华北理工水质工程学Ⅰ课件23水的冷却-3水冷却的理论基础

§23-3水冷却的理论基础一、湿空气的性质：多种气体（干空气）（N2、O2、1、空气的组成：CO2……）水蒸气（H2O）大气中的水蒸气含量低，大都处于过热状态。过热状态：——水蒸气的不饱和的状态，或者说——水蒸气温度高于其饱和温度。(一)、湿空气的热力学参数：1、压力：（1）、湿空气的压力：P=Pg+Pq（KPa）Pg—干空气的分压力，Pq—水蒸气的分压力。由理想气体状态方程：PV=G′RT10-3G′——气体质量（㎏），V——气体体积,（m3）T——气体绝对温度，R——气体常数。方程用于干空气和蒸气得：Pg=ρgRgT10-3（KPa）Pq=ρqRqT10-3（KPa）ρgρq——干空气和水蒸气的密度㎏/m3Rg—干空气的气体常数，Rg=287.14J/kg·KRq—蒸气的气体常数，Rq=461.53J/kg·K(2)饱和水蒸气的分压力：空气在某一恒温下，吸湿能力达到最大时，空气中的水蒸气处于饱和状态，称为饱和空气。这时水蒸气的分压称为饱和蒸气压力。(Pq″)水蒸气的分压Pq在0~Pq″范围内变化。Pq″与温度的关系：温度范围：0~100℃纪利公式：T——为绝对温度，KT=273.15+θ，θ——气温（℃）Pq″——饱和蒸气压。（㎏f/㎝2）TTlgTPlgq16.3730024804.015.3732.815.3731010142305.30141966.0332、湿度：（1）、绝对湿度——每m3湿空气中所含水蒸气的质量。其值等于密度ρq同样，饱和空气的绝对湿度ρq″333/53.4611010mkgTPTRPqqqq33/10mkgTRPqqq（2）相对湿度（湿度比）（φ）空气的绝对湿度ρq和相同温度下饱和空气的绝对湿度ρq″的比值：饱和时：φ=1.0由Pq和Pq″公式，可知：还可得：θ，τ—空气的干、湿球温度℃Pθ″Pτ″——θ和τ的饱和水蒸气压力,kPaP——大气压力。kPaqqqqPPPPP)(00062.0（3）含湿量：（比湿）在含有1㎏干空气的湿空气混合气体中，所含水蒸气的质量x㎏。（kg/kg)可得饱和时φ=1.0含湿量达到最大值(x″)已知含湿量x，可求得Pq、Pq″qgxqqqqPPP622.0PPP622.0xqqPPP622.0xPxxPq622.0PxxPq622.03、湿空气的密度（ρ）:1m3湿空气中所含的干空气和水蒸气在各自分压下的密度（ρg；ρq）之和。ρ=ρg+ρqkg/m3由前面的公式可计算也可查图表。3qq3gq10TRP10TRPP)333/()273(53.461101027314.287mKgPPPqq4、湿空气的比热：（Csh）(kJ/kg·℃)使总质量为1kg的湿空气（干空气+xkg水蒸气），温度升高1℃所需的热量。Csh=Cg+CqxCg—干空气的比热(kJ/kg·℃)Cg≈1.0kJ/kg·℃压力一定，温度100℃Cq—水蒸气比热(kJ/kg·℃)Cq≈1.84kJ/kg·℃∴Csh=1.0+1.84x(kJ/kg·℃)在冷却塔中常用Csh=1.05kJ/kg·℃5、湿空气的焓:（i）表示气体含热量大小的数值叫焓。（物化中称为内能）湿空气的焓=1kg干空气的含热量+含湿量xkg水蒸气的含热量i=ig+xiqig—干空气的焓kJ/kgiq—水蒸气的焓kJ/kgx—含湿量kg/kg焓是能量的量度，应有一个计算起点，国际水蒸气会议规定：在水蒸气的热量计算中，以水温为0℃的水热能量为零。干空气:ig=Cgθ=1.00θ(kJ/kg)θ—干空气的温度℃(1)从0℃的水汽化成0℃的蒸气所吸收的热量；水蒸气：iqγo=2500kJ/kg（气化比热）（2）蒸气由0℃温升至θ℃吸收的热量CqθCq=1.84kJ/kg·℃∴iq=γo+θCq=2500+1.84θ∴i=ig+xiq=1.00θ+(2500+1.84θ)x=(1.00+1.84x)θ+2500x=Cshθ+γox(kJ/kg)显热潜热（气化热）与θ有关（二）湿空气的焓湿图φ、P、i、θ的关系图：由φ、P、θ求i。工作中一般用查图很少计算（但以后计算机将用公式计算）(三)湿球温度(τ)和水的理论冷却极限:1、湿球温度计的构成：2、湿球温度计的工作：要求风速3~5m/s，不准日晒，是热传导和蒸发平衡时的水温。3、湿球温度是当地的气象条件，是重要的空气热力学参数。是水可能被冷却的最低温度，是水冷却塔的理论极限值。常规冷却出水水温比τ大3~5℃。二、水的冷却原理：1、蒸发散热：水分子由液→气的物理过程。（1）饱和气膜——水面饱和气层→扩散到大气气膜温度（水面水温）（2）水分子往返平衡时——空气达到饱和。蒸发动力(湿空气的分压差)△Pq=Pq″－Pq（3）加速蒸发散热的措施：A、增加接触面积；B、加速空气流速（扩散降低空气的含湿量）。ftt2、热传导：水温＞气温气温＞水温水热量→气气热量→水表面接触传导，造成水和空气的异重流。（对流）热传导动力是温差（tf-θ）3、辐射作用：作用很小，工程上不考虑。（实验获取参数时包含了辐射作用）4、蒸发与传导的共同作用传热量H：蒸发传热量Hβ，传导传热量Hα（1）当tfθH=Hα+Hβ冷却塔的常规工作。（2）当tf=θH=Hβ个别冷却塔的工作工况。(3)当tf＜θH=Hβ一Hα蒸发散热量=空气传给热量(4)当tf=τ＜θH=0液面温度达到冷却极限值τ∴H=05、四季的变化：冬季θ↘Hα↗Hα占主导50~70%（传导传热）夏季θ↗Hα↘并且多数情况φ↗Hβ↘但Hβ可保证冷却量。设计按最不利情况：夏季。三、冷却散热量1、单位时间内接触传热量dHα=α(tf－θ)dF（kJ/h）tf－θ—水和空气的温差℃α—接触传热(热传导)系数kJ/㎡.h.℃dF—传热面积㎡2、单位时间内蒸发散热量：蒸发水量：dQu=βp(Pq″－Pq)dF（㎏/h）βp—以分压差为基准的散质系数㎏/㎡.h.KpaPq″－Pq——空气中的蒸发分压差。还可：dQu=βx(x″－x)dF（㎏/h）βx—以含湿量差为基准的散质系数；㎏/㎡.h.x″－x—空气中的含湿差。㎏/㎏蒸发带走的热量：dHβ=γ0dQu+Cq(θ－tf)dQu可忽略3、水散发的总热量：HdH=dHα+dHβ≈α(tf－θ)dF+γ0dQu=α(tf－θ)dF+γ0βx(x″－x)dF（kJ/h）塔中填料总面积为F（水滴总面积或水膜总面积）则:式中：tf；θ；x是接触面积中的位置函数（很复杂）用平均值代替：(tf－θ)m——塔内水温与空气温差的平均值；℃(x″－x)m——塔内空气含湿量差的平均值。㎏/㎏（干）则：dFxxdFtdHHFxFfH0000FxxFtHmxmf0PxxP8.0161.1∑x=x1″+x2″+x1+x2x1″、x2″——空气进出塔温度t1、t2时，对应空气饱和含湿量；㎏/㎏（干）x1、x2——进出塔空气含湿量；㎏/㎏（干）P——大气压。习惯上：填料用体积V，而不用面积F。∴dH=dHα+dHβ=αv(tf－θ)dV+γ0βxV(x″－x)dVαv——容积散热系数；kW/m3.℃或kJ/m3.h.℃βxV——与含湿量差有关的淋水填料的容积散质系数。kg/m3·hV——淋水填料体积。VFvVFxxv