第14章 水的冷却与水质稳定

给水排水教案

第14章 水的冷却与水质稳定

本章提要：介绍了湿空气的性质，水的冷却原理，冷却塔的工艺与设计，循环冷却水水质稳定。

本章重点：水的冷却原理，冷却塔的工艺与设计，循环冷却水水质稳定。 本章难点：水的冷却原理，水质稳定。

14.1 湿空气的性质

湿空气是干空气和水蒸气组成的混合气体。空气中都含有一定量的水蒸气，是某种意义上的湿空气，湿空气的性质直接影响水的冷却效果。

14.1.1 湿空气的压力

1. 湿空气的总压力

对冷却塔而言，湿空气的总压力是当地的大气压力P0，根据道尔分压定律，它等于干空气分压力与水蒸气分压力之和，用下式表示

p0?pg?pq (14-1) 式中 p0——湿空气压力，即大气压力（N/cm2）；

； pg——干空气的分压力（N/cm2）

。 pq——水蒸汽的分压力（N/cm2）

干空气和水蒸气的分压力，由于空气中水蒸气含量很少，且大都处于过热状态，因此，均可当作理想气体对待。

pV?RGT10?4 (14-2)

p?GRT10?4??RT10?4 (14-3) V

将式（14-3）分别用于干空气和水蒸气，则得

pg??gRT10?4 (14-4)

pq??qRqT?10?4 (14-5)

式中 p——气体的压力（N/cm2）；

V——气体体积 (m 3)；

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G——气体质量(Kg)；

??G——气体的密度(Kg/m 3)；?=1·1268； V

R——气体常数；

T——气体热力学温度（K）；

Rg——干空气的气体常数，Rg=287.145J/（kg·K ）；

Rq——水蒸气的气体常数，Rq=461.53J/kg·K；

?g——干空气在其本身分压下的密度（kg/m3）；

?q——水蒸气在其本身分压下的密度（kg/m3）。

2. 饱和水蒸气分压力

在一定温度下，空气吸湿能力达到最大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水蒸气的分压称为饱和水蒸汽压力pq。湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，与大气压无关。

lg''pq3??10310373.15????8.21lg??0.0141966?3.142305?(273.16?T) ???0.0024808?T?373.15T?????

式中 pq——饱和蒸汽分压力（atm）； ?

Ｔ——绝对温度（273.15+t）（K）；

t——空气的温度（℃）

从式(14-6)可知，饱和蒸汽分压力pq只与空气温度有关，而与大气压无关。空气的温度越高，pq越大。因此，在一定温度下已达饱和的空气，温度升高时则成不饱和空气；反之，温度降低时，不饱和空气又成为饱和空气。 ??

14.1.2 温度、湿度与焓

湿度是指空气中所含水分子的浓度。它常用绝对湿度、相对湿度和含湿量来表示。

1. 绝对湿度

每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为空气的绝对湿度。其数值等于水蒸气在分压pq和湿空气温度T时的密度ρq：

?q?pq

RqT103?pq

461.53T?103 (14-7)

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同样，饱和空气的绝对湿度为

?q"?

2. 相对湿度 pq"RqT10?3pq"461.53T?103 (14-8)

在某一温度下，一定容积的湿空气所含水蒸气的质量与此时达到饱和所含水蒸气质量之比，称为该温度的相对湿度。它实际是湿空气的绝对湿度与同温度下的饱和湿度之比。用?表示。

???q/?q?= pq/ pq?

???pq=? pq 或者 pqpg＝Ｐ－?pq

相对湿度的计算公式为

p???0.000662 p( -?)?? (14-9) ?p

式中 、?——湿空气的干、湿球温度，（℃）。

?、p??——温度分别为 、?的饱和水蒸气压力，（kPa）。 p

P——大气压力，（kPa）。

3. 含湿量

在含有1kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水气质量称为湿空气含湿量，也称为比湿，单位为kg/kg（干空气）。

?qRgpq287.14pqpq?pq? (14-10) ?????0.622?0.622??gRqpg461.53pgp?pqp-?pq

在一定温度下，每千克干空气中最大可容纳的水蒸气量称为饱和含湿量，以???表示。从式（14-10）可知，当?=1时，含湿量达最大值，此时含湿量即为饱和含湿量：

??0.622?''pq

p-p''

q(??1) (14-11)

一定温度下，?值等于???时的空气称为饱和空气，不能再吸收水蒸气。如果?<???，

???-?值越大，则每千克干空气能吸收???-?kg的水蒸气；吸湿能力越强。如已知含湿量?，

由式（14-10）、式（14-11）可用以下式求得pq 及pq。 ?

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?pq???0.622?0.622 p?pqp??pq?pq

pq?

pq?

4. 湿空气的密度?

湿空气的密度?为单位体积湿空气所含干空气和水蒸气在其各自分压下的密度之和。 ??0.622??pp （14-12） ??0.622???

???g??q?pg?103

RgT?pq?103

RqT?(p?pq)?103

RgT?pq?103

RgT (14-13) PqP ?3.483?1.316TT

上式表明，湿空气的密度与大气压力成正比，和温度成反比。

5. 湿空气的比热容csh

总质量为（１＋x）kg的湿空气（包括１kg干空气和x kg水蒸气），温度升高１℃所需的热量，为湿空气的比热容，用csh表示。

csh＝cg+cq x

csh=1.005+1.842x （14-14）

csh一般采用1.05kJ/(kg·℃)

式中 cg——干空气的比热容（kJ/(kg·℃)），在压力一定，温度变化小于100℃时，约为1.005kJ/(kg·℃)；

cq——水蒸气的比热容（kJ/(kg·℃)），约为1.842KJ/(kg·℃)

6. 湿空气的焓h

表示气体含热量大小的数值叫焓，用i表示

h＝ hg＋xhq

式中 hg——干空气的焓 (kJ/kg)；

hq——水蒸气的焓(kJ/kg)；

x——湿空气的含湿量[kg/kg（干空气]。

计算含热量时，要有一个基点。国际水蒸气会议规定，在水气的热量计算中，将0℃的水所含的热量定义为零。因此，1kg干空气的焓hg为：

hg?cg ?1.005 （14-15）

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式中 ——干空气的温度（℃）；

hg——干空气的焓（kJ/kg）。

水蒸气的焓由两部分组成：即1 kg 0℃的水变成1 kg 0℃的水蒸气所吸收的热量，称为水的汽化热，用?0表示，?0=2500 kJ/kg，以及1 kg 0℃的水蒸气升高到 ℃时所需的热量，其值为

hg?cg ?1.842 (KJ/Kg) （14-16）

h?hg?xhq?1.005 ?(2500?1.842 )x?(1.005?1.842x) ?2500x

?Csh ??0x (14-17)

上式中，hg，kJ/kg。前项与温度 有关，称为显热；后项与温度无关，称为潜热。 14.1.3 湿空气的焓湿图

一个地区的气压p变化很小，可看作定值。从上式中可以看出，当空气压力p一定时，含湿量x、温度t、相对湿度?、焓h中只有两个独立变量，把湿空气的四个重要热力学参数同绘在一张图上，此图称为焓湿图；在t——x的直角坐标系上，同时绘出?和h的等直线，图中的任一点，都代表焓h、温度t、含湿量x和相对湿度?这四个参数所构成的一组固定数值，只要四个参数中的两个数值给定后，其它两个数值也就可以查出。 14.1.4 湿球温度（?）和水的冷却理论极限

干湿球温度是空气的主要热力学参数。

14.2 水的冷却原理

循环冷却水的冷却过程中，冷却构筑物以空气为冷却介质，由蒸发传热、接触传热和辐射传热三个过程共同完成。除冷却池外，辐射传热对各种冷却塔的影响不大，可忽略不计。湿式冷却塔中空气与热水混合时，热水主要通过与空气间的接触传热和蒸发传热降低温度。

14.2.1 空气—水的蒸发和接触传热过程

当热水表面直接与未被水蒸气所饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断化为水蒸气，在此过程中，将从热水中吸收热量，实现冷却过程。

水的冷却过程是通过蒸发散热和接触散热实现的，而水温的变化则是两者作用的结果。

(1) 当tf> 时，蒸发和接触传热都朝一个方向进行，如图14-3a所示，使水冷却。单 360