ISSN1000-0054CN11-5154/N清华大学学报(自然科学版)JTsinghuaUniv(Sci&Tech),1999年第39卷第10期1999,Vol.39,No.1011/3435～38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)r3wdrw∫∞0f(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WõK-1õm-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=nLv1HL=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kgõs-1õm-2,va,w=va+v(顺流时),va,w=ûva-vû(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...
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