普通喷水室的热工学分析

1.喷水室的热交换效率E和E′　在喷水室的热工计算中，常用到这两个热交换效率，并且用它们来评价喷水室的热工性能。E和E′表示的是喷水室的实际处理过程与喷水量有限但接触时间足够充分的理想过程的接近程度。

（1）全热交换效率E。把实际过程的变化与理想过程的变化比较即是全热交换效率E。对于冷却减湿过程，空气的状态变化和水温的变化如图7－31所示。当空气与水接触时，如果热湿交换充分，空气状态将由点1变到点3，水温将由点5的tw1变到点3的t3。但是在实际条件下，空气状态只能达到点2，水温也只能达到点4的tw2。

图7－31冷却减湿过程空气与水的状态变化

如果把空气状态变化的过程沿等焓线投影到饱和曲线上，并近似地将这段饱和曲线看成直线，则全热交换效率E可表示为：

数学整理后得：

由此可见，E是同时考虑空气和水的状态变化。当ts2＝tw2时，空气终状态在饱和线上与水的终状态重合，E＝1。当ts2与tw2的差值愈大，E值愈小，说明热湿交换愈不完善。

（2）通用热交换效率E′。喷水室的通用热交换效率E′只考虑空气状态变化。由图7－31可知。如果把1′3段饱和曲线近似的看成直线，则Δ131′与Δ232′几何相似，因此

对于等焓加湿过程，由于可以将空气的状态变化看做等焓过程，所以空气初、终状态的湿球温度相等，而且水温不变，并等于空气的湿球温度，即空气的状态变化过程线在饱和曲线上的投影成了一个点，图7－32所示。在这种情况下，E已无意义，所以喷水室的热交换效果只能用表示空气状态变化完善程度的E′来表示。

图7－32　绝热加湿过程
空气与水的状态变化

2.影响喷水室热交换效果的因素及两个效率的实验式　影响喷水室热交换效果的主要因素可归纳为以下三个方面。

（1）空气质量流速的影响。喷水室内的热湿交换首先取决于与水接触的空气流动状况。风速大，对流换热系数（显热交换量）亦大，而对流传质系数（潜热交换量）亦大，并在风量一定的情况下可缩小喷水室的断面尺寸，从而减少占地面积。但风速大，会使空气与水的接触时间减少，流经挡水板的过水量及喷水室阻力增加，能耗增大。在喷水室中，空气的流动速度常常采用空气质量流速vρ（v为空气流速m/s；

ρ为空气密度kg/m3）。空气质量流速是指单位时间内通过1m2喷水室断面的空气质量，它不会因在流动过程中温度变化而变化，其单位是kg/（m2·s）。普通喷水室中vρ一般取2.5～3.5kg/（m2·s）。

（2）喷水系数的影响。喷水系数也称为水气比，是指每处理1kg空气耗用的水量。如果通过喷水室的风量是G（kg/h），总喷水量为W（kg/h），则水气比为：

在一定的范围内加大喷水系数，空气状态的变化趋近于理想过程，但喷水系数过大，不仅水泵型号变大，耗水量和耗电量也要增加。对于不同的空气处理过程，喷水系数的数值具有一定的范围，应由喷水室的热工计算决定。一般对冷却干燥过程，μ＝0.75～0.85；对等焓加湿过程，μ＝0.5～0.7。

（3）喷水室结构的影响。喷水室的结构主要是指喷嘴排数、喷嘴密度、排管间距、喷嘴形式和喷水方向等，它们对喷水室的热交换效率均有影响。结构不同的喷水室处理空气时，即使vρ和μ值完全相同，也会得到不同的效果。

①喷嘴排数。单排喷嘴的热交换效果比双排的差，但三排喷嘴的热交换效果和双排的差不多，所以工程中都采用双排喷嘴。

②喷嘴密度。1m2喷水室断面上布置的单排喷嘴个数称为喷嘴密度。喷嘴密度过大时，水苗互相重叠，不能充分发挥各自的作用。喷嘴密度过小时，则水苗不能覆盖整个截面，致使部分空气旁通而引起热交换效果降低。因此，喷嘴密度和喷嘴孔径形式、计算喷水量、喷嘴的喷水雾化角有关。一般纺织空调喷嘴密度为13～24个/（m2·排），靶式喷嘴密度为4～8个/（m2·排）。

③喷水方向。在单排喷嘴的喷水室中，逆喷比顺喷热交换效果好，在双排的喷水室中，对喷比两排均逆喷效果好。这主要是因为单排逆喷和双排对喷时水苗能更好地覆盖喷水室断面的缘故。如果采用三排喷嘴，则常采用一顺两逆的喷水方式。

④喷嘴孔径。喷水室内水滴的粗细会影响空气与水的接触面积，影响水滴边界层的饱和水蒸气分压力，因而对热交换效果影响较大。一般在空气的绝热加湿过程中常采用细喷，冷却去湿过程宜采用中喷或粗喷。喷嘴孔径小则喷出水滴细，但是孔径小则易堵塞，需要的喷嘴数量多。由于纺织厂空气中含尘较多，应优先采用孔径较大的喷嘴。

⑤空气与水的初终参数的影响。对于一定的喷水室而言，空气和水的初终参数决定了喷水室内热湿交换推动力的大小和方向，因此改变空气与水的初终参数，可以导致不同的热湿处理过程。根据实验，在绝热加湿过程中的热交换效率比冷却去湿时要高，即喷水室的绝热加湿过程可以采用较小的喷水量。

由于热交换的复杂性及影响因素多。一般是用实验的方法，为各种结构的喷水室进行实验取样，然后将实验数据进行整理，得出经验公式。因此，在用这些计算公式时，不能超越其适用范围。

由于对一定结构的喷水室，处理空气的E和E′只取决于vρ和μ，所以可将实验数据整理成E或E′与vρ和μ的函数式：

上式的A、A′、m、m′、n、n′均为实验的系数和指数。表7－7列出了Y－1型喷嘴热交换效率实验公式。当采用定型喷水室产品时，E和E′的值可直接采用生产厂家提供的准确实验数据。

表7－7　热交换效率实验公式

续表

实验条件：①Y－1型喷嘴，孔径为5mm，13个/（m2·排）；②vρ＝1.5～3.0kg/（m2·s）；③水气比，单排为0.5～1.2，双排0.8～2.3。

3.喷水室的热工计算任务　对既定的空气处理过程，选择一定结构的喷水室来实现以下三个过程。

（1）该喷水室能达到的E应该等于空气处理过程需要的E。（2）该喷水室能达到的E′应该等于空气处理过程需要的E′。

（3）该喷水室喷出的水能够吸收（或放出）的热量应该等于空气失去（或得到）的热量。上述三个过程可以用下面三个方程式表示：

式中：c——水的比热，取4.19kJ/（kg·K）。

由于计算中常用湿球温度而不用空气的焓，故引入空气的焓与湿球温度的比值a，并用下式代替式（7－12）：a值取决于湿球温度本身和大气压力，在空气调节的常用范围内，部分a值列于表7－8。

表7－8　空气的焓与湿球温度的比值表

4.冷冻水量和循环水量的计算　在设计计算中，如果计算的喷水初温tw1高于冷源水温度tL，此时需要使用一部分循环水，同时需要的冷源水量WL和循环水量WX可按下式求得：

式中：h1、h2——空气的初、终状态的焓，kJ/kg。

如果计算的喷水初温tw1低于冷源水温度tL，此时可取冷源水温度等于喷水初温，但需依下式修改喷水系数：

式中：tw1、μ——第一次计算时得到的喷水初温和喷水系数；

、μ′——新的喷水初温和相应的喷水系数；

tl1——空气初状态的露点温度。

在纺织厂空调中，经常使用深井水等天然冷源，而冷源温度往往高于计算得到的喷水初温，此时可用上式计算出的喷水系数，通过加大喷水量，同样可以达到制取相同冷量的目的。

5.单级喷水室的热工计算　通常用喷淋排管中的水温是否相同来划定喷水室的级数。图7－33所示的单级喷水室中各排管喷出的水具有相同的温度。在单级喷水室中，处理后的空气相对湿度一般可达到90％～95％。

图7－33　单级喷水室

喷水室的热工计算，依据计算的目的不同，可分为设计性计算和校核性计算两种类型。设计性计算多用于选择喷水室结构、喷水量、喷水初温和终温，以满足已知空气初终参数的要求；校核性计算多用于检查已确定了结构的喷水室，将具有一定初参数的空气能处理到什么样的终参数。

（1）热工设计性计算。热工设计性计算步骤见表7－9。

已知条件：①空气量G，②空气初终状态参数：t1、t2、ts1、ts2、h1、h2。

求解：①喷水量W，②水的初终温度tw1、tw2，③喷水室结构。

表7－9　单级喷水室热工设计性计算步骤

【例7－1】已知需处理的空气量G为20000kg/h；当地大气压力为101325Pa；空气初参数为：t1＝30℃，ts1＝23.8℃；需处理的空气终参数为：t2＝22℃，ts2＝20.8℃；冷源水温tL＝7℃。求喷水量W、喷嘴前水压P、水的初温tw1、终温tw2、冷冻水量WL及循环水量WX。

解：①选Y－1型离心式喷嘴，d0＝5mm，n＝13个/（m2·排）和双排对喷的喷水室，取vρ＝3kg/（m2·s）。

②根据空气的初终参数和处理要求可得需要的喷水室通用热交换效率为：

根据表7－7查得相应的喷水室的E′实验公式为：

E′＝0.755（vρ）0.12μ0.27

根据式（7－11），E′＝0.755（vρ）0.12μ0.27＝0.81

将vρ＝3kg/（m2·s）代入上式得：

E′＝0.755×30.12μ0.27＝0.81；μ＝0.798

③由表7－7查出相应的喷水室的E实验公式，根据式（7－10）列出方程：

将ts1＝23.8、ts2＝20.8、vρ＝3、μ＝0.798代入上式可得：(www.xing528.com)

④查表7－8，当ts1＝23.8℃时a1＝3.01，h1＝a1×ts1＝71.6（kJ/kg）。

当ts2＝20.8℃时a2＝2.90，h2＝a2×ts2＝60.32（kJ/kg）。

根据热平衡方程式（7－13），将已知数代入可得：

a1ts1－a2ts2＝μ·c（tw2－tw1）

3.01×23.8－2.9×20.8＝0.798×4.19（tw2－tw1）

⑤联立解方程式（1）和（2）得：

tw1＝15.38℃；tw2＝3.38＋15.38＝18.76（℃）

⑥求喷水量、喷嘴前水压。

总喷水量为：W＝μG＝0.798×20000＝15960（kg/h）

根据已知条件知喷水室断面为：

两排喷嘴的总喷嘴数为：N＝2nA＝2×13×1.85＝48个

根据总喷水量和喷嘴总数，知每个喷嘴的喷水量为：

根据每个喷嘴的喷水量332.5kg/h及喷嘴孔径d0＝5mm，查图7－17，可得喷嘴前所需水压为1.2×105Pa（表压）。

⑦求冷冻水量及循环水量。根据前面计算知tw2＝18.76℃，已知冷冻水温tL＝7℃，则根据式（7－14），可得需要的冷冻水量为：

同时可得需要的循环水量为：

WX＝W－WL＝15960－4578＝11382（kg/h）

（2）热工校核性计算。热工校核性计算步骤见表7－10。

已知条件：①空气量G，②空气初状态t1、ts1、h1，③水量W，④水初温tw1。

求解：①空气终状态t2、ts2、h2，②水终温tw2。

表7－10　单级喷水室热工校核计算表

【例7－2】在例7－1中已知G＝20000kg/h，t1＝30℃，ts1＝23.8℃，tl1＝21.7℃。并通过计算得到μ＝0.798，tw1＝15.38℃，W＝15960kg/h。求当采用深井水（tL＝16℃）时新的喷水量和空气的终参数。

解：因为tw1低于冷源水温tL，则t′w1＝tL＝16℃，依据式（7－16）可求出新水温下的喷水系数：

于是可得新条件下的喷水量为W′＝μ′G＝0.89×20000＝17800（kg/h），利用新的μ′＝0.89和＝16℃计算该喷水室能够得到的空气终状态。

由　

将已知数代入得：

由式（7－13）知：a1ts1－a2ts2＝μ′·c（tw2－t′w1）

查表7－8，当ts1＝23.8℃a1＝3.01，由于ts2尚属未知，故暂设a2＝2.87代入上式得：

3.01×23.8－2.87ts2＝0.89×4.19（tw2－16）

联立解方程式（1）和（2）可得：ts2＝20.86℃，tw2＝19.14℃

将已知数代入上式得：

所以t2－ts2＝0.992，得t2＝0.992＋ts2＝0.992＋20.86＝21.85（℃）

由ts2＝20.86℃查表7－8知a2＝2.90，证明所设正确。空气的终参数与例7－1要求基本相同。

6.双级喷水室的热工计算　双级喷水室是两个单级喷水室串联起来的喷水室。即空气先进入第一级喷水室，再进入第二级喷水室，而冷水是先进入第二级喷水室，然后再由第二级的底池抽出供给第一级喷水室（图7－34）。这样，空气在二级喷水室中均能得到较大的焓降，同时通过二级喷水室后也可以得到较大的水温升。在各级喷水室中空气与水的温湿度变化情况见图7－34的下部和图7－35。

图7－34　双级喷水室原理图

图7－35　双级喷水室中空气与水的状态变化

（1）双级喷水室的主要特点。

①被处理的空气温降、焓降均较大，空气的终状态可达到95％以上，甚至可达到饱和。

②冷却除湿时，在第一级中高温空气被循环水喷淋处理，空气温降较大；而第二级用温度较低的水喷淋，空气减湿量较大。

③由于水与空气逆向流动，且两次接触，使得水的终温提高很多，甚至可能高于空气终状态的湿球温度。因此，在吸收同样空气热量时可以节省水量。二级喷水室的E可能大于1，E′则可能等于1。

（2）双级喷水室适用场合。

①当用深井水作为冷源时，为了能提高喷水室的出水温度，充分发挥深井水的冷却作用，减少深井水的用水量，常采用双级喷水室。

②当深井水温不能满足冷却空气的要求时，有时可在第一级喷射深井水，对空气进行预处理，然后用冷冻水在第二级喷淋，这样可减少冷冻机的冷负荷。

③当只有冷冻水作冷源时，如冷冻水的室外干线较长，为减少管路输送的冷冻水量，以缩小管路的管径，减少管路损耗的冷量，也可采用双级喷水室。

④当需要对车间进行大量加湿，仅仅开启一级喷水室达不到加湿要求时，可采用双级喷水室，这时被处理后的空气终状态相对湿度较高，甚至可接近100％。

在双级喷水室中，通常每一级的喷水量是相同的，即μ1＝μ2。在进行喷水室热工计算时可作为一个喷水室看待，而不必求空气的中间状态参数。目前在我国纺织厂中，双级喷水室的喷水系数一般取：μ1＝μ2＝0.5～0.7。

（3）双级喷水室热工设计计算步骤（表7－11）。

已知条件：①空气量G，②空气初终状态参数：t1、t2、ts1、ts2。

求解：①喷水量W，②水的初终温度tw1、tw2。

表7－11　双级喷水室热工设计计算步骤表

【例7－3】根据例7－1给定的条件，在供给深井水温为tL＝15℃时，试求双级喷水室的喷水量，水的初温和终温，制冷量及深井水量。

解：①喷水室所需要的喷水系数：取μ1＝μ2＝0.6。

②由表7－7查出相应的喷水室的E实验公式，取vρ＝3、μ＝0.6。

E＝0.945（vρ）0.1μ0.38＝0.945（3）0.1（0.6）0.36＝0.87

③喷水的初温和终温：

h1－h2＝μ·c（tw2－tw1）

将已知E、h1、h2、ts1、ts2和μ值代入上两式，并联立求解，可得：

tw1＝15.19℃，tw2＝19.68℃

④每一级喷水量：W＝μG＝0.6×20000＝12000（kg/h）

⑤喷水室所需要的制冷量：

Q0＝G（h1－h2）＝20000×（71.6－60.32）＝225600（kJ/h）＝62.67（kW）

⑥深井水量：