蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其影響因素的研究

陳 強(qiáng) 馮 毅 范繼珩

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蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其影響因素的研究

陳 強(qiáng) 馮 毅 范繼珩

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院化工機(jī)械與安全工程研究所 廣州 510640）

蓄熱式全熱交換器被廣泛應(yīng)用于空調(diào)新風(fēng)、煙氣排放等系統(tǒng)中進(jìn)行能量回收。對(duì)蓄熱式熱交換器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，運(yùn)用數(shù)值分析方法綜合探究了蓄熱式全熱交換器的熱交換規(guī)律，并初步建立了蓄熱式全熱交換器的蓄熱體長度、換向時(shí)間與換熱效率的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)探究了不同因素對(duì)全熱交換器熱效率的影響，為蓄熱式全熱交換器的設(shè)計(jì)和使用奠定了理論基礎(chǔ)。

蓄熱式；熱交換器；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；影響因素

0 引言

空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)行能量回收的熱交換器在改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時(shí)，又能進(jìn)行高效的能量回收，實(shí)現(xiàn)了空氣流通與能源節(jié)約的雙贏，因此熱換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)必然是今后重要的發(fā)展方向之一。目前，根據(jù)能量回收裝置的的結(jié)構(gòu)形式的不同[1]，可以分為轉(zhuǎn)輪式全熱交換器、靜止平板式全熱交換器、熱管式全熱交換器、盤管或雙塔回收環(huán)式等幾大類[2]，其中轉(zhuǎn)輪式和靜止平板式能夠進(jìn)行全熱換熱，使得他們的能量回收性能在絕大多數(shù)情況下遠(yuǎn)優(yōu)于其他只能進(jìn)行顯熱換熱的熱交換器。

蓄熱式熱交換器一般設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)輪式，是由蓄熱材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)芯交替轉(zhuǎn)過新風(fēng)和排風(fēng)通道來進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)[3]，板式全熱交換器則直接通過兩通道之間的隔板進(jìn)行傳遞能量。在同等的使用環(huán)境中，轉(zhuǎn)輪蓄熱式全熱交換器的總傳熱效率要略優(yōu)于板式全熱交換器[4]，然而，轉(zhuǎn)輪式全熱交換器復(fù)雜的轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)使得其安裝和維護(hù)成本要高于板式全熱換熱器，造成轉(zhuǎn)輪式全熱換熱器的使用范圍反而要低于板式全熱換熱器[5]，因此對(duì)蓄熱式全熱換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 蓄熱式全熱交換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮轉(zhuǎn)輪蓄熱式熱交換器轉(zhuǎn)芯制作工藝及維護(hù)的復(fù)雜，是其市場擁有率較低的主要原因之一，因此若去除其轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，則可以在擁有較高換熱效率的同時(shí)，兼顧簡化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[6]。優(yōu)化后的蓄熱式全熱交換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在兩個(gè)完全相同的的通道中，一側(cè)端口分別設(shè)置兩個(gè)完全相同的可逆軸流風(fēng)機(jī)1。通道內(nèi)部則用蓄熱材料3進(jìn)行填充。同時(shí)，在通道兩側(cè)端口、蓄熱體內(nèi)部的兩側(cè)各放置一個(gè)溫度傳感器2，兩個(gè)通道中間布置吸濕隔板4。當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)可逆軸流風(fēng)機(jī)在控制器控制下，反向轉(zhuǎn)動(dòng)，即一個(gè)送風(fēng)，一個(gè)排風(fēng)。送排風(fēng)過程中蓄熱體和空氣進(jìn)行熱量交換，蓄熱體溫度變化。蓄熱體內(nèi)部的四個(gè)溫度傳感器會(huì)源源不斷的將溫度信息送達(dá)控制器，當(dāng)溫度達(dá)到最佳設(shè)定值時(shí)，控制器控制兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各自反轉(zhuǎn)，原來送風(fēng)通道變?yōu)榕棚L(fēng)通道，排風(fēng)通道變?yōu)樗惋L(fēng)通道。風(fēng)向的改變使空氣與蓄熱體之間進(jìn)行逆向的熱量傳遞。這一相反過程的實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到余熱回收的目的。同時(shí)，通道外部兩側(cè)的溫度傳感器能分別檢測到室內(nèi)和室外的溫度，控制器通過比較兩者的溫度差值來調(diào)節(jié)可逆軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)室內(nèi)外溫差較大時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出較大轉(zhuǎn)速，充分利用溫差帶來的傳熱效率高這一優(yōu)勢；當(dāng)室內(nèi)外溫差較低時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出較低轉(zhuǎn)速，空氣和蓄熱體之間能夠進(jìn)行充分的換熱。

圖1 蓄熱式全熱交換器

送風(fēng)過程中蓄熱體和空氣進(jìn)行熱量交換，蓄熱體溫度變化。蓄熱體內(nèi)部的四個(gè)溫度傳感器會(huì)源源不斷的將溫度信息送達(dá)控制器，當(dāng)溫度達(dá)到最佳設(shè)定值時(shí)，控制器控制兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各自反轉(zhuǎn)，原來送風(fēng)通道變?yōu)榕棚L(fēng)通道，排風(fēng)通道變?yōu)樗惋L(fēng)通道。風(fēng)向的改變使空氣與蓄熱體之間進(jìn)行逆向的熱量傳遞。這一相反過程的實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到余熱回收的目的。同時(shí)，通道外部兩側(cè)的溫度傳感器能分別檢測到室內(nèi)和室外的溫度，控制器通過比較兩者的溫度差值來調(diào)節(jié)可逆軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)室內(nèi)外溫差較大時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出較大轉(zhuǎn)速，充分利用溫差帶來的傳熱效率高這一優(yōu)勢；當(dāng)室內(nèi)外溫差較低時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出較低轉(zhuǎn)速，空氣和蓄熱體之間能夠進(jìn)行充分的換熱。

這種結(jié)構(gòu)形式的蓄熱式熱交換器取消了轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)，而通過改變風(fēng)向來實(shí)現(xiàn)吸熱和放熱，實(shí)現(xiàn)更加容易安裝和維護(hù)的優(yōu)化目標(biāo)。同時(shí)，該型蓄熱式全熱交換器與空調(diào)系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)智能化控制，使得傳熱效率更加穩(wěn)定。

2 蓄熱式全熱交換器換熱效率影響因素分析

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

由于換向型的蓄熱式全熱交換器采用了周期性的工作方式，其蓄熱體的吸熱和散熱可以作為兩個(gè)完全相反的過程，而且互不干擾，因此兩個(gè)過程數(shù)學(xué)模型相同，僅僅是初始邊界條件相反[7]。所以蓄熱式全熱交換器的數(shù)學(xué)模型就是一個(gè)傳熱過程的數(shù)學(xué)模型。

為建立傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型，可做如下假設(shè)：蓄熱體構(gòu)成的每個(gè)換熱通道傳熱特性相同；氣流流速在任意截面處恒定且溫度分布均勻；蓄熱體與空氣的各物性參數(shù)及各處對(duì)流換熱系數(shù)恒定；蓄熱體與流動(dòng)垂直方向的導(dǎo)熱遠(yuǎn)大于軸向方向的傳熱；忽略輻射傳熱影響。因此建立模型時(shí)僅需考慮軸向方向的溫度分布。根據(jù)能量守恒，空氣和蓄熱體的能量方程建立如下：

式中：為總換熱面積，m2；為蓄熱體的長度，m；A、A分別為任意截面流體部分和固體部分的面積，m2；t、t分別為流體和蓄熱體的溫度，℃；ρ、ρ為蓄熱體的密度，kg/m3；C為流體的比熱，kJ/kg·℃；m為流體的質(zhì)量流速，kg/s。

此模型建立在蓄熱體內(nèi)部無軸向?qū)岬募僭O(shè)之上，而在實(shí)際的情況之中，有些蓄熱體材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，因此無法忽略其對(duì)蓄熱式全熱交換器換熱性能的影響，Willmott[8]等通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，建立了修正關(guān)系式。

2.2 蓄熱體內(nèi)部的溫度分布數(shù)學(xué)模型

研究上述數(shù)學(xué)模型，可以得出新排風(fēng)的溫度、迎風(fēng)風(fēng)速、蓄熱體的長度等對(duì)蓄熱式換熱器的熱效率有較大的影響。然而對(duì)于換向型蓄熱式熱交換器而言，換熱周期的確定成為一個(gè)不可回避的關(guān)鍵問題。換熱周期過短，導(dǎo)致流體與蓄熱體之間換熱不充分，熱效率大大降低；換熱周期過長，則會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，無法達(dá)到節(jié)約資源的目的。通過對(duì)換向型蓄熱式熱交換器的工作原理進(jìn)行分析，為避免換熱周期的過短或過長，蓄熱體的溫度分布和換熱飽和期的研究顯得至關(guān)重要。因此，通過溫度前沿?cái)U(kuò)展理論來分析蓄熱器內(nèi)部溫度分布，并以此為基礎(chǔ)，探究換熱效率隨時(shí)間的變化關(guān)系，從而選擇一個(gè)較高換熱效率的換向時(shí)間。

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)混合擴(kuò)散一中心對(duì)稱模型進(jìn)行分析，最終得到蓄熱式熱交換器內(nèi)部蓄熱體的溫度的梯度變化，其數(shù)學(xué)描述為[9]：

其中：

其中：

再結(jié)合佩格列數(shù)的推導(dǎo)公式：

可以將特征值方程寫為：

由式（10）可知，蓄熱體上溫度分布隨時(shí)間的變化是一S型曲線。其基本圖像如圖2所示。這些曲線上的點(diǎn)代表蓄熱體軸向的溫度分布變化，通過分析建立的數(shù)學(xué)模型充分認(rèn)識(shí)

圖2 蓄熱體溫度隨時(shí)間在長度方向的變化曲線

2.3 影響熱交換器換熱效率的因素分析

分析本熱交換器建立的數(shù)學(xué)模型，其曲線的形態(tài)僅僅取決于2，因此在進(jìn)行換熱效率因素分析時(shí)，可以通過對(duì)2的分析來確定蓄熱體結(jié)構(gòu)長度、換向時(shí)間等因素對(duì)換熱效率的影響。現(xiàn)在我們引入一個(gè)常數(shù)A，對(duì)式（10）進(jìn)行變形，可以得到一新的數(shù)學(xué)模型：

（1）換熱器長度的影響

蓄熱體物理模型為d=0.005m，流體流速=0.5m/s，蓄熱體的導(dǎo)熱系數(shù)為k=206W/m·℃。圖3是根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果，根據(jù)變化曲線可知，當(dāng)蓄熱體長度越長時(shí)，其換熱更加充分，蓄熱體的換熱效率越高。但是在實(shí)際操作過程中，蓄熱體的長度不可能無限長，因此需要選定一個(gè)比較合理的長度范圍，既能夠達(dá)到較高的換熱效率，又能夠最大程度的節(jié)約空間和制造成本。仔細(xì)分析圖表的變化，蓄熱體的長度在0.3m之后，隨蓄熱體長度的加長，常數(shù)變化幅度較小，可以視為其換熱效率增加不太明顯，因此可以取蓄熱體長度在0.3m-0.4m之間是一種比較合理的選擇。

圖3 C值隨蓄熱體長度的變化關(guān)系圖

（2）蓄熱體當(dāng)量直徑d的影響

在其他條件不變的情況下，選取0.3m的長度作為蓄熱體長度，蓄熱體的當(dāng)量直徑與常數(shù)的關(guān)系如圖4所示。觀察圖形可知，隨著當(dāng)量直徑的變化，換熱器的換熱效率有著較大的變化，較小的當(dāng)量直徑伴隨著較高的換熱效率，當(dāng)當(dāng)量直徑增大時(shí)，其換熱效率迅速降低，主要原因是熱阻的增加以及相對(duì)換熱面積的減少，影響了其綜合傳熱能力，因此在進(jìn)行交換器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸是一個(gè)非常重要的考慮因素。

圖4 C值隨蓄熱體當(dāng)量直徑的變化關(guān)系

（3）流體流速的影響

選取蓄熱體的當(dāng)量直徑d=0.005m，導(dǎo)熱系數(shù)k=206W/m·℃，蓄熱體長度=0.3m，對(duì)不同流體流速下的常數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行模擬運(yùn)算，如圖5所示。對(duì)于一個(gè)固定的蓄熱式換熱器而言，增加流體流速會(huì)增加其對(duì)流換熱系數(shù)，但觀察曲線特征，換熱器的換熱效率隨流體流速的增大反而逐漸較小，因此，一味的追求過高的流體流速對(duì)于換熱器的換熱效率而言是一種巨大的效率損失，因此流速的確定對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

圖5 C值隨蓄熱體流體流速的變化關(guān)系

（4）導(dǎo)熱系數(shù)k的影響

圖6是導(dǎo)熱系數(shù)k對(duì)值的影響關(guān)系曲線，觀察曲線，兩者的關(guān)系并非單純的線性關(guān)系，當(dāng)蓄熱體由導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料替換為導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料時(shí)，換熱器的換熱效率提升較大，但是當(dāng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大到一定程度時(shí)，即導(dǎo)熱系數(shù)在200W/m·℃以上時(shí)，換熱效率的變化就較為緩慢。因此，蓄熱換熱器的蓄熱體的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)其換熱效率有較大影響，應(yīng)首先選擇導(dǎo)熱性能好的材料做為蓄熱體，但也不能過分的選擇更大的導(dǎo)熱性能，這對(duì)提升換熱效率并無較大的好處，反而容易造成較大的材料浪費(fèi)。

圖6 C值隨蓄熱體導(dǎo)熱系數(shù)的變化關(guān)系

4 結(jié)論

本文對(duì)蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的蓄熱式空氣-空氣能量回收裝置，采用了雙通道的蓄熱式結(jié)構(gòu)，大大簡化了設(shè)計(jì)和制造的難度。同時(shí)對(duì)該結(jié)構(gòu)的蓄熱式熱交換器進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，建立了適合新結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，為蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)提供了最基本的理論基礎(chǔ)。在該模型基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，得到了最佳的蓄熱體長度、當(dāng)量直徑、流體流速以及導(dǎo)熱系數(shù)的選擇，對(duì)實(shí)際的蓄熱體的設(shè)計(jì)也具備一定的借鑒和意義。

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Study on the Structure Improvement and Influencing Factors of Regenerative Heat Exchanger

Chen Qiang Feng Yi Fan Jiheng

( Institute of Chemical Machinery and Safety Engineering, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640 )

Regenerative heat exchangers are widely used in air conditioning, fresh air and flue gas emission systems to carry out energy recovery. This paper improves the structure of regenerative heat exchanger, and use the numerical analysis method to explore heat exchanger heat exchange law, and establishes the regenerative heat exchanger mathematical model of the regenerator length, reversing time and heat transfer efficiency, point to explore the impact of different factors on the heat exchanger efficiency, which laid a theoretical foundation for the design and use of regenerative heat exchanger.

Regenerative; heat exchanger; Structure improvement; influence factor

1671-6612（2018）01-014-04

TB657.5

B

陳 強(qiáng)（1992.05-），男，碩士研究生，E-mail：cqsdust@163.com

馮 毅（1963.03-），男，博士后，副教授，E-mail：mmyfeng@scut.edu.cn

2017-06-21