空气调节技术教案.docx
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空气调节技术教案
绪论
1、空气调节的任务(AC Tasks)
保证某一特定空间的空气参数达到所要求的状态。
特定空间:
房间、厂房、剧院、手术室、汽车、火车、飞机等。
空气参数:
空气的温度、相对湿度、空气流速、气压、噪声、洁净度等。
所要求的状态:
分为舒适性要求的状态、工艺性要求的状态两类。
2、空气调节的内容(AC Contents)
空气调节主要涉及以下内容:
内部空间内、外扰量的计算;空气调节的方 式和方法;空气的各种处理方法(加热,加湿,冷却,干燥及净化等);空气的输送与分 配及在干扰量变化时的运行调节等。
3、空调发展史(AC History)
空调发展取决于时代的社会生产力和科学技术的发展水平。
1902年7月17日,美国机械工程师威利斯·卡里尔博士(以他的名字命名的空调生产商中文译名为“开利” )在纽约布鲁克林一家印刷厂设计了首台空调装置,可对温度、湿度、通风和室内空气质量进行人为控制。
(1902, A C Systems with air conditioned parts was built up in a press factory in USA)很快,卡里尔开始将这个装置应用到其他场所,并且成立了一家公司,至今它仍是世界最大的空调公司之一。
1904年在纽约建成斯托克斯交易所空调系统,同一时间在德国一剧院建成类似的空调系统。
不过1914年之前,人们还没想到在家里安装这样的奢侈品。
明尼阿波利斯的百万富翁查尔斯。
盖茨为自己建造的用来收藏欧洲名画的宅第定制了世界上第一台家用空调。
可惜的是房子还没建好他就去世了。
1919, A C Systems with air conditioned parts was built up in a cinema in USA.
1924年,底特律一家商场安装了中央空调,凉爽使得消费者的购买欲望大大提高。
空调时代来临了。
我国于1931年首先在上海纺织厂安装了带喷水室的空调系统,其冷源为深井水。
(1931, First A C Systems with air conditioned parts was built up in a Shanghai Textile Factory, China)随后,也在一些电影院和银行实现了空气调节。
4、空调系统应用 (AC Uses)
Air Conditioning is the process of supplying or removing air by mechanical means to or from any space. Such air may or not be conditioned.
In earlier days, people were not concerned about indoor air pollutions, smells, smokes, automobile exhaust, body odors……..not worried about IAQ, health, comfort of occupants…… 空调广泛应用在:
(1)纺织、印刷、胶片、光学仪器、造纸、橡胶、烟草、食品、药品等行业;
(2)大会堂。
会议厅、图书馆、展览馆、影剧院、办公楼、酒店、商业中心、游乐场、医院、家庭等公共和民用建筑。
(3)汽车、飞机、火车及船舶等交通运输工具。
(4)大型温室、禽畜养殖、粮种贮存等农业领域。
(5)宇航、核能、地下及水下设施及军事领域。
第一章 湿空气的物理性质及其焓湿图
提要:
※湿空气的物理参数 ※湿空气的焓湿图 ※湿球温度与露点温度 ※焓湿图的应用与参数计算
※空气状态参数的计算法及另一种焓湿图
基本要求:
1. 理解并掌握有关湿空气及描述其物理性质的概念:
压力、温度、含湿量、相对湿度、密度(比容)。
2. 掌握湿空气焓湿图的组成,掌握其绘制方法。
3. 掌握湿球温度和露点温度的概念和物理意义。
4. 熟练掌握焓湿图的应用方法:
确定空气状态,空气状态变化过程线,空气的各种处理过程在i—d图上的表示,两种状态空气混合过程。
5. 了解空气状态参数的计算法。
重点:
湿空气物理性质的描述,焓-湿图的组成,应用其确定空气状态,空气状态变化过程线,空气的各种处理过程在i—d图上的表示,两种状态空气混合过程。
难点:
应用焓-湿图确定空气状态,空气状态变化过程线,空气的各种处理过程在i—d图上的表示,两种状态空气混合过程。
第一节 湿空气的物理性质
一、 基本概念
1、大气的组成成分:
水蒸气、氧气、二氧化碳等。
2、干空气:
由各种气体成分组成,空调中视为稳定的混合物。
3、湿空气:
由干空气和一定量的水蒸气组成,空调工程中称其为湿空气。
二、理论基础
湿空气中水蒸气含量虽少,但它决定了空气环境的干燥和潮湿程度,且影响着湿空气的物理性质。
因此研究湿空气中水蒸气含量的调节是空气调节中的主要任务之一。
1、在常温常压下,湿空气可视为理想气体。
可以用理想气体状态方程描述其状态参数。
2、满足理想气体的状态方程与道尔顿定律 PV=MRT
干空气:
Pg=MgRgT 湿空气:
Pq=MqRqT
B=Pg+Pq
三、状态参数
在常温常压下,湿空气可视为理想气体。
可以用理想气体状态方程描述其状态参数。
1、湿空气的压力B
湿空气的压力即大气压力,B=Pg+Pq (Pa) 2、湿空气的密度r
r =rg+rq=Pg/RT+Pq /RT =0.003484B/T-0.00134Pq /T
一般取r =1.2Kg/m3
3、湿空气的含湿量d
湿空气中的水蒸气密度与干空气密度之比称为湿空气的含湿量。
d=rq/rg=0.622Pq /Pg=0.622Pq /(B-Pq) (Kg/Kga) 4、相对湿度j
湿空气的水蒸气压力与同温度下的饱和湿空气压力之比称为相对湿度;它表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。
j=Pq /Pq,b×100%»d/db×100% 5、湿空气的焓I
空调工程中,空气压力变化很小,可近似于定压过程,因此可直接用空气的焓变化来度量空气的热量变化。
I=1.01t+(2500+1.84t)d/1000 (KJ/Kga)
以上各式构成了湿空气特性的主要方程组,应牢固掌握。
第二节 湿空气的焓湿图
在空气调节中,经常需要确定湿空气的状态及其变化过程。
确定方法有:
按公式计算;查表;查焓湿图。
焓湿图的作用有:
简化计算;直观描述湿空气状态变化过程。
湿空气的状态参数中,t,B,d为独立变量,其他为演变参数。
常用的湿空气性质图是以i与d为坐标的焓湿图,i为纵坐标,d为横坐标,坐标夹角大于135度。
在一定的大气压力下,在选定的坐标比例尺和坐标网格的基础上,绘制出等温线、等相对湿度线、水蒸气分压力标尺及热湿比等即形成焓湿图。
1、等I线及等d线 2、等温线
i=1.01t+(2500+1.84t)d =a+bd
3、水蒸气分压力标尺 Pq=B·d/(.622+d)=f(d) 4、等相对湿度线 Pqb=f(t) Pq=j·Pqb 5、热湿比线
e=Di/Dd=±Q/±W (KJ/Kg)
第三节 湿球温度与露点温度
一、湿球温度
1、热力学湿球温度
理论上,湿球温度是指在定压绝热条件下,空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度,也称热力学湿球温度。
设有一空气与水直接接触的小室,保证二者有充分的接触表面积和时间,空气以P,t1,d1,i1状态流入,以饱和状态P,t2,d2,i2流出,由于小室为绝热的,所以对应于每公斤干空气的湿空气,其稳定流动能量方程式为:
i1+(d2-d1)iw/1000=i2 iw=4.19tw
e=(i2-i1)/(d2-d1)*1000
=4.19tw
在稳定状态下,空气达到饱和状态时的温度等于水温,即
t2=tw,所以,满足上述各式的t2或tw即为进口空气状态的绝热饱和温度,也称热力学湿球温度。
2、等湿球温度线
在工程上,可以近似认为等焓线即为等湿球温度线。
3、湿球温度计
利用普通水银温度计,将其球部用湿纱布包敷,则成为湿球温度计,纱布纤维的毛细作用,
能从盛水容器内不断地吸水以湿润湿球表面,因此,湿球温度计所指示的温度值实际上是球表面水的温度。
忽略湿球与周围物体表面间辐射换热的影响,同时保持球表面周围的空气不滞留,热湿交换充分。
湿球周围空气向球表面的温差传热量为:
dq1=α(t-ts’)df 水吸热蒸发:
dW=β(Pqb'-Pq)dfB'/B dq2=dW·r
在湿球与周围空气间的热湿交换达到稳定状态时,湿球温度计的指示值将是定值,此时:
dq1=dq2
α(t-ts’)df=β(Pqb'-Pq)dfB'/B·r 此时,ts'即为湿空气的湿球温度ts,
Pqb'即为对应于ts下的饱和空气层的水蒸气压力,整理得:
Pq=Pqb(ts)-A(t-ts)B A=α/(rβ·101325)
=(65+6.75/v)·10-5
» 6.67×10-4
(v³2.5m/s) j=Pq/Pqb(t)
二、露点温度
在含湿量不变的条件下,湿空气达到饱和时的温度,称为露点温度。
第四节 焓湿图的应用
一、湿空气状态变化过程在焓湿图上的表示
1、湿空气的加热过程
利用热水、蒸汽及电能等热源,通过热表面对湿空气加热,则其温度增高而含湿量不变。
A®B,e=+¥。
2、湿空气的等湿冷却过程
利用冷媒通过金属等表面对湿空气冷却,在冷表面温度等于或大于湿空气的露点温度时,空气中的水蒸气不会凝结,因此其含湿量不变而温度降低。
A®C,e=-¥。
3、湿空气的等焓加湿过程
利用定量的水通过喷洒与一定状态的空气长时间直接接触,则水及其表面的饱和空气层的温度等于湿空气的湿球温度。
因此,此时空气状态的变化过程(A®E)近似于等焓过程, e=4.19ts。
4、湿空气的等焓加湿过程
利用固体吸湿剂干燥空气时,湿空气的部分水蒸气在吸湿剂的微孔表面上凝结,湿空气含湿量降低,温度升高,其过程(A®D)近似于等焓降湿过程。
5、湿空气的等温加湿过程
向空气中喷干蒸汽,其热湿比e=iq=2500+1.84tq,对于低压蒸汽e»2500+1.84t,即该过程近似于等温加湿过程。
6、湿空气的冷却去湿过程
使湿空气与低于其露点温度的冷表面接触,则湿空气不仅降温而且脱水,因此可实现冷却干燥过程(A®G)。
二、不同状态空气的混合态在I-D图上的确定
1、混合定律 空气混合遵守质量、热量守恒。
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第二章 空调负荷计算及送风量
太阳辐射对建筑物的热作用 ☆ 通过围护结构的得热量及冷负荷 ☆ 室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷(cooling load,wet load) ☆ 房间冷负荷、新风负荷与制冷系统的冷负荷 ☆ 空调房间送风量的确定
空调房间的冷(热)、湿负荷是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据。
负荷计算的步骤:
扰量确定à得热(湿)量计算à负荷计算
基本要求:
1. 掌握室内空气计算参数确定的原则和方法,以及我国室内空气计算参数的确定。
2. 掌握夏季、冬季空调室外计算参数的确定原则和方法,以及我国空调室外计算参数的确定。
3. 理解并掌握室内各种热湿负荷的计算方法与原理:
不透明围护结构得热量和冷负荷计算。
通过透明围护结构进入热量及其他室内发热冷负荷的计算,室内各种冷(热)湿负荷的计算。
4. 理解并掌握空调房间送风量的确定原则和方法:
热湿比的概念,确定送风状态点及送风量
的原则和计算方法。
重点:
室内各种热湿负荷的计算方法与原理:
不透明围护结构得热量和冷负荷计算。
通过透明围护结构进入热量及其他室内发热冷负荷的计算,室内各种冷(热)湿负荷的计算。
空调房间送风量的确定原则和方法:
热湿比的概念,确定送风状态点及送风量的原则和计算方法。
难点:
室内各种热湿负荷的计算方法与原理;空调房间送风量的确定原则和方法。
空调房间冷(热),湿负荷是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据。
在室内外热、湿扰量作用下,某一时刻进入一个恒温恒湿房间内的总热量和湿量称为在该时刻的得热量和得湿量。
当得热量为负值时称为耗(失)热量。
在某一时刻为保持房间恒温恒湿,需向房间供应的冷量称为冷负荷,相反,为补偿房间失热而需向房间供应的热量称为热负荷;为维持室内相对混度所需由房间除去或增加的湿量称为湿负荷。
得热量通常包括以下几方面:
1.由于太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经围护结构传入的热量; 2.人体、照明设备、各种工艺设备及电气设备驶入房间的热量。
得湿量主要为人体散湿量和工艺过程与工艺设备散出的湿量。
房间冷(热),湿负荷量的计算必须以室外气象参敛和室内要求维持的气象条件为依据。
第一节 室内外空气计算参数
一、室内空气计算参数
二、室外空气计算参数
(二)室内空气温湿度计算参数
(一)人体热平衡和热舒适感
(三)冬季空调室外空气计算参数
一、室内空气计算参数(indoor air design condition)
空调房间室内温湿度标准的描述方法:
温湿度基数±空调精度。
室内温湿度基数是指空调区域内所要保持的空气基准温度和
基准相对湿度;空调精度是指在要求的空调区域内和要求的持续时间内,空气温度或相对湿度允许偏离室内温湿度基数的最大值。
例如,tn=20±0.5℃,jn=50±5%。
空调区域是指离外墙0.5米,离地面0.3米至高于精密仪器设备或人的呼吸区0.3~0.5米范围内的空间。
根据空调系统服务对象的不同,可分为舒适性空调和工艺性空调。
前者主要从人体舒适感出发确定室内温湿度设计标准,无精度要求;后者主要满足工艺过程对温湿度基数和精度的特殊要求,同时兼顾人体的卫生要求。
(一)人体热平衡和热舒适感 1、人体热平衡
人体靠摄取食物以获得能量维持生命,能量最终以热量的形式散发到体外。
为保持体温恒定,必须使产热和散热保持平衡,人体热平衡可用下式表示:
S=M-W-E-R-C
S:
人体蓄热率 M:
人体能量代谢率 W:
人体所作机械功 E:
汗液蒸发和呼出的水蒸汽所带走的热量
R:
穿衣人体外表面与周围表面之间的辐射换热量 C:
穿衣人体外表面与周围表面之间的对流换热量
S=f(M,tn,jn,tr,vn ,Icl)
S >0 体温上升, S<0 体温下降,S=0 热平衡 2、热舒适感
Fanger教授提出热舒适的三个条件:
v 1) 人体必须处于热平衡状态,以便使人体对环境的散热量等于人体的体内产热量,并且蓄
热量为零,即:
M-W-C-R-E=0 (S=0)
v 2)皮肤平均温度必须具有与舒适相适应的水平 v 3)人体应具有最佳排汗率 3、有效温度图和ASHRAE舒适区
v 由于人的舒适感共四个环境影响因素和四个人为因素,因此不能用一个单一的物理量来表示
环境是否处于热舒适状态。
v 有效温度就结合干球温度、湿球温度和空气流速的效应来反映冷热感觉的。
•
(二)室内设计参数
根据空调系统服务对象的不同,可分为舒适性空调和工艺性空调。
前者主要从人体舒适感出发确定室内温湿度设计标准,无精度要求;后者主要满足工艺过程对温湿度基数和精度的特殊要求,同时兼顾人体的卫生要求。
室内温湿度设计参数的确定,除了要考虑室内参数综合作用下的舒适条件外,还应依据室外气温、经济条件和节能要求进行综合考虑。
1、舒适性空调
夏季:
24~28℃,40~65%,〈0.3m/s 冬季:
18~22℃,40~60%,〈0.2m/s
2、工艺性空调
a. 降温性空调:
有范围,无精度
b. 恒温恒湿空调:
对基数和精度都有严格要求
c. 净化空调:
温湿度有一定要求,空气含尘大小和数量有要求 3、采暖:
16℃~20℃~22℃
二、室外空气计算参数(outdoor air condition)
1、目的
确定围护结构传热负荷;确定新风处理负荷。
2、室外空气温湿度的变化规律
a、气温的日变化、季节变化和年分布(气象包络线) b、湿度的变化
3、夏季空调室外空气计算参数
a、 夏季空调室外计算干、湿球温度à确定新风状态(负荷)
tt
4、冬季空调室外空气计算参数
温度:
采用历年平均不保证1天的日平均温度; 相对湿度:
采用累年最冷月平均相对湿度。
5、冬季采暖室外空气计算温度和冬季通风设计温度
采暖温度:
采用历年平均不保证5天的日平均温度;
通风温度:
采用累年最冷月平均温度 6、夏季通风室外空气计算参数
通风计算温度:
历年最热月14时的月平均温度的平均值
通风计算湿度:
历年最热月14时的月平均相对湿度的平均值
第二节 得热量和冷负荷
一、得热量和冷负荷的基本概念
得热量是指在某一时刻由室外和室内热源散入房间的热量
总和;瞬时冷负荷是指为了维持室温恒定,空调设备在单位时间内必须自室内取走的热量,也即在单位时间内必须向室内空气提供的冷量。
围护结构热工特性及得热量的类型决定了得热和负荷的关系。
得热量可分潜热和显热两类,而显热包括对流热和辐射热两种成分;潜热和对流热是直接放射到空气中的热量,立即形成冷负荷;而辐射热会透过空气被室内各物体表面所吸收和贮存,从而使物体表面温度升高,当它高于室内空气温度时,即以对流的方式向空气放热,形成冷负荷,同时向室外导热。
在辐射得热量转化为冷负荷的过程中,存在峰值的衰减和延迟。
衰减与延迟量µ围护结构的蓄热能力µ围护结构的重量。
除热量:
空调设备实际提供给室内空气的冷量。
在室温波动时,除热量=冷负荷+蓄热负荷。
二、得热量、冷负荷、除热量、空调机负荷、冷源负荷的关系 三、计算方法综述
1、 静态法:
当量温差法;谐波分解法。
2、 动态法:
谐波反应法;传递函数法。
3、 简化法:
冷负荷系数法;谐波法。
四、动态法的应用假设
1、传热过程为一维非稳定过程,原理上都对得热、冷负荷、除热量加以区别; 2、将传热过程看作常系数线性热力系统,其重要特征是:
a、 可以叠加,当受多种扰量时,输出响应等于各自响应之和;
b、系统特性不受时间变化。
五、冷负荷系数法
1、外墙与屋面的冷负荷
(1)基本计算式 Qc(τ)=KA(tc(τ) -tR)
(2)设计修正
针对与典型条件不同的地点、围护结构外表面等进行修正。
tc(τ)= (tc(τ)+td)kαkβ 2、内围护结构冷负荷 Qc=KiAi(to,m+Δta-tR) 3、外窗传热冷负荷
Qc(τ)=KwAw(tc(τ) +td -tR)
4、窗户日射得热形成的冷负荷
Qc(τ)=CaAwCsCiDjmaxCLQ(τ)
六、谐波反应法
1、外墙和屋顶
CLQKFttt
e
=-D
2、窗户
(1)窗户瞬变传导得热形成的冷负荷
CLQKFttt=D
(2)窗户日射得热形成的冷负荷 CLQxxCCFJgdnsjtt=,
七、空调负荷估算
1、 将整个建筑看成一个房间,按朝向计算其围护结构负荷QW,若在室人员数为n, 则建筑总制冷负荷为(含新风负荷):
Q=(QW+116.3n)×1.5
第三节 室内热源、湿源的散热散湿形成的冷负荷与湿负荷
室内热源包括工艺设备散热、照明散热及人体散热。
室内热源散热包括显热和潜热,显热散热中对流热成为瞬时冷负荷,而辐射热部分则先被围护结构表面所吸收,然后再逐渐散出,形成冷负荷;潜热散热即成为冷负荷。
一、室内热源散热量
(一)工艺设备散热 1、电动设备
QnnnN=1000123/h:
n1:
利用系数,n2:
电动机负荷系数,n3:
同时使用系数,n4:
考虑排风带走热量
的系数
2、电热设备
QnnnnN=10001234 3、电子设备
(二)照明得热
白炽灯:
Q=1000N:
荧光灯:
Q=1000n1n2N (三)人体散热与散湿
Q=qn¢n W=wn¢n
二、室内热源散热形成的冷负荷
CLQQJXT
tt
=- JX:
负荷强度系数;T:
热源工作开始时刻;作用时刻 CLQQCLQTtt
=-()
CLQ:
冷负荷系数
三、其他湿源散湿量
敞开水面散湿量:
WPPF
BBqbq=-¢b(),
第四节 空调系统的送风量和送风参数的确定
送风状态
送风量
按冬、夏季的设计计算条件分别确定,多以解决夏季问题为基础。
一、房间通风量与换气次数
区别采暖、通风、空气调节几种不同环境控制方法,
1、夏季送风状态和送风量
对于空调建筑,夏季通风换气着重在于消除室内余热、余湿,进而保证人体的舒适健康。
全
由于入室空气同时吸收室内余热量和余湿量后,其状态即由O变成R,那么这一状态变化过程。
这意味着,通过室内状态R的热湿比线上并位于R点下方的所有各点均可能成为待定的送风状态O。
很明显,送风状态O对R点距离的远近决定了送风焓差的大小,从而影响到送风量的大小。
距离越近,送风量越大,处理与输送空气所需设备容量则大,相应的初投资和运行费用也更节省些。
送风量减小,将影响室内空气分布的均匀性和稳定性,并可能形成下降冷气流,影响到人体热舒适。
暖通空调规范规定了夏季送风温差的建议值,以便合理地确定送风状态和送风量。
换气次数也作为衡量或制约送风量大小地指标。
n=L/V(次/h)
机器露点(φ=90~95%)送风温差?
送风温差与换气次数
室温允许波动范围/℃
送风温差/℃
换气次数/h-1
±0.1~0.2
2~3
150~20
±0.5 3~6 >8 ±1.0 6~10 ≥5 >±1.0
人工冷源≤15
不宜小于5
送风温差:
u 影响空调精度和人体舒适性
u 换气次数与气流均匀性有关,与送风温差有类似作用。
u 送风状态点应在热湿比线上
u 送风量G=Q/△I=W/△d=QX/CP,CP温度有关,故为近似。
对于通风建筑,若夏季通风旨在排除室内余热余湿,可采用类似空调送风量计算的公式来确定房间的通风量,但需注意:
其进风温湿度应由室外通风计算参数来决定;其排风状态也与室内设计状
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