溫水噴水室熱工計(jì)算的研究

高杏存

中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

在空氣調(diào)節(jié)工程中，噴水室是空氣與水直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換的最典型設(shè)備。根據(jù)噴水溫度的不同，噴水室可以完成加熱、冷卻、加濕、減濕等各種處理過程，而且具有凈化空氣的能力，因此被廣泛應(yīng)用在各種空調(diào)建筑中[1-3]。

對(duì)于噴水室熱工計(jì)算的研究，國內(nèi)外的一些學(xué)者做了大量的工作，目前被我國工程上廣泛采用的熱工計(jì)算方法是卡爾皮斯[4]提出的，以噴水室的熱交換效率η1和熱接觸系數(shù)η2為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。使用該熱工計(jì)算方法需要滿足以下三個(gè)條件：1）噴水室能達(dá)到的η1應(yīng)等于空氣處理過程所需要的η1。2）噴水室能達(dá)到的η2應(yīng)等于空氣處理過程所需要的η2。3)噴水室噴出的水吸收（或放出）的熱量等于空氣失去（或得到）的熱量。但是張維功等[5-7]人認(rèn)為該公式中的熱平衡方程中沒有充分考慮噴水室中被處理空氣的熱濕交換，在考慮到空氣流經(jīng)噴水室后空氣質(zhì)量流量的變化以及噴淋水量的變化后，對(duì)熱平衡方程進(jìn)行了修正。劉澤華[8]從濕空氣的概念出發(fā)，提出在噴水室熱工計(jì)算過程中應(yīng)采用干空氣的質(zhì)量流量來計(jì)算，而不是濕空氣的質(zhì)量流量，也對(duì)熱平衡方程進(jìn)行了修正。

雖然這些學(xué)者對(duì)熱平衡方程進(jìn)行了修正，但是公式修正前、后對(duì)熱工計(jì)算結(jié)果的影響還不是很明確。尤其是近年來，為了充分利用余熱資源，工廠經(jīng)常采用余熱對(duì)噴淋水進(jìn)行加熱。這種溫水噴淋系統(tǒng)[9]，不同于普通的噴淋循環(huán)水等焓加濕的過程，可以通過調(diào)節(jié)噴淋水的溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的增焓加濕，因此需要對(duì)噴水室進(jìn)行精確的熱工計(jì)算，才能達(dá)到要求的增焓加濕過程。

本文首先介紹了溫水噴水室內(nèi)空氣與水之間的熱質(zhì)交換過程，然后詳細(xì)對(duì)不同的噴水室熱平衡方程進(jìn)行了推導(dǎo)，分析不同熱平衡方程之間的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合采用溫水噴淋加濕系統(tǒng)的某工程設(shè)計(jì)實(shí)例，利用不同熱平衡方程，計(jì)算出了不同的結(jié)果，并對(duì)不同的結(jié)果之間進(jìn)行了對(duì)比分析，明確了不同熱平衡方程計(jì)算結(jié)果之間的誤差。

1 溫水噴水室熱濕交換原理分析

由圖 1 可知溫水噴水室是在普通噴水室上增加了一套板式換熱器加熱系統(tǒng)，通過板式換熱器為噴淋水提供能量，使流經(jīng)噴水室的空氣實(shí)現(xiàn)增焓加濕的過程。在噴水室中，噴淋水借助于噴嘴向流動(dòng)空氣中噴灑細(xì)小水滴，空氣與水滴之間通過水滴表面飽和空氣邊界層不斷地進(jìn)行對(duì)流熱交換和對(duì)流質(zhì)交換，其中顯熱交換取決于二者的溫差，潛熱交換和質(zhì)交換取決于水蒸氣分壓力差。

圖1 溫水噴水室構(gòu)造示意圖

在冬季，用噴水室對(duì)空氣進(jìn)行加濕時(shí)，噴淋水滴邊界層內(nèi)水蒸氣分子濃度大于周圍空氣水蒸氣分子濃度，則周圍空氣中的水蒸氣分子水將增加，空氣經(jīng)過噴水室處理后的含濕量將增大，空氣的質(zhì)量流量也將增大，而噴淋水量將減少。

2 噴水室熱平衡方程的修正

噴水室的熱工計(jì)算任務(wù)是對(duì)既定的空氣處理過程，選擇一個(gè)噴水室達(dá)到下列要求：

1）選擇的噴水室能達(dá)到的η1應(yīng)等于空氣處理過程所需要的η1。

2）選擇的噴水室能達(dá)到的η2應(yīng)等于空氣處理過程所需要的η2。

3）選擇的噴水室噴出的水吸收（或放出）的熱量等于空氣失去（或得到）的熱量。

上述三個(gè)條件用下面4個(gè)方程表示為：

由于μ=W/G，所以上式可變?yōu)椋?/p>

式中：η1— 第一熱交換效率（又稱熱交換效率）；η2— 第二熱交換效率（又稱接觸系數(shù)）；A，A'，m，n，m'，n' 均為實(shí)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)，可根據(jù)文獻(xiàn)中查詢；G—空氣的質(zhì)量流量；W—噴水量；c— 水的定壓比熱容；vρ— 空氣質(zhì)量流速；μ— 水汽比。

以上4 個(gè)方程式為工程中常用的熱工計(jì)算公式，但是公式3（熱平衡方程）中忽略了噴水室前后空氣質(zhì)量流量的變化，以及噴淋水量的變化，通過第一節(jié)的熱濕交換原理分析，如當(dāng)用噴水式對(duì)空氣進(jìn)行加濕時(shí)，G2＞G1；W2＜W1。則修正后的熱平衡方程1應(yīng)為：

設(shè)空氣中干空氣量為G g，空氣流經(jīng)噴水室前后干空氣的質(zhì)量流量不發(fā)生變化，則有：

則空氣中減少的水蒸氣量為：

則噴淋水中增加的水量為：

則熱平衡方程可推導(dǎo)為：

式中：G1、G2表示的是濕空氣的質(zhì)量流量，但是濕空氣的狀態(tài)參數(shù)中焓的描述是以干空氣質(zhì)量流量為基準(zhǔn)的，即 “ kJ/kg干空氣”，因?yàn)樗魵庠跐窨諝庵械暮亢苄。诠こ讨袨榱撕啽悖⒏煽諝獾馁|(zhì)量流量近似于濕空氣的質(zhì)量流量。但在本文中為了獲取熱工計(jì)算的準(zhǔn)確值，需要考慮這一點(diǎn)。此時(shí)修正后的熱平衡方程2應(yīng)為：

根據(jù)式（6）～（9），熱平衡方程可推導(dǎo)為：

3 噴水室熱工計(jì)算的比較

為了比較以上三個(gè)不同熱平衡方程計(jì)算結(jié)果的區(qū)別，下面以某實(shí)驗(yàn)室工程的設(shè)計(jì)要求為例，進(jìn)行熱工計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，該實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目采用溫水噴淋系統(tǒng)，在冬季使用噴淋水對(duì)空氣進(jìn)行增焓加濕，需要被處理的濕空氣量為2400 kg/h，含濕量為 2.3 g/kg，而且進(jìn)風(fēng)干球溫度在20～30℃之間變化；需要處理的空氣終參數(shù)的干球溫度為14.3 ℃，濕球溫度為13.8 ℃。計(jì)算噴水量W、噴水初溫tw2、噴水終溫tw1、板式換熱器需要提供的能量Q。

首先根據(jù)文獻(xiàn)[10]附錄 5-1 選用噴水室結(jié)構(gòu)為：雙排對(duì)噴，d0=5 mm，n=13個(gè)/(m2· 排)，v ρ=1.5 kg/m2· s 。查得，在增焓加濕過程中：A=0.82，A'=0.84，m=0.09，n=0.11，m'=0.05，n'=0.21。可以求得噴水量W、噴水初溫tw1、噴水終溫tw2如表1所示。

表1 噴水量、噴水初溫、噴水終溫計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果縱向?qū)Ρ瓤芍S著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的出風(fēng)溫度，所需要的噴水初溫逐漸降低。由橫相對(duì)比可知，利用原熱平衡方程計(jì)算出來的噴水初溫比修正后的熱平衡方程計(jì)算出的結(jié)果要高。

根據(jù)Q=w(tw1-t w2)/1000可求得板式換熱器所需要提供的能量值如表2所示。

表2 板式換熱器需提供能量值

由計(jì)算結(jié)果縱向?qū)Ρ瓤芍S著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，為了達(dá)到理想的出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，所需要板式換熱器提供的能量逐漸減小。這是因?yàn)殡S著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，增焓加濕逐漸趨近于等焓加濕的過程，需要板式換熱器提供的能量就越來越少。由計(jì)算結(jié)果橫向?qū)Ρ瓤芍迷瓱崞胶夥匠逃?jì)算出來的板換能量比修正后熱平衡方程1和2都要大，其中利用修正熱平衡方程2計(jì)算出來的板換能量最小。說明利用修正后的熱平衡方程進(jìn)行噴水室的熱工計(jì)算，提供較少的能量即可滿足設(shè)計(jì)要求，因此有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗。

修正熱平衡方程1和2與原熱平衡方程計(jì)算得出的板換所需能量值的具體誤差如圖2所示。

圖2 熱平衡方程修正前后板換能量計(jì)算結(jié)果的誤差

由誤差計(jì)算結(jié)果可知，在考慮到空氣經(jīng)過噴水室處理后空氣質(zhì)量流量和噴水量的變化時(shí)，修正后的熱平衡方程與原熱平衡方程計(jì)算出的板換能量的誤差值在1%～5%之間。在進(jìn)一步考慮干空氣流量與濕空氣流量的差值后，修正后的熱平衡方程與原熱平衡方程計(jì)算出的板換能量的誤差在4%～16%之間。

4 結(jié)論

1）在溫水噴淋加濕系統(tǒng)中，利用修正后熱平衡方程計(jì)算得到的噴水初溫比原熱平衡方程要低，而且板式換熱器所需要提供的能量也少。因此，利用修正后的熱平衡方程進(jìn)行噴水室的熱工計(jì)算，有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗。

2）利用修正熱平衡方程 1 進(jìn)行噴水室的熱工計(jì)算，節(jié)能效果在1%～5%之間。利用修正熱平衡方程 2進(jìn)行噴水室熱工計(jì)算，節(jié)能效果4%～16%之間。