Процессы тепло- и влагообмена между воздухом и водой

В процессе увлажнения или осушки, а часто и при охлаждении, и при

нагреве воздух вводят в контакт с водой. Для этого его пропускают через

камеры, в которых разбрызгивается вода, или продувают через пористые

слои либо оребренные поверхности, орошаемые водой.

Обычно предполагают, что тонкий слой воздуха на поверхности во-

ды оказывается полностью насыщенным водяными парами, а его темпера-

тура равна температуре воды. Состояние воздуха в этом слое можно опре-

делить по температуре воды, считая его относительную влажность φ рав-

ной 100 %. При таком предположении процесс тепло- и влагообмена меж-

ду воздухом и водой можно рассматривать как процесс смешения основно-

го потока воздуха с насыщенным воздухом в тонком слое, контактирую-

щем с водой. При тепломассообмене температура воды несколько изменя-

ется и для построения процесса принимается некоторая промежуточная

температура. Параметры смеси на прямой, соединяющей точку состояния

воздуха с точкой, определенной температурой воды на линии φ = 100 %,

зависят от площади поверхности теплообмена, продолжительности кон-

такта, а также параметров воздуха и воды. В расчетах используют так на-

зываемый коэффициент орошения В, который равен количеству (в кг)

разбрызгиваемой воды на 1 кг воздуха, а также учитывают направление

луча процесса и конструктивные особенности камеры. Обычно принимает-

ся, что точка смеси, определяющая параметры воздуха после орошения,

устойчиво может находиться на линии φ = 90 – 95 %. Из этих условий и

рассчитывают режим орошения.

Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев изменения со-

стояния воздуха при контакте с водой.

Пусть начальное состояние воздуха соответствует точке А на I-d -

диаграмме, представленной на рис. 3.6. При температуре воды, соответст-

вующей точке 1 (tw > tA), будет происходить увлажнение и нагрев воздуха.

Испарение воды осуществляется целиком за счет ее собственной энтальпии.

Рис. 3.6. I-d -диаграмма характерных процессов тепло- и влагообмена воздуха с водой при различных ее температурах

При температуре воды в точке 2 (t_w = t_A) воздух увлажняется, не из-

меняя своей температуры. На испарение расходуется теплота воды. При

температуре воды в точке 3 (t _{м A} < t_w < t_A) происходит увлажнение и неко-

торое охлаждение воздуха Теплота на испарение поступает от воздуха и

частично от воды. Если вода имеет температуру мокрого термометра

(t_w = t _{м A} , точка 4), происходит изоэнтальпийное увлажнение воздуха. Теп-

лота для испарения поступает только от воздуха и ему же возвращается в

виде теплоты парообразования. В точке 5 температура воды соответствует

условию t р A < tw < t м A. Воздух несколько увлажняется и заметно охлаждается. Теплота воздуха идет на испарение и на нагрев воды. В точке 6(tw = t р A) происходит охлаждение воздуха при неизменном влагосодержании (сухое охлаждение). При tw < t р A (точка 7) воздух интенсивно охлаждается и осушается. Вода охлаждает воздух и отбирает теплоту, выделившуюся при конденсации водяных паров на ее поверхности.

Фактически процесс изменения состояния воздуха при контакте с

водой в оросительном пространстве происходит на I-d-диаграмме не по

прямой, а по сложной кривой. Если развитие этого процесса во времени

разбить на конечные отрезки, то можно проследить его вероятный

характер. Рассмотрим случай, когда температура разбрызгиваемой воды

ниже температуры точки росы поступающего в камеру воздуха и когда потоки воздуха и воды движутся параллельно (рис. 3.7).

В первый расчетный интервал

времени малая часть орошаемого

воздуха войдет в контакт с поверхностью капель и приобретет начальную температуру воды t1 и φ =100 %. Эта часть воздуха смешивается с остальной массой воздуха, имеющей параметры точки 1, и точка смеси 2 будет находиться на прямой линии, соединяющей точку воздуха начального состояния 1 и точку на линии φ = 100 %, соответствующую начальной температуре воды t1. В начале второго расчетного интервала в результате теплообмена с воздухом температура воды повысится до t2, а воздух будет иметь параметры точки смеси 2. За второй интервал времени часть воздуха приобретает параметры t2 и φ = 100 %. Образуется новая смесь воздуха, состояние которой определяется точкой 3, а вода повысит свою температуру до t3, и т.д.

В первом интервале времени (в начале процесса) теплообмен между

водой и воздухом будет протекать интенсивно за счет явного и скрытого

обмена теплом при большом перепаде температур. Если температура воды поднимется выше температуры точки росы воздуха, интенсивность теплообмена резко уменьшится: прекратится отдача скрытого тепла конденсацией, и по мере повышения температуры воды начнется испарение, увлажнение воздуха и передача ему тепла парообразования. Воздух будет отдавать явное тепло воде, но частично оно будет возвращаться воздуху в виде скрытого тепла водяного пара. Изменение температуры воды и воздуха будет происходить медленнее. Постепенно температура воды будет продолжать повышаться, энтальпии воздуха на поверхности воды и очередной смеси движущегося воздуха будут приближаться друг к другу. В конце концов вода приобретет температуру мокрого термометра текущей смеси воздуха, энтальпия которой будет равна энтальпии воздуха на поверхности контакта с водой. Начиная с этого момента процесс увлажнения воздуха будет адиабатическим: температура воздуха будет понижаться, не изменяя энтальпию, а температура воды будет оставаться неизменной и равной температуре мокрого термометра воздуха (см. рис. 3.7 точки 4, 5 и 6).

Подобного рода рассуждения остаются справедливыми и для условий, когда начальная температура воды выше температуры точки росы и

ниже температуры мокрого терм-метра воздуха. Ход такого изменения состояния воздуха показан на рис. 3.8. Несколько иначе развивается процесс при температуре воды,

большей температуры мокрого термометра воздуха, поступающего в камеру. Разница состоит в том, что

температура воды будет понижаться и стремиться достигнуть температуры мокрого термометра смеси

воздуха некоторого текущего со-

стояния. Развитие этого процесса показано на рис. 3.9. На рис. 3.10 показан пример подобного построения для противотока [16].

В практических расчетах задачу упрощают и считают, что изменение состояния воздуха, как выше сказано, определяется прямой линией, соединяющей точку начального состояния воздуха и некоторую промежуточную точку состояния воды. При расчетах обычно нужно знать параметры воздуха после его контакта с водой и температуру воды, обеспечивающую заданное направление луча процесса. Конечные параметры воздуха определяются точкой 2 пересечения луча e изменения состояния воздуха, характеризуемого начальными параметрами I1, d1, с линией φ = 90 – 95 %. Температура воды t (промежуточная, условная) определится точкой пересечения этого луча с линией φ = 100 %. Параметры точки пересечения легко определить графическим построением на I-d-диаграмме, как это показано на рис. 3.10.