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(guò)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(mǎn)足生產(chǎn)工藝和生活的需要[1]。噴水室可以完成對(duì)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(duì)空氣溫度與濕度的要求同時(shí)還可以?xún)艋諝狻Ｉ暧虏ǖ萚2]利用蒸發(fā)冷卻填料對(duì)空氣進(jìn)行過(guò)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(guó)家有較好的應(yīng)用前景。霍海紅等[4]研究了不同因素對(duì)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(duì)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(duì)優(yōu)化熱濕交換過(guò)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(guò)增元等[9-10]基于導(dǎo)熱和導(dǎo)電過(guò)程引入了一個(gè)新的熱學(xué)參數(shù)。CHEN等[11]指出對(duì)于不涉及熱工轉(zhuǎn)化的傳熱過(guò)程應(yīng)使用火積耗散來(lái)優(yōu)化傳熱過(guò)程。胡幗杰等[12]基于火積耗散定義了傳熱過(guò)程的效率，并用于傳熱過(guò)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(píng)價(jià)噴淋室內(nèi)傳熱效果。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)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?lài)娝覂?nèi)空氣與水熱濕交換性能，為合理設(shè)計(jì)立式高速?lài)娝业慕Y(jié)構(gòu)以及熱濕交換過(guò)程的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模 型

立式高速?lài)娏苁覂?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(duì)速度有關(guān)，而立式噴水室內(nèi)水滴的對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(mǎn)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(guò)程中水流量變化與總換熱量的關(guān)系較小，則可簡(jiǎn)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?lài)娝覂?nèi)熱濕交換的過(guò)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(jiǎn)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(shì)能的含義?；鸱e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(guò)程中，系統(tǒng)的火積耗散熱阻被定義為熱濕傳熱過(guò)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(duì)高速?lài)娝业挠绊?/h2>

利用MATLAB軟件，以及四階龍格-庫(kù)塔法，對(duì)模型中的方程進(jìn)行互相嵌套和關(guān)聯(lián)，對(duì)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(duì)立式高速?lài)娝覂?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(duì)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(duì)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?lài)娝宜逪為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(duì)立式高速?lài)娝倚阅艿挠绊?。由圖2(a)，(b)可以看出，在氣-水逆流進(jìn)行熱濕交換的過(guò)程當(dāng)中，隨著高速?lài)娝腋叨鹊脑黾?，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(guò)7 m后，其變化幅度較?。贿m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(zhǎng)，與濕空氣熱濕交換時(shí)間也就更長(zhǎng)，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(guò)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(duì)熱濕交換性能的影響

圖3為其他條件不變，水滴初速度對(duì)立式高速?lài)娝倚阅艿挠绊憽Ｓ蓤D3(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?lài)娝覂?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?xún)?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(duì)熱濕交換性能的影響

圖4為其他條件不變，氣流速度對(duì)立式高速?lài)娝倚阅艿挠绊憽Ｓ蓤D4(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(duì)立式高速?lài)娝倚阅艿挠绊?。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(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)立式高速?lài)娝倚阅艿挠绊?。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(shì)。因此在本文研究范圍內(nèi)，適當(dāng)減小水滴直徑，可以?xún)?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(wú)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(duì)熱濕交換性能的影響

2.2 空氣初參數(shù)對(duì)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(duì)熱濕交換效果的影響，熱濕交換過(guò)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(duì)濕度φ為70%，氣流速度v為4 m/s條件下，測(cè)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(píng)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(guò)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(duì)濕度逐漸接近飽和時(shí)，火積耗散不斷升高；在相對(duì)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(duì)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(duì)濕度的增大，全熱交換效率相對(duì)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(guò)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(duì)濕度的增大， 火積耗散不斷降低; 當(dāng)相對(duì)濕度為90% 時(shí)火積耗散最小為 2 157.82 kW·K; 當(dāng)相對(duì)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(duì)濕度的增大， 火積耗散熱阻逐漸降低，相對(duì)濕度為 90% 時(shí),火積耗散熱阻最小為 0.019 kW·K; 相對(duì)濕度為 30% 時(shí), 火積耗散熱阻最大為 0.028 K/kW； 相對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)濕度的增大，火積耗散不斷降低。當(dāng)相對(duì)濕度為90%時(shí),火積耗散最小為 2 338.2 kW·K; 當(dāng)相對(duì)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(duì)濕度的增大， 火積耗散熱阻逐漸降低， 相對(duì)濕度為90%時(shí),火積耗散熱阻最小為0.018 K/kW; 相對(duì)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(duì)濕度的增大，全熱交換效率幾乎不變，均在1.12～1.14之間?；鸱e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(duì)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?lài)娝覀鳠醾髻|(zhì)的效果。同時(shí)說(shuō)明高速?lài)娝覂?yōu)于低速?lài)娝业臒釢窠粨Q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(duì)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(duì)空氣加濕效果最優(yōu)。