Процессы тепло- и массообмена воздуха с водой в аппаратах кондиционирования

Процесс увлажнения или осушки, а также охлаждения или нагревания воздуха можно осуществить, вводя его в контакт с водой. Для этого воздух пропускают через камеры орошения, в которых разбрызгивается вода, или продувают через пористые слои либо оребренные поверхности, орошаемые водой.

Если температура воды в период соприкосновения остается ниже температуры росы входящего в камеру воздуха, то происходит его осушка; если температура воды выше точки росы, то происходит увлажнение.

Процессы осушки воздуха водой сопровождаются его охлаждением, процессы же увлажнения могут сопровождаться охлаждением или нагреванием воздуха в зависимости от температуры воды.

Граничный (переходный) тонкий слой между водой и воздухом состоит из молекул воды и воздуха. В результате их перемешивания в этом тонком слое образуется насыщенный парами воды воздух, а его температура равна температуре воды. Состояние воздуха в этом слое можно определить по температуре воды, считая его относительную влажность φ равной 100 %. Поэтому процесс тепло- и влагообмена воздухом и водой можно рассматривать в i-d-диаграмме как процесс смешения воздуха данного состояния с насыщенными воздухом при температуре воды.

Если точка А- начальное состояние воздуха, а t_w – температура воды, то состояние насыщенного воздуха, (граничного слоя) находят в i-d-диаграмме на пересечении изотермы t_w-const с кривой φ=100%, т.е. в точке Б (рисунок 2.37), и процесс смешивания изобразится прямой А–Б.

 

С

А

Б

φ = 100%

tw -const

tw уст

d

i

Рисунок 2.37 – Изображение на i-d-диаграмме процесса смешивания воздуха с насыщенным воздухом граничного слоя

 

Положение точки смеси на прямой зависит от площади поверхности теплообмена, продолжительности контакта, параметров воздуха и воды, их количества. В расчетах используют так называемый коэффициент орошения μ кг/кг, который равен количеству (в кг) разбрызгиваемой воды W на 1 кг воздуха G, т.е.

(2.23)

Обычно принимается, что точка смеси, определяющая параметры воздуха после орошения, устойчиво может находиться на линии φ=90-95%.

При теплообмене температура воды несколько изменяется и для построения процесса принимается некоторая промежуточная температура.

Если вода будет циркулировать по замкнутому циклу, т.е. ей не сообщается и не отводится теплота, то температура воды будет стремиться к некоторой постоянной величине, называемой пределом охлаждения, после него температура воды остается неизменной.

Эта температура может быть найдена на i-d диаграмме, если из точки А, выражающей первоначальное состояние воздуха (рисунок 2.37) провести линию I-const до пересечения с φ=100% в точке С. Тогда изотерма, проведенная из этой точки, покажет искомую установившуюся температуру воды _уст. Эту температуру еще называют равновесной, т.е. одинаковой с температурой воздуха.

Наиболее характерные случаи изменения состояния воздуха при контакте с водой представлены на рисунке 2.38

Начальное состояние воздуха на i-d диаграмме обозначено точкой А

Рисунок 2.38–Изображение на i-d диаграмме процессов тепло- и влагообмена с водой при различных температурах

При контакте воздуха с водой, имеющей температуру больше температуры воздуха (t_w>t_A), происходит увлажнение и нагрев воздуха (А-1). Испарение воды осуществляется целиком за счет ее собственной энтальпии (т.е. теплота, необходимая для испарения, берется от самой воды, вследствие чего вода охлаждается).

При температуре воды равной температуре воздуха (t_w=t_A) воздух увлажняется не изменяя своей температуры (А-2). На испарение расходуется теплота воды.

При температуре воды в точке 3 ниже температуры воздуха, но выше температуры мокрого термометра (t_мA<t_м<t_A) происходит увлажнение и некоторое охлаждение воздуха. Теплота на испарение поступает от воздуха и частично от воды.

Если вода имеет температуру, равную температуре мокрого термометра (t_w=t_мA, точка 4), происходит изоэнтальпийное увлажнение воздуха (А-4). Теплота для испарения поступает только от воздуха и ему же возвращается в виде теплоты парообразования.

В точке 5 температура воды соответствует условию t_pA<t_w<t_мA (t_рА-температура точки росы). Воздух несколько увлажняется и заметно охлаждается (А-5). Теплота воздуха идет на испарение и на нагрев воды.

Если температура воды равна температуре точки росы (t_w=t_рА, точка 6), происходит охлаждение воздуха при постоянном влагосодержании (А-6).

При температуре воды ниже температуры точки росы (t_w<t_pA) воздух интенсивно охлаждается и осушается (А-7). Вода охлаждает воздух и отбирает теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных паров на ее поверхности.

При дальнейшем снижении температуры воды наступит момент, когда луч процесса станет касательным к кривой φ=100% (А-8). При этом температура воды будет t_w8, а направление этой линии является предельным для процессов обработки воздуха водой.

Тепловой баланс камеры орошения при отсутствии потерь теплоты в окружающую среду характеризуется уравнением

 

Q=G (i_H-i_k)=W.с_w.(t_wk-t_wH), (2.24)

где G - расход воздуха, кг/ч;

W -расход воды, кг/ч;

I_н, i_к - начальное и конечное теплосодержание воздуха, кДж/кг;

t_WH,t_WK - начальная и конечная температура воды, ⁰С;

с_w- удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кг ºС).

 

Уравнение можно представить в виде:

. (2.25)

Т.к. то i_H-i_K=μ·с_w(t_WK-t_WH) или (2.26)