空气与水直接接触热质交换顺流和逆流过程特性比较

   利用水与空气之间的热质交换来实现的蒸发冷却技术越来越受到重视并有快速发展之势[1]。空气与水之间的热质交换有直接接触与间接接触之分。化工和空调系统中常用的冷却塔和喷水室等设备中空气与水的热质交换属直接接触热质交换。文献[2]对空气与水逆流直接接触的热质交换过程,推导出了通用的热质交换过程关系式并给出了计算方法。本文基于上述理论模型和通用公式,利用MATLAB软件对一冷却减湿过程进行计算,对空气与水顺流和逆流直接接触的热质交换过程进行比较分析。

    1 模型及公式

    假设: (1)空气温度和水温度在沿空气流动方向某一垂直截面上均匀一致。(2)在垂直空气流动方向每一截面上,空气与水充分接触,传热面积等于传质面积。(3)与水表面接触的空气层为饱和状态,且空气温度twas等于水温度tw。与水表面接触的饱和空气层内的空气含湿量dwas 为水温度tw的单值函数,表示为dwas(tw)。(4)空气质量流量Ga,水质量流量Gw沿空气流动方向不发生变化。(5)空气和水与外界无能量和质量交换。(6)空气和水的物性参数为常数。

    经推导[2],空气与水逆流直接接触热质交换过程有如下通用关系式:

    同样对空气与水顺流直接接触热质交换过程,可推导出如下通用关系式:

    式(1)~式(8)中NTUm=K_dbSL/Ga为传质单元数,NTU_h=AbSL/(Gacpa)为传热单元数,B=Gw/Ga为水气比。ta1、d_a1、t_a2、d_a2、t_w1、t_w2分别是空气和水的进出口状态参数,NTUm、NTUh、B是过程的量纲1量。由于dwas(tw1)、dwas(tw2)分别是tw1、tw2的单值函数,所以式(1)~式(4)和式(5)~式(8)中分别共有9个变量。只要知道其中5个,则理论上可求取其余4个。

    如果已知空气和水的进口状态参数ta1、da1、tw1和量纲1量NTUm、β,利用MATLAB数学软件编制上述方程组和空气状态参数的M文件后,用fsolve工具可以很快地求出给定条件下的空气和水的出口状态参数ta2、da2、tw2以及量纲1量NTUh。

    根据热交换效率系数G1和接触系数G2的定义[3]

    2 计算与分析

    在一定的给定条件下(ta1=27℃,tas1=1915℃,tw1=7℃),对某一空气冷却减湿过程用式(1)~式(4)和式(5)~式(8)分别计算,结果如下。

    图1~图6给出了水气比β一定时,顺流和逆流热质交换过程的NTUh、空气与水进口状态参数以及热交换效率系数η1和接触系数η2随NTUm的变化之间的比较。

    由图1可以看出,当β一定时,顺流的传热单元数NTUh随传质单元数NTUm的增加而增加较逆流的大。由于NTUh/NTUm=α/(Kdcpa),所以同样的传热系数时,顺流的传质系数比逆流的要小。同样的传质系数时,顺流的传热系数比逆流的要大。