实验结果的比较,见图 6.两者误差小于 7%.图中直线为计算值,离散点为实验值 5。喷嘴直径为5 mm,rw,D=0.51 mm.1,Qava=2.8kg/(m2s);2,Qava=2.4 kg/(m2s);3,Qava=2.0kg/(m2s)H/v=0.9,tw,1=10,ts,1=20(a)逆流单排1,Qava=2.35 kg/(m2s);2,Qava=2.0 kg/(m2s);3,Qava=1.6kg/(m2s)H/v=1.25,tw,1=10,ts,1=25(b)顺流单排图 6逆、顺流单排喷水室空气冷却干燥过程热交换效率计算结果与实验结果比较4结束语本文建立了分析水空气处理过程热质交换性能的数学模型,从理论上推出了其热质交换经验公式的形式,分析了该类系统可调参数对其出口参数与性能的影响。作为验证,计算了顺、逆流喷水室冷却干燥空气处理过程的热交换效率,结果与实验值吻合。结果表明,通过建立理论模型来分析实际空气-水处理设备的热工性能是完全可行的,关键在于掌握喷嘴喷出液滴直径的分布。这样就避免了对实验公式的过分依赖,从而使系统仿真成为可能,藉以对该类系统的开发研究和性能调试提供指导。参 考 文 献1赵荣义,范存养,薛殿华,等.空气调节.北京:中国建筑工业出版社,1994.60 782Robert A P.ASHRAE Handbook:HVAC Systemsand Equipment.Atlanta:ASHRAE Inc,1996.36.1 36.203周兴禧.制冷空调工程中的质量传递.上海:上海交通大学出版社,19914Frank P I,David P D.Fundamentals of Heat andM ass T ransfer(4th Edition).New York:John Wiley&Sons,Inc,1996.3745吴增菲,赵荣义,赵廷元,等译.采暖通风文集.北京:中国工业出版社,1965.122,124Theoretical analysis and modelingof overall heat transfer of airhandling unit by usingspraying waterZHANGYinping,ZHU Yingxin,JIANGYiDepartment of Thermal Engineering,T singhua University,Beijing 100084,ChinaAbstractAtheoreticalmodelofanalyzingthecharacteristics of overall heat transfer of air handling unit byusing spraying water is presented,which overcomes someshortcomings of the model available in the literatures.Based upon it,the influence of various factors on thecharacteristics of such system is analyzed.T he formulas ofoverall heat exchange efficiency derived by the model arewith the same type of empirical correlation.T he overallheat exchange efficiencies of the processes of cooling anddehumidifying of air by using parallel and counter flowsystems are calculated.The error between experimentalresults and calculated results is less than 7%.The modeltogetherwiththeanalysisishelpfultothedesign,adjusting,simulation and analysis of the performance ofsuch systems.Key words heattransfer;overallheatexchange;air-conditioning;air handling system by usingsprayer water38清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)1999,39(10)