空气流经湿帘水膜通道热湿交换过程的焓传递分析与计算
卓献荣， 陈 姝
仲恺农业工程学院 机电工程学院， 广州 510225
[摘要]针对未饱和的空气流经湿帘水膜通道时发生的热湿交换特点，提出把湿空气与水膜直接接触的热湿交换过程看成是比焓势作用下的焓传递过程，定义了湿空气与水膜的焓度概念;根据势作用的思路，类比热传递理论进行了焓传递分析，建立一维非稳态气－水直接接触情况下的焓传递理论分析模型，并结合实际应用介绍了其计算实例。结果表明：这种理论分析及计算方法简便、实用，特别是可为水蒸发冷风机的设计开发提供实用的计算及分析方法。 [关键词]: 热湿传递；焓度；焓传递，水膜通道
Enthalpy Transfer Analysis & Calculation about Heat and Moisture Exchanger
Process during Air Flowing on Water-film Tube of Cooling Pad
Zhuo Xianrong ，Chen Shu
（The Mechanical &Electrical Engineering College, Zhongkai University of Agriculture and
Engineering Guangzhou 510225)
[Abstract]: Aiming at the process characteristic about heat and moisture exchanger process during air flowing on water-film tube of cooling pad, we gave a proposal that the process was regard as enthalpy transfer process, and then, the concept of enthalpy degree of moisture air and water-film was defined; Basing on the idea of potential different action. By analogy of heat transfer, enthalpy transfer was analyzed and one dimension enthalpy transfer model during air flowing water-film tube was built, and a calculation example was introduced linking practical application. The results was shown that this theory analysis and calculation way is brief and practical, especially, for the product development of water evaporation cooling fan.
[Key Words]: Heat and moisture exchange; Enthalpy degree; Enthalpy transfer; Water-film tube; Analysis and calculation.
0 引言
空气－水直接接触热湿交换不但在空调系统中起
着重要的调温、控湿作用，在环境保护以及建筑节能方面也起着越来越重要的作用。特别值得关注的是近年来如雨后春笋般诞生的湿帘水蒸发冷却空调器，由于它可大大改善高温、强辐射室内环境、工业制造等环境，有效缓解能源的紧张局势与人们追求舒适环境的矛盾，从而使得古老的水蒸发冷却技术又得到国内
[1]
外人们的普遍关注。
传统上，在研究湿空气与含湿多孔介质、液态水直接接触的热湿交换过程时，大多数研究者是从分析传热传质机理出发，建立热质传递耦合方程组来求解热传递及湿传递特性。但由于湿空气与水直接接触的热湿交换过程不但存在“吸热”与“放热”、“吸湿”与“释湿”两对逆向过程，还存在相变过程，是一个复杂的、多相体系的、多势场耦合的热湿传递作用过程。在有效强化及控制这种热湿交换方面，前人虽然作了大量的研究，但是目前的研究结果对工程应用开
[2-4]
发还存在许多局限，还存在许多需要研究的问题。
因而，基于“势传递”理论思路，本文把湿空气与水直接接触的热湿交换过程问题看作成是“焓势”作用过程的问题，从而引入的焓度概念，即把水及湿空气看成是以焓度表示的两种能态物质，从而简化传热传湿问题，寻找更加适用于各种气－水直接接触热质交换器的设计开发及工程应用的理论分析方法。
1 湿空气与水膜比焓及焓度概念
湿空气的比焓在衡量湿空气的能态方面以及在空调过程中已经具有较强的实用性，湿空气与水直接接触的热湿交换虽然是人们熟悉的现象，在此引入一个类似温度的参数，从而可把流动的湿空气转化为流动的干空气，从能量守恒着手，从而简化传质耦合，类比较为成熟的传热学理论、流体动力学理论来建立焓传递理论分析方法，这个参数定义为焓度。
当湿空气的干球温度范围不大时（小于100℃，特别是在空调工况下），其定压比热经常当作定值，
m即：Ca=1.005kJ/(kg⋅K)，
1
由于干空气的比焓可表达为：
m
h=Cat=1.005t(kJ/kg)
汽压，可由干球温度t单值函数确定
[6]
：
这样，引入了相当于温度量纲的焓度e，为了在物理意义上与温度区别开来，把焓度e的单位定义为
0
⎧⎡t+273.152⎤⎫7.212753.981(0.745)⎥⎪+−⎪⎢647.3⎪⎢同样以0℃时干空气的比焓为基准（零值），设湿⎥⎪⎪⎢t+273.153⎥⎪Ps=22120Exp⎨+1.05(0.745−)空气的比焓可折算为干空气的比焓，则有： ⎬⎥⎢647.3⎦⎣⎪⎪
em
⎪⎪ha=Cae=1.005e(kJ/kg⋅干空气)647.3 (1−)⎪⎪
t+273.15⎭⎩
(4) Cw为水的定压比热。
这种虚拟介质的焓度：ew=
Z，即：10Z=1℃⋅干空气。由于比焓是湿空气的
状态函数，因此其对应引入的焓度也是与过程无关的
状态函数，是在一定大气压下（通常为标准大气压）衡量湿空气及含有湿空气的物质宏观能态的状态参数。这样，通过焓度这个参数，可较为方便地把湿空气及含有湿空气的物质宏观能态统一用干空气的能态（比焓）来表示。
在此引入的焓度概念，其直接物理意义是衡量干空气的比焓高低的参数，与干空气的温度量纲相当，但由于比焓基准为同一，因而焓度可扩延为衡量湿空
[5]
气、水及内含热湿的多孔介质等的比焓高低的量度。
对于湿空气，其焓度可表达为：
hw(t)
。 (5) 1.005
2焓传递分析
气－水直接接触式热质交换器中，液态水需要吸收湿空气的能量才能脱离水表面成为蒸汽进入湿空气中，而湿空气中的水分需要放出能量才能重新回到液态水中，即气－水直接接触式热质交换器的焓交换过程存在相变过程。
前面已经把湿空气用焓度概念折算成焓度对应的干空气，把覆盖着饱和湿空气的水膜或水颗粒假设成虚拟介质，把水温对应的饱和湿空气比焓折算成用焓0
e≈t+0.001d(2488.56+1.85t) （Z） （1）
度表示的干空气，这样当高焓的湿空气流过水表面时，
湿空气的焓度可通过测量干球温度t和空气的相这种虚拟介质相当于在蓄焓，同样当低焓的湿空气流对湿度ϕ求得。在定义了焓度概念的情况下，焓度可过水表面时，这种虚拟介质就相当于在放焓。而无论根据式（1）的关系换算，也可以通过湿敏及温敏传是放焓还是蓄焓，其过程首先是非稳态的，又气－水感器的组合设计岀焓度计直接读取。 直接接触，因而是一个非稳态导焓过程。
这样，便把水气之间同时因温差势引起的传热以由于当焓度一定时，从数学上可知有无数组对
及浓度势引起的传质耦合过程问题集总概括为焓度势应的湿空气干球温度值和湿空气的相对湿度值，因
引起的焓交换过程。 此，在重点考虑湿空气的比焓势作用下的能量交换
类比非稳态导热分析理论，由于水膜表面饱和湿时，焓度概念的引入可宏观上简化热湿的耦合作用
空气层实际厚度较小，因此，可以看作其内部导焓焓以及热湿迁移的理论在工程上的应用问题。
由于空气与水直接接触，因而液态水表面总是阻远小于表面换焓焓阻，水膜表面饱和湿空气层内部有一层与水表面温度对应的饱和湿空气覆盖着，而的焓度趋于一致，以致可认为这种媒介在同一瞬间均这种未饱和的湿空气正是以覆盖在水表面的这层饱处于同一焓度下，这时这种媒介的焓度仅是时间的函和湿空气作媒介，与水进行焓交换。把覆盖着饱和数而与坐标无关，则其在0～τ时间内，其某一时刻的
[7]
过余焓度可表示为： 湿空气的水膜或水颗粒假设成虚拟介质，这种虚拟
介质显然由液态水、干空气及水蒸汽组成，其比焓： αsAe−eqθ==exp(−eeτ)， （6）
0.622Psθ0es0−eqVρsCs
hw(t)=(Cw+1.005)t+(2501+1.86t)(3)
101.325−Ps
式中
Ps（单位取kPa）为0℃以上湿空气温度对应的饱和蒸
V
=δ中，αse湿空气与水膜表面对流换焓A
系数，ρs、Cse分别为其比容及比焓容，则在0～τ时
2
间内，空气传递给虚拟媒介的焓量为：
φe=(eq−es)(ρsV)Ce(1−exp(−
s
αsA
e
ρsCVes
τ)) （7）
又φe0=(eq−es)(ρsV)Cs绝对值是最大可能焓交换量，有：
e
φeαA
=(1−exp(−eτ)) （8） 风机湿冷系统装置的特点，应用本理论分析方法分别总结其开发设计计算的方法及应用问题分析。
湿帘水直接蒸发冷却空调器主要由湿帘、洒水装置和风机及附件等组成，图1墙式湿帘水蒸发冷却系统组成。洒水装置负责给湿帘提供源源不断的循环水，湿帘主要以纤维渗透的方式尽可能地把洒水装置撒下的水润湿到整个湿帘的表面，按前面的假设，该湿帘是构成湿空气与水进行焓交换的虚拟介质表面，风机强迫湿空气流经湿帘为基构成的水膜流道。这样φee0
ρsCsV
从式6～8中可知，在其它条件不变的情况下，增加水与空气接触的表面积A，显然可强化换焓效率。 因而，工程应用上，为了强化焓交换效果，采用填料、喷嘴、筛网细化水流等措施来增大单位体积虚拟多孔介质的表面积。
另外，为了增强热湿交换效果，增加流速可强化湿空气与其对流表面换焓系数，但这种增加有限，因此，在增大水膜表面面积、表面换焓系数的同时不能太多的增加流动阻力。
由于水膜表面的饱和湿空气薄层只看作是换焓的媒介，因而它对湿空气吸收了φe焓或释放了φe焓时，它会发生焓变，此时水的焓变量：
φe=GCpΔt+γΔg （9） 对于式（9），当只考虑湿空气与水膜非稳态导焓进入正规状态情况，水与外界完全绝热，水温等于未饱和湿空气的湿球温度，可以假设Δt≈0，即有：
φe=γΔd （10）
这样，水的焓变只有相变引起的焓交换。而对于未饱和湿空气来说，虽然焓度不变，但它带走了水蒸发的水分，即其单位质量流量的干空气中的含湿量增加了，按湿空气状态方程，其干球温度就必须下降，这就是常规热质交换理论所定义的等焓加湿降温的过程特点。这一点，也说明：空气与水直接接触的热质交换也可以采用焓传递理论分析方法，且这种假设与常规传热传质理论分析方法是没有矛盾的。
3焓传递理论计算应用
3.1组成及换焓特点
利用上述这些简化、假设及前面的焓传递理论分
析方法，下面结合湿帘水蒸发冷却空调器和淋水式冷
由于湿空气与虚拟介质之间存在焓度势，湿空气与水发生非稳态导焓的焓交换过成，其结果，一方面，使水蒸发，另一方面使水降温。
水与空气直接接触而发生的这种非稳态导焓，与常规的热质交换机理分析是不矛盾的。这个过程，湿空气的焓度几乎不变，但湿空气的绝对湿度增加了，因此，从湿空气的状态函数用焓度可表示为：
t=
e−2.489d
(1+0.0018d)
式中的含湿量d增大了，而湿空气的焓度未变，因此干球温度t肯定下降，其下降的程度要看非稳态导焓发生过程的强度。
这种焓交换的目的是使湿空气中的干求温度降低而使绝对湿度升高，通过置换的气流方式把室内的热负荷随气流带到室外，从而使室内实现降温冷却的全新风空气调节目标。
89 7 6 5室内室外 4空气原窗台空气 3 210111 1— 水泵， 2— 5 2－贮水箱，3－回水总管，4－送水总管，－底盘，6－湿帘，7－洒水器，8－洒水支管， 3— 9 －顶盖及洒水罩，10－集水槽，11－集水支管 图1墙式湿帘水蒸发冷却系统组成 Fig.1 Cooling system forms of water evaporating aporating 3.2过程参数及计算结果
考虑到湿帘中的水是以渗透方式进入湿帘的，所
3
以，以湿帘为填料构成的虚拟介质可假设成湿帘材料体积对应的水折算成饱和蒸汽，这样虚拟介质的表面积等于湿帘材料表面积，虚拟介质的厚度由等于饱和蒸汽的体积除以表面积。由于湿帘是由多层波纹纤维板叠合而成的蜂窝状块体，其流道是不规则形状，为了简化计算，把湿帘的水膜通道全部展开成一块平板，即虚拟介质展开成大平板，按无限大平板一维非稳态导焓来进行计算。
为了说明过程参数的确定及计算实用问题，下面以实例来说明计算的过程参数及结果。
实例基本要求：采用CELDK(R)5090型湿帘，以广州夏季气候条件，设计计算风量为1200m3
/h的水蒸发空调器，并作性能评估。
对此问题，计算步骤及过程参数计算结果如下：
1）从CELDK(R)5090型湿帘的特点确定单流道结构参数；如图2所示的流道结构中，该湿帘流道波
图2流道结构参数
Fig. 2 The structure parameter of flowing tube 纹高度为： c=5mm，波纹角：βs=450，即
b=2c=10mm，流道角450，选择其厚度H=100mm规格湿帘，波纹片厚度2δ=0.0002m。
对于这种水膜流道单元，其当量直径：
d2
s≈
52
=7.07×10−3m，从而确定流道截面2
迎风面积为fs=πds4
=39.26mm2
、每一流道的虚
拟换焓面积：
fl=2πdsH/cosβs=6.28×10−3m2，
虚拟体积为：
V=2δf−7lρs/ρsq=12.58×10×103/0.02=0.0629m3
，其中ρs=1000kg/m3为水的密度，虚拟介质的密度：ρsq=0.02kg/m3
，虚拟多孔介质厚度：
δ=V/fl=0.0629/(6.28×10−3)=10m，
虚拟介质的比焓容：C0
sq=1.87(kJ/kg⋅Z) 导焓系数ζsq=1.98(W/m⋅0
Z)。
2）以广州夏季气候设计条件确定进风口参数：干球温度33.5℃、湿球温度27.7℃，利用空气状态参数及焓湿图及焓度折算，可得进风焓度e0
q=87.8Z； 3) 以进口空气的湿球温度对应的饱和蒸汽的焓度作为虚拟介质的初始焓度，即
e2550
s0=
1.005
=2537.30Z； 4）设定流过单流道的平均迎面风速ωm(m/s)，校核空气在流道内的流动属性为层流流动，其努谢尔数取：Nuαsds
e=
ζ≈4.36（其中，空气的导焓系数ζ可由焓度对应温度的干空气的导热系数转化），这样可得出湿空流过湿帘虚拟介质壁面的对流换焓系
数α≈4.36×2.63×10−2.
=16.2(W/(m2s4.9×10
−3
⋅0Z))； 5）湿空气进口到出口流动时间
τ=H/cos4500.141
ω≈ωs；
m×1000θθ=exp(−αsτ) 其过余焓度比为：
0δρsqCsq
，对此
θ=exp(−
6.11
ω)
θ0
m
与ωm(m/s)关系中，随着平均风速增加，过余焓度比增加，综合考虑，取ωm=2.6(m/s)，其对应过余
4
焓度比为：
θ=9.55%。 θ0
6）虚拟介质经过τ时间后的焓度： e=eq+
型湿帘的外形尺寸为：宽×高×厚＝600×545×100，
3
在广州夏季气候条件下，当风量为1200m/h时，其降温效率可达87.9％，干球温度可降低5℃。
按此方法设计开发的产品，在综合性能测试中对应的指标均与设计计算结果非常吻合。
θ(es−eq)=23030Z，在单流道内，空 4 结论
θ0
0
气与水直接接触从虚拟介质中带走的换焓量：
φθe=(es0
−eq)(ρsV)Ces
(1−
θ))=5.212(kJ)，
这是0
由水蒸发所致，而且是在虚拟质表面发生的，因此出口空气的绝对湿度增加了：
Δd=φe/γ=2.085×10−3(kg)
7）湿空气是等焓加湿过程，按湿空气状态函数，可知出口空气干球温度为tc≈28.4℃，相对湿度
ϕc≈94.6%RH，其降温效率：
η=
ti−tc
t×100%=87.9% i−ts
8）已知空气流量为：
G•
=1200(m3/h)，流道数共为：
•
S=
G
3600f≈3266；
sωm
9）若设定湿帘宽度：
X=bn=0.6m，则流道数为：
n=Xb=60010=60， m=Sn
≈54.5 ，则湿帘高度
为Y=mc≈54.5×10=545mm。
10）单位时间总共水蒸发量：
ΔG=
Gρ•
q3600
×Δd=0.7923g/s。
至此，按实例基本要求计算出CELDK(R)5090
基于“势传递”的思路，把湿空气与水直接接触
的热湿交换过程问题看作成是“焓势”作用过程的问题，从而引入的焓度概念，简化传热传湿问题的焓传递理论分析方法适用于各种气－水直接接触热质交换器的设计开发及工程应用。
利用焓传递的分析计算帘水膜通道中的热湿交换问题，其计算方法简便、实用，可为水蒸发冷风机的设计开发提供实用的计算及分析方法。
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