立式高速噴水室熱濕交換性能優(yōu)化

陳 凱，蘇 秀，鮑玲玲

(河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

噴水室是空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于噴水室處理空氣具有較多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用以滿足生產(chǎn)工藝和生活的需要[1]。噴水室可以完成對空氣的冷卻、加熱、加濕和減濕等各種處理，既保證了生產(chǎn)工藝對空氣溫度與濕度的要求同時(shí)還可以凈化空氣。申勇波等[2]利用蒸發(fā)冷卻填料對空氣進(jìn)行過濾除塵。陳麗媛等[3]研究得到蒸發(fā)冷卻技術(shù)在“一帶一路”沿線國家有較好的應(yīng)用前景?；艉＜t等[4]研究了不同因素對填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)換熱效率的影響。薛運(yùn)等[5]研究了不同氣象條件對新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)運(yùn)行性能的影響。楊洋等[6]得出了紡織廠噴水室風(fēng)速和噴水壓力與除塵效率的關(guān)系。文獻(xiàn)[7-8]對優(yōu)化熱濕交換過程時(shí)采用火用損失最小化或者熵產(chǎn)最小化原理存在質(zhì)疑。過增元等[9-10]基于導(dǎo)熱和導(dǎo)電過程引入了一個(gè)新的熱學(xué)參數(shù)。CHEN等[11]指出對于不涉及熱工轉(zhuǎn)化的傳熱過程應(yīng)使用火積耗散來優(yōu)化傳熱過程。胡幗杰等[12]基于火積耗散定義了傳熱過程的效率，并用于傳熱過程的優(yōu)化。文獻(xiàn)[13]引入了濕火積及濕空氣的火積耗散、火積耗散熱阻的概念，并將火積耗散理論用于傳質(zhì)以及傳熱傳質(zhì)耦合[14]的系統(tǒng)。鮑玲玲等[15]指出火積耗散熱阻最小原理適用于評價(jià)噴淋室內(nèi)傳熱效果。

當(dāng)前國內(nèi)對高速立式噴水室的基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究還較少。本文基于火積耗散理論與全熱交換效率，采用數(shù)值計(jì)算的方法研究立式高速噴水室內(nèi)空氣與水熱濕交換性能，為合理設(shè)計(jì)立式高速噴水室的結(jié)構(gòu)以及熱濕交換過程的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模 型

立式高速噴淋室內(nèi)的空氣與水熱濕交換模型如圖1所示。

圖 1 立式噴淋室內(nèi)熱濕交換模型

1.1 傳熱傳質(zhì)模型的建立

假定干空氣的質(zhì)量流量G為常數(shù)。水(水蒸氣)的質(zhì)量平衡[16]為

dW=-Gd(d)

(1)

式中:W為噴淋水的質(zhì)量流量，kg/s；d為濕空氣的含濕量，kg/kg干。

空氣與水直接接觸進(jìn)行熱濕交換的傳熱傳質(zhì)系數(shù)與空氣和水的溫度、空氣和水的相對速度有關(guān)，而立式噴水室內(nèi)水滴的對流傳質(zhì)系數(shù)可以由式(2)計(jì)算[15],即

Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3

(2)

(3)

式中:Sh為舍伍德數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Sc為施密特?cái)?shù)；kd為對流傳質(zhì)系數(shù)，kd=δ/ρa(bǔ), m/s；Dc為水與空氣之間的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，D為特征尺寸，m。

Dc可以通過式(4)計(jì)算[16],即

(4)

式中：T為空氣溫度，K。

當(dāng)空氣溫度為293K時(shí),其運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)?=1.511×10-5，當(dāng)溫度在273～373 K時(shí),Sc=0.63，在立式下噴式噴水室內(nèi)，水滴與空氣的相對速度為二者速度之和，因此可以計(jì)算出kd。

設(shè)劉易斯數(shù)Le=1，則

ks=ρa(bǔ)cp,akd

(5)

式中：ks為空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW/(m2·K);cp,a為空氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K);ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3。

設(shè)水滴在立式噴水室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的長度為L，取微元段dL,dL=dz/sinα,α為水滴初始速度與水平方向的夾角，水滴速度μw始終和dL切線方向相同，因此將微元段dL作為控制體。顯熱傳遞方程[15]

-Gcp,adT=ksF(T-Tw)dL

(6)

式中：F為單位高度的熱濕交換面積，m2/m；Tw為噴淋水的溫度，K。

質(zhì)量傳遞方程[15]

-Gd(d)=kdρa(bǔ)(d-dw)FdL

(7)

式中:dw為溫度與水溫相同時(shí)的飽和濕空氣的含濕量，kg/kg干；

假定飽和線上含濕量和溫度滿足經(jīng)驗(yàn)公式[17]：

(8)

(9)

式中：Pq,b為空氣的飽合水蒸氣分壓力，Pa。

由于熱濕交換過程中水流量變化與總換熱量的關(guān)系較小，則可簡化總換熱量方程為[16]

(10)

式中:γ為水的汽化潛熱，kJ/kg。假定空氣與水滴在高速噴水室內(nèi)熱濕交換的過程中水滴保持球形且其大小不變，由于水滴的直徑很小，可以認(rèn)為其內(nèi)部溫度是均勻分布的。在立式噴水室內(nèi)，濕空氣與水進(jìn)行熱濕交換的面積等于水滴表面積的總和。在高度為dz，橫截面積為A的控制體內(nèi)水滴的數(shù)目可由式(11)計(jì)算[16],即

(11)

式中：Nd為單位橫截面控制體內(nèi)的水滴數(shù)；mw為水滴質(zhì)量，kg;um為水滴速度，m/s。

高度為dz,橫截面積為A的控制體內(nèi)水滴的總面積為

(12)

式中：F為水滴總面積，m2;D為水滴直徑，m;ρw為水密度，kg/m3。

水滴在立式噴水室內(nèi)從噴嘴噴出后，會(huì)受到向上的空氣阻力，自身向下的重力以及空氣浮力的綜合作用，其速度分布規(guī)律為

(13)

式中：v為空氣速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;cd為阻力系數(shù)。

微元段上，濕空氣與水進(jìn)行熱濕交換的顯熱交換量和全熱交換量可由式(14)～(15)計(jì)算[16]：

dQ=ks(T-Tw)dL

(14)

dQ=cp,wWdTw=ks(T-Tw)dL+γkdρa(bǔ)(d-dw)FdL

(15)

式中:cp,w為水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)。

簡化式(13)，(14)，(15)可以得到[18]：

(16)

(17)

(18)

1.2 火積分析模型

火積用以表示物體或系統(tǒng)傳遞熱量的能力，它具有勢能的含義。火積為狀態(tài)量，以環(huán)境溫度下的飽合空氣作為參考點(diǎn)(壓力、溫度、含濕量分別為P0,T0,d0)時(shí)，空氣和水在某一狀態(tài)下的火積表達(dá)如下[9]：

(19)

(20)

式中:Jair,Jw為環(huán)境溫度下濕空氣的火積和水的火積；G為空氣的流量，kg/s；Ta，Ta,dp和Tw分別為空氣溫度、空氣露點(diǎn)溫度和水溫，K。

火積會(huì)發(fā)生耗散，在給定的約束條件下，當(dāng)火積耗散取到極小值時(shí)，系統(tǒng)的傳熱能力達(dá)到最優(yōu)。噴淋室內(nèi)傳熱傳質(zhì)中，系統(tǒng)火積耗散方程為[9]：

Jdes=Jair,in-Jair,out+Jw,in-Jw,out

(21)

式中：Jdes為火積耗散，kW·K。

在傳熱傳質(zhì)過程中，系統(tǒng)的火積耗散熱阻被定義為熱濕傳熱過程中總的火積耗散與全熱換熱量的比值[15]。

(22)

式中：Rh為火積耗散熱阻，k/kW;Qt為全熱交換量。

2 不同因素對高速噴水室的影響

利用MATLAB軟件，以及四階龍格-庫塔法，對模型中的方程進(jìn)行互相嵌套和關(guān)聯(lián)，對函數(shù)相互調(diào)用進(jìn)而求解。根據(jù)已知的熱濕交換工況的相關(guān)初參數(shù)，研究不同因素對立式高速噴水室內(nèi)的全熱量、火積耗散、火積耗散熱阻以及全熱交換效率的影響規(guī)律進(jìn)行。

2.1 單因素分析

為了分析單因素對空氣與水進(jìn)行熱濕交換的影響規(guī)律，首先選取工況：入口空氣溫度T為298 K,入口空氣相對濕度φ為70%，含濕量d為0.02 kg/kg干,噴淋水入口溫度Tw1為283 K，水滴初速度u為6 m/s，氣流速度v為4 m/s，水滴直徑D為1.8 mm，立式高速噴水室塔高H為10 m，回風(fēng)量和噴水量均為10 kg/s，參考點(diǎn)為狀態(tài)溫度T0(298 K), 含濕量d0為0.021 kg/kg干。將空氣量以及噴淋水的入口溫度設(shè)置為定值。

圖2為其他條件不變，噴淋高度對立式高速噴水室性能的影響。由圖2(a)，(b)可以看出，在氣-水逆流進(jìn)行熱濕交換的過程當(dāng)中，隨著高速噴水室高度的增加，全熱交換量、火積耗散以及全熱交換效率逐漸增加，火積耗散熱阻逐漸減小。噴水室高度在4～7 m之間時(shí)，火積耗散和火積耗散熱阻變化幅度很大;噴水室高度超過7 m后，其變化幅度較??；適當(dāng)增加噴水室的高度有助于熱濕交換，水滴下落到底部運(yùn)動(dòng)的路程就越長，與濕空氣熱濕交換時(shí)間也就更長，熱濕交換更加充分。但是塔高的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)要考慮到熱濕交換單元的阻力大小以及初投資的費(fèi)用。過度增加高度不僅不能提高換熱性能而且還會(huì)增加運(yùn)行能耗。

(a) H與Qt以及ΔJdes的關(guān)系

(b) H與Rh以及η1的關(guān)系圖 2 塔高H對熱濕交換性能的影響

圖3為其他條件不變，水滴初速度對立式高速噴水室性能的影響。由圖3(a),(b)可以看出，在其他條件一定時(shí)增加水滴初速度，全熱交換量和全熱交換效率均逐漸減小，而火積耗散和火積耗散熱阻逐漸增大，即傳熱能力的損失逐漸增大。在水滴初速度為3～10 m/s內(nèi)，全熱交換量和全熱交換效率、火積耗散和火積耗散熱阻變化基本一致。立式高速噴水室內(nèi)水滴初速度越小，水滴在噴水室內(nèi)停留的總時(shí)間就會(huì)增加，空氣與水進(jìn)行熱濕交換就會(huì)越充分，換熱效果則會(huì)越好。因此，應(yīng)在保證水滴速度為 3～10 m/s 的前提下，減小水滴的初速度用以優(yōu)化熱濕交換。但是，水滴初速度還與噴嘴性能的優(yōu)劣、噴嘴壓力、水滴的直徑等其他參數(shù)相關(guān)， 不能盲目取值。

(a) u與Qt以及ΔJdes的關(guān)系

(b) u與Rh以及η1的關(guān)系圖 3 水滴初速度u對熱濕交換性能的影響

圖4為其他條件不變，氣流速度對立式高速噴水室性能的影響。由圖4(a),(b)可以看出，隨著氣流速度v的增加，全熱量和全熱交換效率逐漸增加。此時(shí)，火積耗散以及火積耗散熱阻逐漸減小。當(dāng)氣流速度大于4 m/s時(shí)，火積耗散減小幅度增大，而在氣流速度3～6 m/s內(nèi)，火積耗散熱阻基本呈線性減小。當(dāng)氣流速度大于5 m/s時(shí)，全熱量和全熱交換效率變化幅度逐漸增大。因此，氣流速度v的增加，熱濕交換單元的全熱交換量增加，熱濕傳遞的性能越好。但是，氣流速度v的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮水滴不被吹出。

圖5為其他條件不變，水氣比對立式高速噴水室性能的影響。由圖5(a)，(b)可以看出，水氣比在0.6～1.5的范圍內(nèi)，隨著水氣比的逐漸增大， 火積耗散與全熱量均逐漸增大，這是由于在空氣流量一定時(shí)，改變噴水量使水氣比增加，增大與空氣的換熱面積，更加充分吸收空氣中的熱量；雖然火積耗散增大，但火積耗散熱阻逐漸減小，且變化幅度逐漸減小，說明空氣與水進(jìn)行熱濕交換的能力是逐漸增大的；全熱交換效率基本保持不變，熱濕交換的效果整體是穩(wěn)定的。因此，水氣比在0.6～1.5內(nèi)，增加水氣比有助于噴水室氣水的熱濕交換。

(a) v與Qt以及ΔJdes的關(guān)系

(b) v與Rh以及η1的關(guān)系圖 4 氣流速度v對熱濕交換性能的影響Fig.4 Effect of air velocity (v) on heat andhumidity exchange performance

(a) β與Qt以及ΔJdes的關(guān)系

(b) β與Rh以及η1的關(guān)系圖 5 水氣比β對熱濕交換性能的影響Fig.5 Effect of water-gas ratio (β) on heat and humidity exchange performance

圖6為其他條件不變，水滴直徑對立式高速噴水室性能的影響。由圖6(a)，(b)可以看出，隨著水滴直徑的逐漸增加，全熱交換量與全熱交換效率逐漸減小，同時(shí)，火積耗散與火積耗散熱阻逐漸增加。水滴直徑在1.5～2.0 mm之間，火積耗散的變化幅度較大，在水滴直徑大于2.0 mm時(shí)，火積耗散變化趨于平緩且有下降趨勢。因此在本文研究范圍內(nèi)，適當(dāng)減小水滴直徑，可以優(yōu)化噴水室熱濕傳遞的性能。但是水滴直徑的取值與水滴速度和空氣速度有關(guān)，為了避免發(fā)生“漂水”或“水滴懸浮”現(xiàn)象，水滴直徑不能無限小。

(a) D與Qt以及ΔJdes的關(guān)系

(b) D與Rh以及η1的關(guān)系圖 6 水滴直徑D對熱濕交換性能的影響

2.2 空氣初參數(shù)對熱濕交換的影響

溫濕度等初始參數(shù)是影響熱傳質(zhì)性能的一種非常重要的因素。為研究空氣飽和程度對熱濕交換效果的影響，熱濕交換過程中的能量耗散以及熱濕交換機(jī)理上的不同，在水滴初始溫度283 K，水滴直徑D為1.8 mm，噴水室高度為6 m，噴淋角度 為30°，水滴初速度6 m/s，水氣比為1，空氣溫度305 K，空氣含濕量d為0.021 kg/kg干，相對濕度φ為70%，氣流速度v為4 m/s條件下，測試空氣初狀態(tài)沿等溫線、等焓線、等含濕量線接近飽和線的各個(gè)熱濕交換性能評價(jià)指標(biāo)的變化情況。

表1為當(dāng)空氣初參數(shù)沿等溫線變化時(shí)，噴水室內(nèi)熱濕交換過程的全熱交換量、火積耗散、火積耗散熱阻、全熱交換效率變化情況。由表1可知，空氣初狀態(tài)沿等濕度線變化接近飽和線時(shí)其全熱交換量逐漸增加；隨著入口空氣相對濕度逐漸接近飽和時(shí)，火積耗散不斷升高；在相對濕度由30%增大至90%時(shí)，火積耗散由883.81 kW·K增大至3 802.39 kW·K；隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大，火積耗散熱阻逐漸降低，熱阻由0.031 K/kW減少至0.017 K/kW；隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大，全熱交換效率相對濕度逐漸增加，由1.122增加至1.143。雖然火積耗散增加，但火積耗散熱阻減小，且全熱量和全熱交換效率均增大。因此，空氣初參數(shù)沿等溫線升溫有助于提升噴水室熱濕交換性能。

表 1 空氣初始狀態(tài)沿等溫線變化

表2為當(dāng)空氣初參數(shù)沿等含濕量線變化時(shí)， 噴水室內(nèi)熱濕交換過程的全熱交換量、 火積耗散、 火積耗散熱阻、 全熱交換效率變化情況。 由表2可知， 空氣初狀態(tài)沿等濕度線變化接近飽和線時(shí)其全熱交換量逐漸減??； 隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大， 火積耗散不斷降低; 當(dāng)相對濕度為90% 時(shí)火積耗散最小為 2 157.82 kW·K; 當(dāng)相對濕度為 30% 時(shí)火積耗散最大為 6 316.61 kW·K； 隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大， 火積耗散熱阻逐漸降低，相對濕度為 90% 時(shí),火積耗散熱阻最小為 0.019 kW·K; 相對濕度為 30% 時(shí), 火積耗散熱阻最大為 0.028 K/kW； 相對濕度在 30%～70% 時(shí), 全熱交換效率由 1.141 減小到 1.124， 當(dāng)相對濕度接近飽和線時(shí)又逐漸增加。 全熱量雖有所下降， 但火積耗散熱阻和火積耗散均減小較為明顯， 因此， 對空氣沿等濕線加濕可提高熱濕交換性能。

表 2 空氣初始狀態(tài)沿等濕線變化

表3為當(dāng)空氣初參數(shù)沿等焓線變化時(shí)，噴水室內(nèi)熱濕交換過程的全熱交換量、火積耗散、火積耗散熱阻、 全熱交換效率變化情況。由表3可知，空氣初狀態(tài)沿等焓線 (i=86.32 kJ/kg) 變化接近飽和線時(shí)其全熱交換量均在 362 kW～369 kW 之間， 變化幅度較??； 隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大，火積耗散不斷降低。當(dāng)相對濕度為90%時(shí),火積耗散最小為 2 338.2 kW·K; 當(dāng)相對濕度為30%時(shí), 火積耗散最大為4 355.5 kW·K； 隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大， 火積耗散熱阻逐漸降低， 相對濕度為90%時(shí),火積耗散熱阻最小為0.018 K/kW; 相對濕度為30%時(shí),火積耗散熱阻最大為0.033 K/kW；隨著進(jìn)口空氣相對濕度的增大，全熱交換效率幾乎不變，均在1.12～1.14之間。火積耗散和火積耗散熱阻均減小，且幅度最大，全熱量和全熱交換效率均增大。因此，對空氣沿等焓線加濕能夠提高噴水室熱濕交換性能，且效果最為明顯。

表 3 空氣初始狀態(tài)沿等焓線變化

3 結(jié) 論

(1) 在本文研究參數(shù)范圍內(nèi)且其他條件一定時(shí)，合理增加塔高、水氣比、氣流速度以及減小水滴直徑、水滴速度有利于提高立式高速噴水室傳熱傳質(zhì)的效果。同時(shí)說明高速噴水室優(yōu)于低速噴水室的熱濕交換性能。

(2) 在不涉及熱工轉(zhuǎn)化的高速立式噴水室內(nèi)，處理空氣前，提高被處理空氣的相對濕度，可以提高噴水室的傳熱效果，節(jié)約能耗。且當(dāng)沿等焓線對空氣加濕效果最優(yōu)。