热质交换原理与设备教学讲义

热质交换原理与设备

2.1 空气的热湿处理实验

2.2.1

实验目的

1) 掌握空气混合过程中空气状态点的变化规律。

2) 通过在表冷器中对空气和水的热湿交换过程测试，使学生加深对空气和水间接接触时传热传质过程的理解，并测定表冷器的热工性能； 3) 熟悉和掌握有关热工测试的方法。 2.2.2

实验原理

1) 表冷器传热过程分析及热工计算方法

表冷器上发生的热质交换过程如下图所示。热质交换过程包括空气与表冷器的显热交换、水蒸汽的凝结质交换、以及凝结伴随的潜热交换。

凝结水膜

饱和空气边界层 冷表面

冷却剂边界层

t t b 湿空气G t i t W 冷却剂W

其中，t为主流空气的干球温度；

tb为湿空气与凝结水膜之间边界层的温度； ti为凝结水膜的温度； tw为表冷器冷表面的温度； G为湿空气的流量； W为冷却剂的流量。 显热交换量的计算式为：

dQx?h(t?tb)dF

式中，h为显热交换系数，dF为表冷器的热交换面积。

湿空气的凝结量为：

dW?hmd(d?db)dF

式中，hmd为传质系数，d为主流湿空气的含湿量，db为湿空气与凝结水膜之间边界层的含湿量。

凝结过程释放的潜热量为：

dQq?rdW?rhmd(d?db)dF

式中，r为水蒸汽凝结的潜热释放量。

表冷器空气处理过程的总热交换量为：

dQ?dQx?dQq?hmd(i?ib)dF

其中，i为主流湿空气的焓，ib为湿空气与凝结水膜之间边界层的焓。上式即为麦凯尔方程。

而显热传热系数与质交换系数的关系可由刘易斯关系式来表示：

hmd其中，cp为空气的定压比热。

h? cp表冷器对湿空气冷却除湿实际过程与理想过程存在一定的偏差，如下图所示，实际发生的湿空气过程为从状态1到状态2而不能达到饱和状态3。其中热交换效率可表示为：

?1?t1?t2

t1?tw1其中，?1为热交换效率，tw1为冷却剂的入口温度。上式亦称为表冷器的第一热交换效率。

接触系数为：

?2?t1?t2 t1?t3其中，?2为接触系数，t3为饱和状态温度。上式亦称为表冷器的第二热交换效率。

2） 本实验采用集中式中央空调空气处理系统，新风、回风经过混合后经过粗效过滤器进入表冷器

进行空气处理之后，再经风机送向空调房间去。通过温湿度自动记录仪和Insight工作站数据采集系统，测量每个环节的空气状态点，得出实际空气处理过程。 3） 超声波流量计测试原理及方法参见《热工测量与自动控制》。

4） 在供水系统中依靠水泵供水，供、回水管路上装有温度传感器在自控系统中自动监测冷冻水供、

回水温度，使用超声波流量计测试水流量。

2.2.3

实验装置及仪器

1） 配备有表冷器的组合式空调机组，其冷源为地源热泵系统。 全空气处理系统原理示意图如下：

该系统由地下室热泵系统提供冷热源供组合式空调器的全空气系统使用，该组合式空调器具有混合段、处理段（包括盘管换热器和喷雾加湿器）、再热段和风机段组成。通过电动阀门调节可以调节新回风比，一、二次回风比，冷热水流量等。可以对人工环境小室室内温湿度或者空气处理之后的状态点进行自动调节控制。可以根据送风静压对送风机电机频率进行调节，从而实现调节送风量的需要。 2） 干球温度计、湿度传感器、毕托管、流量计、温湿度自动记录仪 2.2.4

实验步骤

1）熟悉实验指导书和现场实验装置，检查各实验仪器的位置和安装是否正常；

实验前应检查的内容：风机、水泵、干、湿球温度计、毕托管和微压计、超声波流量计、电磁流量阀。

2）选择合适位置安装温湿度记录仪等仪器仪表，打开工作站图形界面并进行数据采集； 3）启动风机，待风机运行正常后，调节空气流量为2000～3000m3/h；测定冷冻水初温； 4）通过循环水泵变频调节控制供水流量，使供回水温差为4℃左右； 5）对系统运行后的各测点进行观测，检查整个系统运行是否稳定；

一般空气的干球温度波动值小于±1℃，冷冻水初、终温波动小于0.5℃，连续保持30分钟以后即可算作工况稳定。这时将各测点的数据，包括冷冻水初温tw1，冷冻水终温tw2，空气初终状态的干球温度、相对湿度t1、φ1、t2、φ2每10分钟读数一次，连续做四次，并将数据详细添入数据记录表中（其中温度精确到0.1℃）。

6）调节风量或水量进行三组不同工况实验；

7）实验完毕，依次停止水泵、风机运转，关闭水泵出水阀。 2.2.5

实验数据记录处理

1) 实验数据记录（粘帖原始数据）；

2) 理论计算整个空气处理过程中每个环节空气状态点，在i-d 图上表示出来，并与实际测量的出的空气处理过程进行比较，分析误差存在原因；

3) 计算表冷器换热过程中，水侧的换热量、空气释放的热量和湿量，根据热湿平衡原理计算误差并分析产生误差的主要原因。

4) 计算表冷器的换热效率和接触系数。

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