熱質(zhì)交換原理與設(shè)備第1頁/共139頁4.1.1幾個相關(guān)概念(1)空氣調(diào)節(jié)：對空氣的溫濕度進行處理，使之達到要求（溫度、濕度、風(fēng)速、空氣品質(zhì)等）。(2)新風(fēng)：室外經(jīng)過熱質(zhì)交換設(shè)備處理后進入室內(nèi)的新鮮空氣。用途：滿足室內(nèi)人員的衛(wèi)生要求，補充室內(nèi)的正壓。第2頁/共139頁(3)熱舒適性：人體對周圍環(huán)境的熱舒適性感覺。第3頁/共139頁AcceptableoperativetemperaturerangesfornaturallyconditionedspacesASHRAE55-2004第4頁/共139頁5部分實驗儀器照片腦電圖地形儀十二道心電圖機肌電/誘發(fā)電位儀里氏熱舒適儀人工氣候室平面布置圖建筑環(huán)境實時監(jiān)測儀室內(nèi)環(huán)境對人體生理、心理影響進行測試和研究，人的多項生理指標(biāo)測試，找到了能夠表征人體對熱環(huán)境響應(yīng)的生理指標(biāo)。第5頁/共139頁SCVindexvarieswithtimeoftest第6頁/共139頁20歲-30歲SCVindexvarieswithtimeoftest第7頁/共139頁(4)濕空氣焓濕圖：濕空氣狀態(tài)參數(shù)及其變化特征的曲線。包括：等焓線，等濕線，等溫線，等相對濕度線(附表4-1的構(gòu)成介紹)。第8頁/共139頁(5)回風(fēng)：從室內(nèi)引出的空氣，經(jīng)過熱質(zhì)交換設(shè)備處理后再次進入室內(nèi)的空氣。(6)送風(fēng)狀態(tài)點：為保持室內(nèi)環(huán)境參數(shù)要求送入房間的空氣狀態(tài)。(7)夏季室內(nèi)設(shè)計工況：舒適性空調(diào)參數(shù)：溫度24~28℃，相對濕度40~60%，風(fēng)速≤0.3m/s(8)冬季室內(nèi)設(shè)計工況：舒適性空調(diào)參數(shù)：溫度18~22℃，相對濕度40~60%，風(fēng)速≤0.2m/s以上參數(shù)請參考各種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第9頁/共139頁4.1.3空氣熱質(zhì)處理的各種方案（結(jié)合附表4-1）同一送風(fēng)狀態(tài)點可以有不同的處理途徑1焓值含濕量干球溫度夏季室外狀態(tài)點冬季室外狀態(tài)點送風(fēng)狀態(tài)點室內(nèi)狀態(tài)點第10頁/共139頁1再加熱第11頁/共139頁1第12頁/共139頁1第13頁/共139頁1第14頁/共139頁1第15頁/共139頁1第16頁/共139頁1第17頁/共139頁1第18頁/共139頁1第19頁/共139頁4.1.3空氣熱質(zhì)處理設(shè)備（1）.混合式熱質(zhì)交換設(shè)備：噴淋濕室，冷卻塔，蒸汽加濕器，局部補充加濕裝置，液體吸濕劑。第20頁/共139頁（2）.間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備：表冷器和空氣加熱器。第21頁/共139頁4.2空氣與固體表面之間的熱質(zhì)交換4.2.1濕空氣在冷表面上的冷卻除濕模型和各個參數(shù)的解釋第22頁/共139頁濕空氣和水膜在無限小的微元面積dA上的熱、質(zhì)交換量G－－為濕空氣的質(zhì)量流量，kg／s；d、di——分別為濕空氣主流和緊靠水膜飽和空氣的含濕量，kg／kg干空氣；t、ti——分別為濕空氣主流和凝結(jié)水膜的溫度，℃；h——為濕空氣側(cè)的換熱系數(shù)，W／(m2·K)；hmd——為以含濕量為基準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)。第23頁/共139頁假定水膜和金屬表面的熱阻可不計，則dA上冷卻劑的傳熱量為：能量平衡第24頁/共139頁劉伊斯關(guān)系式得到：麥凱爾（Merkel）方程式（顯熱＋潛熱）結(jié)論：濕空氣主流與與靠近水膜飽和空氣的焓差是空氣與水熱、質(zhì)交換的推動力。對空氣側(cè)總能量交換：第25頁/共139頁4)干肋片效率肋效率定義式：平均值4.2.2濕空氣在肋片上的冷卻降濕過程（與干肋片作比較）第26頁/共139頁表面的平均過余溫度：帶入肋片效率：第27頁/共139頁第28頁/共139頁4.2.2濕空氣在肋片上的冷卻降濕過程物理模型解釋第29頁/共139頁條件：

（1）熱、質(zhì)傳遞過程是穩(wěn)定的；（2）肋片的導(dǎo)熱系數(shù)、肋根溫度tFB均為定值；（3）金屬肋片只有X方向的導(dǎo)熱，肋片外的水膜只有y方向的導(dǎo)熱。在X方向的斷面上的導(dǎo)熱量為（數(shù)量值）：在dX微元體上的導(dǎo)熱增量為：第30頁/共139頁在dX的微元體上，凝結(jié)水膜與肋片的傳熱量為：空調(diào)溫度范圍內(nèi)，為了簡化計算過程，飽和空氣的焓可近似用下式表示為：a、b分別為計算空氣焓的簡化系數(shù)與導(dǎo)熱增量相等水膜導(dǎo)熱方程變形式第31頁/共139頁dX的微元體上，濕空氣和水膜的傳熱量為：水膜導(dǎo)熱方程空氣與水膜傳熱方程第32頁/共139頁由導(dǎo)熱：第33頁/共139頁邊界條件肋根部肋頂部對于肋頂部（無熱交換）

空氣的i近似作為常量第34頁/共139頁由的求解值計算肋效率濕肋的肋效率定義：空氣焓與肋片平均溫度對應(yīng)飽和濕空氣焓的差與空氣焓與肋片根部溫度對應(yīng)飽和濕空氣焓的差的比值L－肋片長度濕肋效率第35頁/共139頁干肋效率干濕狀態(tài)下肋片效率對比濕肋效率第36頁/共139頁4.3空氣與水直接接觸時的熱濕交換4.3.1熱濕交換原理空氣與水直接接觸時，既有顯熱交換又有潛熱交換，并伴有質(zhì)交換結(jié)論：溫差是顯熱交換的推動力（高溫向低溫傳遞），水蒸氣分壓力差（含濕量差，在焓濕圖上舉例說明）是質(zhì)交換的推動力（高分壓向低分壓傳遞，或高濃度向低濃度）濕空氣總能量的驅(qū)動力？空氣焓差。第37頁/共139頁熱濕充分交換，與水接觸的飽和層第38頁/共139頁當(dāng)空氣與水在一微元面積dA（

m2）上接觸時，空氣溫度變化為dt，含濕量變化為

dd，顯熱交換量將是：濕交換量第39頁/共139頁潛熱交換量總熱交換量第40頁/共139頁總熱交換量與顯熱交換量之比稱為換熱擴大系數(shù)，或析濕系數(shù)水（冷媒）側(cè)總熱交換量熱交換量平衡第41頁/共139頁4.3.2空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程假想條件下的熱質(zhì)交換：(1)與空氣接觸的水量無限大，結(jié)果？(2)接觸時間無限長，結(jié)果？第42頁/共139頁4.3.2空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程假想條件下的熱質(zhì)交換：(1)與空氣接觸的水量無限大，這樣水溫在整個過程中不發(fā)生變化，空氣一直是與同一溫度下的水進行換熱。(2)接觸時間無限長，由于水量無限大，時間足夠長，空氣溫度都能達到水溫，而且能達到飽和狀態(tài)，所以終狀態(tài)是溫度為水溫的飽和狀態(tài)。第43頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度第44頁/共139頁七種典型過程的特點（詳細(xì)過程見后）第45頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第46頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第47頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第48頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第49頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第50頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第51頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度熱、質(zhì)傳遞與溫度、分壓力的關(guān)系分析第52頁/共139頁各種情況總結(jié)：第53頁/共139頁接觸時間充分，但水量有限的情況分析(穩(wěn)定階段)假定：水初溫低于空氣露點溫度，水與空氣運動方向相同（順流）的情況空氣水水表層飽和空氣水蒸氣分壓力（或含濕量）由水溫決定討論第54頁/共139頁接觸時間充分，但水量有限的情況分析(穩(wěn)定階段)水初溫低于空氣露點溫度，水與空氣運動方向相反（逆流）的情況；逆流和順流的差異彎曲方向相反空氣水討論從空氣入口開始分析第55頁/共139頁接觸時間充分，但水量有限的情況分析(穩(wěn)定后)水初溫高于空氣溫度，水與空氣運動方向相同（順流）的情況；討論空氣水第56頁/共139頁第57頁/共139頁噴淋室能量平衡及循環(huán)水量能量平衡第58頁/共139頁(1)噴淋室的熱交換效率系數(shù)同時考慮空氣和水的狀態(tài)變化，將空氣狀態(tài)沿等焓線投影到飽和曲線上，并將飽和曲線近似認(rèn)為是直線：ts2與tw2差值越大，熱濕交換越不完善第59頁/共139頁（2）噴淋室的接觸系數(shù)：只考慮空氣狀態(tài)變化所以6722’7與11’6相似第60頁/共139頁噴淋室的熱交換效率系數(shù)和接觸系數(shù)，都是從空氣和水的狀態(tài)參數(shù)得到的，當(dāng)從設(shè)備本身因素時：第61頁/共139頁水和空氣的配比比例第62頁/共139頁第63頁/共139頁第64頁/共139頁第65頁/共139頁第66頁/共139頁噴嘴密度（13-24）（2.5-3.5）第67頁/共139頁第68頁/共139頁第69頁/共139頁第70頁/共139頁第71頁/共139頁第72頁/共139頁回水溫度由冷源確定第73頁/共139頁第74頁/共139頁第75頁/共139頁？第76頁/共139頁第77頁/共139頁空氣和水直接接觸時的能量總結(jié)（空氣為對象）顯熱

h(t-tb)潛熱

r.hmd(d-db)dQz=[h(t-tb)+rhmd(d-db)]dA麥凱爾方程第78頁/共139頁焓差是總熱交換推動力總熱交換量即為焓差Δi顯熱潛熱總熱第79頁/共139頁露點溫度水溫濕球溫度干球溫度第80頁/共139頁總結(jié)：顯熱和潛熱傳遞的方向（同學(xué)分析）

（1）當(dāng)空氣與水直接接觸時，對空氣側(cè)而言：空氣達到一定的狀態(tài)為換熱目的

Ts1－濕球溫度；

Tw－水溫；

T1－干球溫度

TL1－露點溫度

l）總熱交換：?

?2）顯熱交換：Tw＜T1？Tw＞T1？此時總熱量？第81頁/共139頁3）潛熱交換：Tw＞TL1？Tw＜TL1？總熱流方向？4）當(dāng)Tw＞T1時，顯熱、潛熱方向？總熱流方向？第82頁/共139頁總結(jié)：顯熱和潛熱傳遞的方向

（1）當(dāng)空氣與水直接接觸時，從空氣側(cè)而言：空氣達到一定的狀態(tài)為換熱目的l）總熱交換量以空氣初狀態(tài)的濕球溫度Ts1為界，當(dāng)水溫

時，空氣為增焓過程，總熱流方向向著空氣；當(dāng)

時，空氣為減焓過程，總熱流方向向著水。第83頁/共139頁2）顯熱交換量以空氣初狀態(tài)的干球溫度T1為界，當(dāng)Tw＜T1時，空氣失去顯熱，但是總熱流方向還要看潛熱流量而定;當(dāng)Tw＞T1時，空氣獲得顯熱。第84頁/共139頁3）潛熱交換以空氣初狀態(tài)的露點溫度TL1為界，當(dāng)Tw＞TL1時，空氣得到潛熱量，總熱流方向還要看顯熱流量而定，當(dāng)Tw＜TL1時，空氣失去潛熱量。此時，總熱流方向可以確定，并指向水。第85頁/共139頁4）當(dāng)水溫Tw＞T1時，顯熱、潛熱都向著空氣，總熱流方向總是向著空氣。第86頁/共139頁冷卻塔熱質(zhì)交換的特點（冷卻對象：水）第87頁/共139頁

（2）當(dāng)空氣與水直接接觸時，對水側(cè)而言：水達到一定的狀態(tài)為換熱目的（同學(xué)分析）

1）當(dāng)Tw＞T1時，

流向？總熱流？水溫？

2）當(dāng)

時，

熱流方向？總熱流？水溫？第88頁/共139頁

（2）當(dāng)空氣與水直接接觸時，對水側(cè)而言：水達到一定的狀態(tài)為換熱目的（同學(xué)分析）第89頁/共139頁

（2）當(dāng)空氣與水直接接觸時，從水側(cè)而言：水達到一定的狀態(tài)為換熱目的（方向分析）

1）對于水來說，當(dāng)Tw＞T1時，

的熱流都由水流向空氣，所以水溫降低；

2）當(dāng)

時，

的熱流方向雖然相反，但是總熱流＞o，即熱流仍由水流向空氣，所以水溫仍然降低；3）當(dāng)

此時熱流量等于零，所以水溫不變；

4）當(dāng)

，熱流方向由空氣流向水面，所以水溫升高。第90頁/共139頁冷卻塔熱質(zhì)交換的特點（冷卻對象）（1）冷卻塔是利用環(huán)境空氣溫度處理用于冷卻制冷機組冷凝器的冷卻循環(huán)水。（2）冷卻塔內(nèi)水的降溫主要是由于水的蒸發(fā)換熱和氣水之間的接觸傳熱。（3）冷卻塔多為封閉形式（冷卻塔外殼），且水溫與周圍構(gòu)件的溫度都不很高，故輻射傳熱量可不予考慮。第91頁/共139頁（4）在冷卻塔內(nèi)，不論水溫高于還是低于周圍空氣溫度，總能進行水的蒸發(fā)，蒸發(fā)所消耗的熱量Qβ總是由水傳給空氣。（露點溫度）（5）而水和空氣溫度不等導(dǎo)致的接觸傳熱Qα的熱流方向可從空氣流向水，也可從水流向空氣，這要看兩者的溫度差異。第92頁/共139頁在冷卻塔中，當(dāng)水溫高于氣溫時，蒸發(fā)散熱和接觸傳熱都向同一方向（即由水向空氣）傳熱，因而由水放出的總熱量為Q＝

Qβ+Qα其結(jié)果是使水溫下降。當(dāng)水溫下降到等于空氣溫度時，接觸傳熱量Qα＝0。這時Q＝

Qβ蒸發(fā)散熱仍在進行。第93頁/共139頁當(dāng)水溫繼續(xù)下降到低于空氣溫度時，接觸傳熱量Qα的熱流方向從空氣流向水，與蒸發(fā)散熱的方向相反，于是由水放出的總熱量為：Q＝

Qβ-Qα如果Qβ>Qα，水溫仍將下降，Qα逐漸增加，于是當(dāng)水溫下降到某一程度時，由空氣傳向水的接觸傳熱量等于由水傳向空氣的蒸發(fā)散熱量，這時Q＝

Qβ-Qα＝

0第94頁/共139頁此時，總傳熱量等于零，水溫也不再下降，這時的水溫的冷卻極限-濕球溫度因而濕球溫度代表著在當(dāng)?shù)貧鉁貤l件下，水可能冷卻到的最低溫度。水的出口溫度越接近于濕球溫度ts時，所需冷卻設(shè)備非常龐大，故要求冷卻后的水溫比ts高3－5℃。第95頁/共139頁當(dāng)水溫t＝ts時，兩種傳熱量之間的平衡具有動態(tài)平衡的特征；因為不論是水的蒸發(fā)或是水氣間的接觸傳熱都沒有停止，只不過由接觸傳熱傳給水的熱量全部都被消耗在水的蒸發(fā)上，這部分熱量又由水蒸氣重新帶回到空氣中。第96頁/共139頁直接蒸發(fā)式空調(diào)（沒有機械制冷部件），通過空氣與水體的直接接觸蒸發(fā)冷卻空氣，達到空氣調(diào)節(jié)的目的。問題，1、空氣的冷卻過程如何進行？（忽略外部傳熱）2、為什么該類型的空調(diào)只能在干燥的西北等地區(qū)應(yīng)用？3、并以30℃，不同相對濕度下的空氣狀態(tài)點進行分析，找出相應(yīng)的原因。第97頁/共139頁課程論文自選題目，與課程內(nèi)容相關(guān)，準(zhǔn)備相關(guān)的寫作材料，查閱相關(guān)的資料。第98頁/共139頁（1）吸附、吸附劑和吸附質(zhì)（一般性概念）吸附（adsorption）就是把分子配列程度較低的氣相分子濃縮到分子配列程度較高的固相中。氣體分子附著在固體表面上的過程。使氣體濃縮的物體叫做吸附劑（adsorbent），被濃縮的物質(zhì)叫做吸附質(zhì)（adsorbate）。例如，當(dāng)某固體物質(zhì)吸附水蒸氣時，此固體物質(zhì)就是吸附劑（CaCl2等），水蒸氣就是吸附質(zhì)。第99頁/共139頁空氣干燥吸附空氣中水蒸氣的吸附劑稱為干燥劑（限定了范圍）。干燥劑的吸濕和放濕是由干燥劑表面的蒸汽壓與環(huán)境空氣的蒸汽壓差決定的（干燥原理）：

當(dāng)干燥劑表面的蒸汽壓較低時，干燥劑吸濕，反之放濕，兩者相等時，達到平衡，即既不吸濕，也不放濕。當(dāng)表面水蒸氣分壓超過周圍空氣分壓時，干燥劑脫濕，這個過程稱為干燥劑再生過程第100頁/共139頁圖4-19顯示了干燥劑吸濕量與其表面蒸氣分壓力間的關(guān)系：吸濕量增加，表面蒸汽壓力也隨之增加。第101頁/共139頁圖4-20顯示了溫度對干燥劑蒸汽壓的影響（從溫度升高，分子運動劇烈，有利于水分蒸發(fā)的角度理解）。相同吸濕量下，溫度升高，干燥劑中水分子運動加強，利于蒸發(fā)，說明溫度升高有利于脫濕。第102頁/共139頁圖4－21表示了完整的干燥循環(huán)過程。干燥劑加熱干燥后，水蒸氣被脫附后，還需降溫，才能返回最初狀態(tài)，繼續(xù)吸附。第103頁/共139頁固體除濕器－旋轉(zhuǎn)式第104頁/共139頁固體除濕器－旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式是通過轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，使被除濕的氣流所流經(jīng)的轉(zhuǎn)輪除濕器的扇形部分對濕空氣進行除濕；再生氣流流過的剩余扇形部分同時進行干燥劑的再生；第105頁/共139頁除濕：當(dāng)需要除濕的被處理空氣空氣中所含的水蒸氣大部分被除濕輪中的吸濕劑吸收并放出潛熱。于是通過除濕輪吸濕區(qū)的被處理空氣成為含濕量降低、溫度升高的干燥空氣從除濕輪的另一側(cè)流出。再生：用作再生的空氣經(jīng)加熱器加熱到預(yù)定的溫度，流入除濕輪，并從旋轉(zhuǎn)著的除濕輪再生區(qū)通道中流過，吸濕劑溫度升高（其表面水蒸氣分壓增高），使其所含水分汽化并被再生空氣帶走，從除濕輪的另一側(cè)流出。第106頁/共139頁吸附法處理空氣的優(yōu)點：（1）不需要低溫露點除濕，吸附除濕不需要對空氣進行冷卻，減少能耗。（2）吸附除濕噪聲低；第107頁/共139頁（3）由于其他方式（如，表冷器）除濕后的空氣溫度過低，往往還需將空氣再加熱到適宜的送風(fēng)狀態(tài)；（4）表冷器除濕的冷媒溫度較低，使一些直接利用天然冷源的空調(diào)方式無法應(yīng)用，而浪費了能源。（5）此外，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中表冷器產(chǎn)生的冷凝水易產(chǎn)生霉菌，會影響室內(nèi)空氣質(zhì)量。第108頁/共139頁吸收劑處理空氣的機理（制冷技術(shù)中有專門的學(xué)習(xí)）吸收（absorption）是用適當(dāng)?shù)囊后w吸收劑來吸收氣體或氣體混合物中的某種組分的一種操作過程。例如，用溴化鋰水溶液來吸收水蒸氣，用水來吸收氨氣等（空調(diào)用制冷技術(shù)－專業(yè)課）。吸收的推動力是溶液表面的某氣態(tài)物質(zhì)的分壓力與氣流主體中此氣體分壓力差如果溶液表面壓力小于主體壓力，吸收過程進行；反之，為再生過程?？梢酝ㄟ^調(diào)整溶液的溫度、濃度來調(diào)整溶液表面的壓力。第109頁/共139頁吸收劑處理空氣的機理

（1）由于被處理空氣的水蒸氣分壓力與除濕溶液的表面蒸汽壓之間的壓差是水分由空氣向除濕溶液傳遞的驅(qū)動力，（2）除濕溶液表面蒸汽壓越低，在相同的處理條件下，溶液的除濕能力越強，與所接觸的濕空氣達到平衡時，濕空氣具有更低的含濕量。第110頁/共139頁液體除濕劑的類型和性能用于吸收水蒸氣的溶液有：溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣、三甘醇、二甘醇等。在液體除濕劑為循環(huán)工質(zhì)的除濕空調(diào)系統(tǒng)中，期望的除濕劑特性有：

l）相同的溫度、濃度下，除濕劑表面蒸汽壓較低，使得與被處理空氣中水蒸氣分壓力之間有較大的壓差，即除濕劑有較強的吸濕能力。2）除濕劑對于空氣中的水分有較大的溶解度，這樣可提高吸收率并減小液體除濕劑的用量。

第111頁/共139頁3）除濕劑在對空氣中水分有較強吸收能力的同時，對混合氣體中的其他組分基本不吸收或吸收甚微，否則不能有效實現(xiàn)分離。