高杏存

中國電子工程設計院有限公司

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行熱質(zhì)交換的最典型設備。根據(jù)噴水溫度的不同，噴水室可以完成加熱、冷卻、加濕、減濕等各種處理過程，而且具有凈化空氣的能力，因此被廣泛應用在各種空調(diào)建筑中[1-3]。

對于噴水室熱工計算的研究，國內(nèi)外的一些學者做了大量的工作，目前被我國工程上廣泛采用的熱工計算方法是卡爾皮斯[4]提出的，以噴水室的熱交換效率η1和熱接觸系數(shù)η2為基礎的計算方法。使用該熱工計算方法需要滿足以下三個條件：1）噴水室能達到的η1應等于空氣處理過程所需要的η1。2）噴水室能達到的η2應等于空氣處理過程所需要的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]人認為該公式中的熱平衡方程中沒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，對熱平衡方程進行了修正。劉澤華[8]從濕空氣的概念出發(fā)，提出在噴水室熱工計算過程中應采用干空氣的質(zhì)量流量來計算，而不是濕空氣的質(zhì)量流量，也對熱平衡方程進行了修正。

雖然這些學者對熱平衡方程進行了修正，但是公式修正前、后對熱工計算結果的影響還不是很明確。尤其是近年來，為了充分利用余熱資源，工廠經(jīng)常采用余熱對噴淋水進行加熱。這種溫水噴淋系統(tǒng)[9]，不同于普通的噴淋循環(huán)水等焓加濕的過程，可以通過調(diào)節(jié)噴淋水的溫度實現(xiàn)對空氣的增焓加濕，因此需要對噴水室進行精確的熱工計算，才能達到要求的增焓加濕過程。

本文首先介紹了溫水噴水室內(nèi)空氣與水之間的熱質(zhì)交換過程，然后詳細對不同的噴水室熱平衡方程進行了推導，分析不同熱平衡方程之間的區(qū)別。在此基礎上，結合采用溫水噴淋加濕系統(tǒng)的某工程設計實例，利用不同熱平衡方程，計算出了不同的結果，并對不同的結果之間進行了對比分析，明確了不同熱平衡方程計算結果之間的誤差。

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)，通過板式換熱器為噴淋水提供能量，使流經(jīng)噴水室的空氣實現(xiàn)增焓加濕的過程。在噴水室中，噴淋水借助于噴嘴向流動空氣中噴灑細小水滴，空氣與水滴之間通過水滴表面飽和空氣邊界層不斷地進行對流熱交換和對流質(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 溫水噴水室構造示意圖

在冬季，用噴水室對空氣進行加濕時，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

噴水室的熱工計算任務是對既定的空氣處理過程，選擇一個噴水室達到下列要求：

1）選擇的噴水室能達到的η1應等于空氣處理過程所需要的η1。

2）選擇的噴水室能達到的η2應等于空氣處理過程所需要的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。

上述三個條件用下面4個方程表示為：

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' 均為實驗系數(shù)和指數(shù)，可根據(jù)文獻中查詢；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 個方程式為工程中常用的熱工計算公式，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，通過第一節(jié)的熱濕交換原理分析，如當用噴水式對空氣進行加濕時，G2＞G1；W2＜W1。則修正后的熱平衡方程1應為：

設空氣中干空氣量為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)量流量為基準的，即 “ kJ/kg干空氣”，因為水蒸氣在濕空氣中的含量很小，在工程中為了簡便，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算的準確值，需要考慮這一點。此時修正后的熱平衡方程2應為：

根據(jù)式（6）～（9），熱平衡方程可推導為：

3 噴水室熱工計算的比較

為了比較以上三個不同熱平衡方程計算結果的區(qū)別，下面以某實驗室工程的設計要求為例，進行熱工計算結果的對比分析，該實驗室項目采用溫水噴淋系統(tǒng)，在冬季使用噴淋水對空氣進行增焓加濕，需要被處理的濕空氣量為2400 kg/h，含濕量為 2.3 g/kg，而且進風干球溫度在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[10]附錄 5-1 選用噴水室結構為：雙排對噴，d0=5 mm，n=13個/(m2· 排)，v ρ=1.5 kg/m2· s 。查得，在增焓加濕過程中：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、噴水終溫計算結果

由計算結果縱向?qū)Ρ瓤芍S著進風溫度的升高，為了達到設計的出風溫度，所需要的噴水初溫逐漸降低。由橫相對比可知，利用原熱平衡方程計算出來的噴水初溫比修正后的熱平衡方程計算出的結果要高。

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

由計算結果縱向?qū)Ρ瓤芍S著進風溫度的升高，為了達到理想的出風狀態(tài)點，所需要板式換熱器提供的能量逐漸減小。這是因為隨著進風溫度的升高，增焓加濕逐漸趨近于等焓加濕的過程，需要板式換熱器提供的能量就越來越少。由計算結果橫向?qū)Ρ瓤芍?，利用原熱平衡方程計算出來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計算出來的板換能量最小。說明利用修正后的熱平衡方程進行噴水室的熱工計算，提供較少的能量即可滿足設計要求，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算結果的誤差

由誤差計算結果可知，在考慮到空氣經(jīng)過噴水室處理后空氣質(zhì)量流量和噴水量的變化時，修正后的熱平衡方程與原熱平衡方程計算出的板換能量的誤差值在1%～5%之間。在進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算出的板換能量的誤差在4%～16%之間。

4 結論

1）在溫水噴淋加濕系統(tǒng)中，利用修正后熱平衡方程計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行噴水室的熱工計算，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 進行噴水室的熱工計算，節(jié)能效果在1%～5%之間。利用修正熱平衡方程 2進行噴水室熱工計算，節(jié)能效果4%～16%之間。