噴霧噴霧熱濕交換過程的理論分析與試驗(yàn)研究

0湍流兩相流模型的應(yīng)用濕房是空調(diào)工程中的主要設(shè)備之一。對(duì)噴水室熱濕交換過程的研究一直是國內(nèi)外暖通空調(diào)界極為關(guān)注的研究課題。本文將計(jì)算流體力學(xué)中湍流兩相流的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量守恒方程及求解方法應(yīng)用于噴水室熱工計(jì)算中,以期得到不同空氣和水流量、不同初始狀態(tài)和設(shè)備參數(shù)下噴水室對(duì)空氣的處理結(jié)果。按照這種思路,本文在理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、試驗(yàn)研究等方面做了一些研究,介紹了在有限空間內(nèi),對(duì)具有一定溫度、壓力的高速運(yùn)動(dòng)的霧狀水滴與空氣充分接觸,相互之間發(fā)生強(qiáng)烈的質(zhì)量、動(dòng)量和熱量交換過程的試驗(yàn)研究結(jié)果。1熱濕交換時(shí)間的測(cè)量在噴嘴噴出的水霧中任取一微小水滴,水滴溫度為tw,水滴表面為飽和空氣層,層中水蒸汽分壓力為大氣壓時(shí)與水滴溫度相對(duì)應(yīng)的飽和水蒸汽分壓力pqb*,水滴周圍空氣主體溫度ta。設(shè)水滴在熱濕交換空間飛行過程中與空氣對(duì)流換熱是α(tw-ta)dFdτ,水滴蒸發(fā)的汽化潛熱為γβ(pqb*-pq)dFdτ。若水滴在飛行過程中的水溫降為dtw,則水滴在熱濕交換空間的飛行過程中與空氣的熱濕交換方程可寫成:wcdtw=α(tw?ta)dFdτ+γβ(pqb??pq)dFdτ(1)wcdtw=α(tw-ta)dFdτ+γβ(pqb*-pq)dFdτ(1)其中:α(tw?ta)=α(tw?ts+ts?ta)=α(tw?ts)[1?ta?tstw?ts]α(tw-ta)=α(tw-ts+ts-ta)=α(tw-ts)[1-ta-tstw-ts]由文獻(xiàn)知,上式中:式中fqb′為一個(gè)大氣壓下空氣中飽和水蒸汽分壓力隨濕球溫度變化的變化率;A、B、C是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所確定的系數(shù),D是根據(jù)風(fēng)速所確定的系數(shù)。將上兩式代入式(1)中,得:再將式(2)變形,得水滴飛行時(shí)基本方程:式中α=Nu·λ/d=f(Re,Pr)λ/d;β=Sh·D/d=f(Re,Sc)D/d。Re=ud/υ,其中u=uw-ug=f(p,μ)是水滴飛行相對(duì)速度,取決于噴嘴出口壓力p和熱濕交換空間中的氣水比μ。由上可知在有限空間內(nèi),如已知水溫tw、熱濕交換空間內(nèi)的空氣干球溫度ta、濕球溫度ts、噴水壓力p和氣水比μ,當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的大氣壓pa,則在式(3)的基礎(chǔ)上再補(bǔ)充空氣和水滴動(dòng)量及熱交換方程就可以進(jìn)行理論求解。由于霧狀水滴與空氣進(jìn)行熱濕交換的影響因素較多,求解異常困難,故通常還要進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)某一給定工作狀態(tài),在熱濕交換空間內(nèi)水溫和空氣溫度雖各處不同,但從測(cè)量可能性及初始狀態(tài)對(duì)過程影響來看:水溫可選取噴水溫度tw1;熱濕交換空間內(nèi)的空氣干球溫度ta與濕球溫度ts可在空氣進(jìn)入熱濕交換空間的入口處測(cè)量;噴水壓力p和氣水比μ為不變量;水滴在熱濕交換空間內(nèi)的飛行距離是可測(cè)量的。這樣,對(duì)霧狀水滴與空氣在有限空間內(nèi)進(jìn)行熱濕交換過程進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí),需要測(cè)量且可以測(cè)量的參數(shù)有水溫tw、熱濕交換空間空氣入口處的空氣干球溫度ta、濕球溫度ts、噴水壓力p和氣水比μ及試驗(yàn)空間的長度(水滴飛行距離)。2試驗(yàn)用噴嘴的結(jié)構(gòu)圖1是對(duì)霧狀水滴與空氣在有限空間內(nèi)熱濕交換過程進(jìn)行試驗(yàn)研究而建立的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,該試驗(yàn)系統(tǒng)長度、噴射水壓、水溫都是可調(diào)控的,噴嘴是可換的。圖2為試驗(yàn)用噴嘴(其中一種)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為噴嘴在給定水壓下的噴射角度與噴射距離。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1噴射壓力的影響噴嘴出口壓力增加時(shí)會(huì)加大射入熱濕交換空間的空氣流量,氣水比增大則有利于水滴與空氣間熱濕交換;但隨著噴射壓力的增加,噴射角變小,射程加長,水滴飛行速度加快,空氣與水滴接觸時(shí)間縮短,則可能反而減低水溫降?？偟恼f來,噴射壓力加大仍會(huì)使水溫降增加,當(dāng)噴射壓力增加到一定程度后,水溫降幅就不明顯。此外噴射壓力過大將增加水泵能耗。根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù),本文建議噴嘴出口水壓宜控制在0.1～0.15MPa。3.2噴嘴部排放的影響因素?zé)釢窠粨Q空間長度不同時(shí),噴射水溫降隨氣水比μ的變化見圖4。影響氣水比μ的主要因素是噴嘴性能、噴水壓力、噴嘴分布間距、進(jìn)口空氣整流裝置及出口氣水分離的阻力等。在噴嘴出口水壓不過高時(shí),建議噴嘴布置間距在垂直方向宜控制在(280±10)mm,在水平方向的間距宜控制在(260±10)mm。3.3熱濕交換空間內(nèi)水、空氣溫度變化由式(3)可知,進(jìn)入熱濕交換空間的空氣濕球溫度也是水溫降的重要影響因素,水溫降隨進(jìn)入熱濕交換空間的空氣濕球溫度的升高而減少,試驗(yàn)結(jié)果見表2。另外在熱濕交換空間內(nèi),水與空氣進(jìn)行熱濕交換的動(dòng)力主要是水滴表面飽和空氣層與進(jìn)入熱濕交換空間的空氣的焓差,而進(jìn)入熱濕交換空間的空氣焓值主要取決于濕球溫度,故進(jìn)入熱濕交換空間的空氣干球溫度對(duì)水溫降影響不大。但當(dāng)進(jìn)入熱濕交換空間的空氣接近飽和時(shí),即空氣干、濕球溫度接近時(shí),熱濕交換過程中水溫降不大。這是因?yàn)榇藭r(shí),熱濕交換方式主要是靠溫差散熱,而蒸發(fā)散熱量較小的緣故。因此在空氣相對(duì)濕度較小地區(qū)的熱濕交換方式進(jìn)行得較為有利。3.4著進(jìn)入熱濕交換空間的水溫由試驗(yàn)可知,在熱濕交換空間長度、噴射壓力和空氣濕球溫度一定的條件下,隨著進(jìn)入熱濕交換空間的水溫升高,水溫降也加大(表3)。這是因?yàn)樗疁馗邥r(shí),水滴周圍的飽和空氣層溫度也高,因而水蒸汽分壓也大,所以它與進(jìn)入熱濕交換空間的空氣之間的水蒸汽分壓力之差加大,從而有利于水分蒸發(fā),提高蒸發(fā)散熱量。3.5水溫降的影響由表3可以看出,熱濕交換空間的長度越大,水溫降越大,熱濕交換空間的長度超過2.0m時(shí),水溫降的增加明顯變緩。為此,本文建議熱濕交換空間的長度以不超過2.5m為宜。4熱濕交換溫度為5.10mpa在有限空間內(nèi),當(dāng)需要依靠空氣與水之間的熱濕交換來保證水溫降在一定范圍內(nèi)時(shí),建議熱濕交換空間的長度宜控制在2.5m以內(nèi);噴嘴布置間距在垂直方向宜控制在(280±10)mm,在水平方向的間距宜控制在(260±10)mm;噴嘴出口水壓宜控制在0.1～0.15MPa。對(duì)一定尺寸的熱濕交換空間,若增加噴水壓力可增加噴水量。這種情況下熱濕交換方式在空氣相對(duì)濕度較小地區(qū),能較為順利地進(jìn)行。符號(hào)表:α—─水滴與空氣間對(duì)流換熱系數(shù),W/℃·m2β—─水滴與空氣間濕交換系數(shù),kg/(N·S)γ—─水滴汽化潛熱,kJ/kgc─—水滴定壓比熱,kJ/(kg·℃)dF─—水滴表面積,m2d─—水滴直徑,mw─—水滴質(zhì)量,kgP─—噴嘴出口水壓力,MPaP─—水蒸汽分壓,PaPa─—當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)大氣壓,kPaD─—空氣中水蒸汽擴(kuò)散系數(shù),m/s2L