高杏存

中國(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者做了大量的工作，目前被我國(guó)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)程中應(yīng)采用干空氣的質(zhì)量流量來(lái)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(lái)，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(guò)程，可以通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?，在工程中為了?jiǎn)便，常將干空氣的質(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(guò)程中：A=0.82，A'=0.84，m=0.09，n=0.11，m'=0.05，n'=0.21?？梢郧蟮脟娝縒、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?，隨著進(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(lái)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?，隨著進(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(guò)程，需要板式換熱器提供的能量就越來(lái)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(lái)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(lái)的板換能量最小。說(shuō)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(guò)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。