Процессы тепло- и влагообмена между водой и воздухом

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 3.1), и процесс смешивания изобразится прямой А-Б.

Рисунок 3.1 – 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. (3.1)

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 3.1) 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 3.2

Начальное состояние воздуха на i-d диаграмме обозначено точкой А

Рисунок 3.2 – 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_м_A<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_м_A, 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_м_A (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), (3.2)

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:

; (3.3)

т.к. то i_H-i_K=μ·с_w(t_WK-t_WH) (3.4)

или . (3.5)

Задача 3.1. Через камеру орошения, в которой разбрызгивается вода, проходит воздух с температурой t и относительной влажностью φ (таблица 3.1). Определить температуру воды t_W_уст., установившуюся в процессе тепло- и влагообмена с воздухом.

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 3.1

Вариант

t, ^оС

φ, %

Вариант

t, ^оС

φ, %

Пример. t=30 ⁰, φ=40 %

Решение. На i-d диаграмме строим точку, соответствующую состоянию воздуха. Из полученной точки по i-const опускаемся до пересечения с φ=100 %. Изотерма, проведенная из этой точки, и есть установившаяся температура воды. t_w_уст.=20⁰С.

Задача 3.2. В камеру орошения поступает воздух с параметрами t₁ и φ₁(таблица 3.2). Он орошается рециркулирующей водой, имеющей температуру предела охлаждения t_w_уст., и увлажняется до φ₂=90%.

Определить на сколько градусов охлаждается воздух, прошедший обработку в камере орошения.

Таблица 3.2 – Исходные данные к задаче 1.2

Вариант

t₁, ^оС

φ, %

Вариант

t₁, ^оС

φ, %

Пример.

t₁=28 ⁰, φ₁=40 %

Решение. На i-d диаграмме строим точку, соответствующую состоянию обрабатываемого воздуха (t₁=28 ⁰, φ₁=40 %). Из полученной точки по 1-const опускаемся до пересечения с φ₂=90 %. Изотерма этой точки – это температура предела охлаждения t_w_уст.=19,5⁰С. Следовательно, воздух охладится на 28-19.5=8,5ºС.

Задача 3.3. Воздух в количестве G с параметрами t₁, d₁ (таблица 3.3) увлажняется в адиабатной камере орошения (без подвода и отвода теплоты) оборотной рециркуляционной водой до φ=95%.

Определить параметры увлажненного воздуха t₂ и d₂, количество испарившейся воды W, которую надо добавлять в оборотный цикл, и температуру мокрого термометра t_м.

Таблица 3.3 – Исходные данные к задаче 3.3

Вариант
G, кг/ч
t₁,ºС
d₁,г/кг	1,5	1,5	1,2	1,5




2,4	3,5	2,5	2,5	1,5

Пример. G=21800 ; t₁=22ºC, d₁=0.8 .

Решение. На i-d диаграмме строим точку 1, соответствующую начальному состоянию обрабатываемого воздуха (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 – К задаче 3.3

Из точки 1 проводим адиабату по i-const до пересечения с φ=95 %.

Получаем точку 2, соответствующую состоянию увлажненного воздуха t₂=8ºC; d₂=6,3 .

Количество испарившейся воды W=G(d₂-d₁),

W=21800(6,3-0,8)=119900 ,

т.е. в оборотный цикл надо добавлять 119,9 воды.

Продолжив прямую 1-2 до пересечения с φ=100%, получим температуру мокрого термометра t_м=7,7ºС.

Задача 3.4. В рабочей зоне помещения необходимо обеспечить t_в, ºС, φ_в, % (таблица 3.4). Приточный воздух, подаваемый в помещение в количестве G_пр, , имеет влагосодержание d_пр, . Увлажнение воздуха в цехе производится путем распыления воды с полным ее испарением.

Определить с какой температурой t_пр должен подаваться приточный воздух и какое количество воды W необходимо разбрызгивать в помещении.

Таблица 3.4 – Исходные данные к задаче 3.4

Ва-ри-ант
t_в,˚С
φ_в,%
G_пр, кг/ч
d_пр, г/кг	0,8	2,5	1,5	0,8	2,5	1,5





3,5	0,5	1,5	0,5	0,5	1,5

Пример: t_в=22º, φ_в=70%, G_пр=17600 , d_пр=0,9 .

Решение. При испарении воды в воздух помещения теплосодержание его будет повышаться за счет теплосодержания воды, однако настолько незначительно, что в практических расчетах им пренебрегают и процесс увлажнения воздуха считают адиабатическим.

Наносим на i-d-диаграмму точку В, соответствующую параметрам внутреннего воздуха. От нее проводим адиабату i_в-const до пересечения с d_пр, получаем точку П, соответствующую состоянию приточного воздуха. Температура точки П t_пр=49,4˚.

Количество воды, распыляемой в помещении W=G_пр(d_в-d_п),

W=17600(11.8-0.9)=191900 .

Рисунок 3.4 – К задаче 3.4

Задача 3.5. Воздух в количестве L, , с температурой t₁, ˚С и относительной влажностью φ₁, % (таблица 3.5) обрабатывается в адиабатической камере орошения, в результате чего его температура снижается до t₂ ºC, а относительная влажность увеличивается до φ₂, %.

Температура воды, орошающей воздух, повышается с t_WH=12ºC до t_WK=15ºC.

Определить расход воды на орошение воздуха и коэффициент орошения.

Таблица 3.5 – Исходные данные к задаче 3.5

Вариант
L,
t₁,ºС
t₂,ºС	21,5	27,5	20,5	21,8
φ₁ %
φ₂ %

Пример: L=5000 ; t₁=30ºC; φ₁=50%; t₂=23ºC; φ₂=80%; t_WH=12ºC; t_WK=15ºC.

Решение. По заданным значениям t₁ и φ₁ на i-d-диаграмме строим точку 1, соответствующую начальным параметрам обрабатываемого воздуха. По положению точки находим: d₁=13,2 ; i₁=64 .

Аналогично строим точку 2, соответствующую состоянию обработанного воздуха, находим: d₂=14 ; i₂=58,7 .

Плотность обрабатываемого воздуха

; .

Масса обрабатываемого воздуха G=L ;

G=5000·1,165=5825 .

Количество теплоты, потерянной воздухом по формулам (3.2), Q=5825(64-58,7)=30873 .

Рассматривая теплообмен в камере орошения как адиабатический процесс, можем с небольшой погрешностью считать, что вся теплота воздуха передается воде. Тогда расход воды W в камере орошения можно определить по преобразованной формуле (3.2)