芯體流道構型對全熱交換器換熱效果影響的數(shù)值分析

1、芯體流道構型對全熱交換器換熱效果影響的數(shù)值分析*鐘 秋 1， 陶 冶 1，2， 楊莉萍 1， 蔡 岸 1， 徐子君 1， 雒彩云 1， 張雙喜 2(1.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海 200050；2.青島理工大學，山東 青島 266000)摘要： 芯體是全熱交換器的重要組成部分，是全熱交換器進行熱質交換的關鍵構件。對平板流道、三角流道翅片不導熱、三角流道翅片導熱 3 種情況下，全熱交換器的熱質交換進行了有限元模擬分析，結果表明：由于二次換熱面的存在，三角流道翅片導熱時， 全熱交換器的顯熱效率以及焓效率明顯優(yōu)于其他兩種情況；而當進口風速大于 0.8 m/s 后，三角流道翅片不導熱條件下的焓效

2、 率逐漸地略優(yōu)于平板流道的焓效率，這主要是由于前者的潛熱效率隨著風速的增加而減少的幅度要小于平板流道造成的。關鍵詞： 流道構型； 全熱交換器； 有限元模擬； 熱質交換中圖分類號： TU831文獻標志碼： A文章編號： 1673-7237(2013)06-0001-04Num erical Sim ulat ion on t he St ruct ure of Channel of Tot al Heat Exchange Equipm ent Effect ivenessZHONG Qiu 1, TAO Ye 1,2, YANG Li-ping 1, CAI An 1, XU Zi-jun 1

3、, LUO Cai-yun 1, ZHANG Shuang-xi 2(1.Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China;2.Qingdao Technological University, Qingdao 266000, Shandong, China)Abst ract : The total heat exchanger core is the key part for the exchange of heat and mass of the total heat e

4、xchanger. In the present work, finite element simulations were performed with three different structures of the total heat exchanger channel, including rectangle chan nel, triangular channel with thermal isolation fin and triangular channel with thermal conduct fin. The results conclude the triangul

5、ar channel with thermal conduct fin shows better sensible heat efficiency and the enthalpy efficiency than others because of the thermal conduct of the fin. With the increase of the inlet air speed, the enthalpy efficiency of triangular channel with thermal isolation fin becomes better than the rect

6、angle channels, which mainly because the loss of velocity in the former is bigger than the latter.Key w ords: structure of channel; total heat exchange equipment; finite element simulations; heat and mass exchange影響7，并對全熱交換器的節(jié)能效果進行了跟蹤研究，分別開展了不同翅片材料對換熱效率影響的研究8； 清華大學的蘇銘等人開展了不同膜材料及厚度對全 熱交換器效率影響的研究9-10。

7、目前，隨著全熱換熱器 的小型化和緊湊化，芯體流道結構對換熱器性能的影 響越發(fā)顯著。常用的換熱器芯體多采用波紋板支撐三 角形流道結構和條狀支撐矩形小流道結構，清華大學 的蘇銘等對不同流道構型對全熱交換器效率的影響 進行了初步研究11，但其并未考慮翅片導熱所形成的 二次換熱面對換熱效率的影響。本文在充分考慮全熱交換器芯體各個構件導熱 影響的基礎上，采用有限元數(shù)值模擬方法，對芯體流道分別為平板流道、三角流道翅片不導熱、三角流道翅片導熱 3 種不同流道構型的全熱交換器換熱效果 進行了研究，為提高全熱交換器效率及其優(yōu)化設計提 供了基礎的熱分析依據(jù)。1物理模型典型的全熱交換器芯體模型如圖 1 所示，圖中上

8、0引言我國能源形勢緊張，建筑節(jié)能已成為我國能源發(fā) 展的重要戰(zhàn)略1。建筑能耗未來將保持高速的增長，而 空調能耗是建筑能耗的主要部分，因此，空調系統(tǒng)必 須向著節(jié)能的方向發(fā)展2。隨著人民對生活空氣質量 的要求逐漸提高，對室內空氣品質的要求也越來越 高3-4，致使新風能耗成為空調能耗的重要組成部分。 如何保證在降低空調能耗的前提下，完成室內空氣質 量的改善已成為國際空調界關注的重要課題，研究表 明：全熱交換器可以有效地解決兩者之間的矛盾5，全 熱交換器以其優(yōu)異的熱回收特性成為近年來空調行 業(yè)的研究熱點6。芯體作為全熱交換器熱質交換過程的關鍵構件，許多研究者對其展開了深入的研究：張立志等建立了 全熱換熱

9、器的基本模型，數(shù)值模擬分析了相關參數(shù)的收稿日期：2013-03-14； 修回日期：2013-04-25* 基金項目：上海科委長三角科技聯(lián)合攻關項目：全熱交換芯材及高效 能量回收設備的研究與開發(fā)(10195811600)1側為室外新風流道，下側為室內排風流道，兩側空氣在全熱交換器芯體流道內交叉流動。排風出口C n n d+2k n (C n -C o n )=0(2)j式中： 為空氣密度； 為進口空氣流速；T 為溫度；c p 為空氣比熱；C 為水蒸氣濃度；h 為對流換熱系數(shù)；k 為對流傳質系數(shù)；n 表示新風側或者排風側；j 表示新風流動方向 x 或排風流動方向 y； 下標 o 表示出口。 而薄膜

10、中熱質交換方程分別為：膜新風通道新風出口新風進口排風通道排風進口圖 1 全熱交換器芯體模型Fig.1 Total Heat Exchange Equipment Schematic Diagram在全熱交換器運行時，熱濕交換膜兩側的新風和 排風間存在溫度差和水蒸氣壓力差，因此，就會發(fā)生 熱質交換。對于無翅片支撐的全熱交換器而言，其中顯熱的傳遞通過質兩側流體的對流換熱與質導熱來 完成，而潛熱的傳遞則通過質的濕傳遞來完成；而對 于板翅式全熱交換器，其熱交換面還包括由翅片組成 的二次傳熱面12。對圖 1 所示的物理數(shù)學模型進行如 下假設：(1)由于該交叉流傳熱傳質結構流道長度遠大于流道高度，流體基本

11、處于充分發(fā)展層流段，入口段影 響非常小，假設將流道對流傳熱傳質近似為一維熱質 交換過程；(2)膜四周絕熱，流道兩側絕熱，水蒸氣在膜內的 質擴散系數(shù)是常數(shù)，不隨溫度變化；本文討論的 3 種流道構型如圖 2 所示，圖中箭頭 方向為熱傳遞方向。lT m2T m2T m2T mmw c pw-m-m-m=0(3)zx 2y 2z 2C =Dw m Cf -Cemw =-Dw m(4)z式中： 為導熱系數(shù)；m 為單位截面?zhèn)髻|速率；Dw m 為水蒸氣在膜中擴散系數(shù)；Cf 、Ce 為膜新風側和排風側水蒸氣濃度； 為膜厚度； 下標 m 表示膜； w 表示水蒸氣。新風及排風方程的邊界條件為：j =0 =Tn i

12、 ，Cn j =0 =Cn iTn(5)膜兩側邊界條件：T m-m=h n (T n -T m )+mw Lw(6)zz =0式中：Lw 為水蒸氣氣化潛熱；下標 i 表示流道進口。由于全熱交換器芯體中進行熱量交換以及質量 交換，因此，其性能參數(shù)包括全熱交換器的顯熱效率、 潛熱效率以及焓效率，各性能參數(shù)的計算公式為14：a(a)平板通道(b)三角通道，翅片不導熱T = Tf i -Tf o ，s = sf i -sf o ，h = hf i -hf o (7)Tf i -Te i式中：s 為空氣濕度；sf i -se ihf i -he ih 為濕空氣焓值，由公式 h =1.005t +s (2

13、 501+1.86t )求得，t 為濕空氣攝氏溫度；T 、s 、h 分別為顯熱效率、潛熱效率、焓效率。流道氣體處于層流充分發(fā)展狀態(tài)，沿程壓降為：(c)三角通道，翅片導熱圖 2 本文討論的 3 種流道構型Fig.2 Three different structures of channel2控制方程及性能參數(shù)對圖 2 所示的 3 種流道構型，本文以新風流動方 向為 x 方向，以排風流動方向為 y 方向，以流道高度 方向為 z 方向，建立直角坐標系。流道中傳熱、傳質方 程分別為13：2 lp =f Re(8)d 2e式中：f 為達爾西阻力系數(shù)；Re 為雷諾數(shù)；d e 為流道當量直徑；l 為流道長度

14、；c p n dT n +2h n (T n -T o n )=0(1)j2dd 為流體黏度； 為流體流速。3模擬計算及結果討論對如圖 1 所示的新風排風流道進行數(shù)值模擬，模 擬參數(shù)設定如表 1 所示?；谝陨蠑?shù)據(jù)，選取進口風速為 0.21.6 m/s 時內的 8 個速度點 (0.2 m/s、0.36 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s)，計算 3 種不同構型 流道的熱質傳遞特性，將參數(shù)列于表 2 中。同時，對全 熱交換器的熱、質交換情況進行了有限元數(shù)值模擬， 模擬得到的全熱交換器顯熱效率、潛熱效率、焓效率 隨進口風速的變化如

15、圖3 所示。表 1 模擬參數(shù)設定Table 1 Simulation parameters室內參數(shù)室外參數(shù)膜參數(shù)溫度 /含濕量 /(g/kg)溫度/含濕量 /(g/kg)厚度/mm導熱系數(shù)/W/(m·K)質擴散系數(shù) /(m2/s)2710.935210.050.12e-9芯體結構尺寸三角形流道結構尺寸空氣擴散系數(shù) /(m2/s)長/mm寬/mm高/mm底邊/mm高/mm肋片厚度 /mm4204202.532.50.22.68e-5表 2 3 種不同構型流道的傳遞特性Table 2 Transmission characteristics of three different chan

16、nelsRed e /mmNu0.20.360.50.81.01.21.41.6平板流道三角流道翅片導熱 三角流道翅片無導熱4.971.81.861.3922.2322.23110.5140.0240.02153.4855.5955.59245.5788.9488.94306.96111.17111.17368.35133.41133.41429.74155.64155.64491.14177.88177.887.82.02.0(a)顯熱效率隨風速變化(b)潛熱效率隨風速變化從圖 3 中可以看出：3 種不同構型流道中各項換熱效率參數(shù)最好的是三角形流道翅片導熱的情況，這 主要是由于全熱交換器芯體

17、中存在由于翅片導熱而 產生的二次傳熱面，該條件下全熱交換器的換熱面積 得到了顯著的增加，使得全熱交換器的顯熱效率要明 顯的優(yōu)于其他兩種情況；對顯熱效率而言，平板換熱與三角形流道翅片 不導熱的情況相比，前者要明顯的優(yōu)于后者，這主要 是由于在換熱面積相同的條件下，后者的表面?zhèn)鳠?系數(shù)(h =·Nu/d e =0.11 W/ (m2·K) 要小于前者(h =0.16 W/(m2·K)。對潛熱效率而言，由于全熱交換器的潛熱交換只 發(fā)生在交換膜內，因此，兩種三角形流道的潛熱效率(c)焓效率隨風速變化圖 3 全熱交換器熱效率隨進口風速變化情況 Fig.3 The therma

18、l efficiency of total heat exchange equipment against the inlet speed of air3是相同的；而隨著進口風速的增加，三角流道的潛熱效率逐漸的略優(yōu)于平板流道的潛熱效率，這主要是由 于相同進口風速條件下，三角流道內的風速損失速率 要大于平板流道內風速的損失速率，如圖 4 所示。由 于假設水蒸氣在膜內質擴散系數(shù)不隨溫度變化，因 此，3 種流道構型的水蒸氣擴散通量應該相同，因而， 風速小的流道將獲得更為充分的質交換時間。4朱棟華,郭淑娟,曹婉.室內空氣質量標準與檢測方法J.建筑節(jié)能,2008,36(203):5-7.5馬力雙,楊潔,

19、張旭.板式空氣全熱交換器在上海地區(qū)的應用性分 析J.建筑節(jié)能,2011,39(246):16-18.6Roy Pastor. Heat and mass transfer of a countercurrent flow energy re- covery ventilator (ERV)D. USA: Rensselaer Polytechnic Institute,2011. 7Zhang L Z, Niu J L. Energy requirements for conditioning fresh air and the long term savings with a membran

20、e-based energy recovery ventilator in Hong KongJ. Energy (S0360-5442),2001,26:119-135.8Zhang L Z. Heat and mass transfer in plate-fin enthalpy exchangers with different plate and fin materialsJ. International Journal of Heat and Mass Transfer (S0017-9310),2009,52:2704-2713. 9Jingchun Min, Ming Su. P

21、erformance analysis of a membrane-based en- ergy recovery ventilator- Effects of membrane spacing and thickness on the ventilator performance J. Applied Thermal Engineering (S1359-4311),2010,30:991-997.10Jingchun Min, Ming Su. Performance analysis of a membrane-based enthalpy exchanger- Effects of t

22、he membrane properties on the exchanger performance J. Journal of Membrane Science (S0376-7388),2010,348:376-382. 11蘇銘,閔敬春.通道構型對全熱換熱器性能的影響J.清華大學學報 (自然科學版),2006,46(8):1485-1488. 12熊丹丹,李振海,徐夢潔.芯體機能材料對靜止式全熱交換器性能的 影響J.2010,31(1):15-19.13Zhang L Z, Jiang Y. Heat and mass transfer in a membrane-based ener

23、- gy recovery ventilator J. Journal of Membrane Science (S0376-7388),1999,163:29-38. 14李芳,林澤安,彭飛,等.全熱交換器交換效率影響因素的試驗研究J.制冷與空調,2010,10(2):50-52.圖 4 新風出口風速隨進口風速變化情況Fig.4 The outlet speed of fresh air against the import speed of air4結論本文對平板流道、三角流道翅片不導熱、三角流 道翅片導熱 3 種不同構型流道的全熱交換器芯體熱 質交換過程進行了有限元模擬計算，結果顯示：三角 流道翅片導熱時，全熱交換器的顯熱效率以及焓效率 要明顯優(yōu)于其他兩種情況；而隨著進口風速的增加， 三角流道翅片不導熱條件下的焓效率逐漸的優(yōu)于平 板流道的焓效率。因此，采用高導熱翅片材料可以有 效地提高全熱交換器的熱交換效率。作者簡介： 鐘秋(1982)，男，山東人，畢業(yè)于西安交通大學，工程熱物理專業(yè)，從事材料熱物性及節(jié)能環(huán)保仿真及實驗研究(zhongqiumail. )。參考文獻：1郭猛.淺談中國建筑節(jié)能發(fā)展趨勢J.建筑節(jié)能,2013,41(263):7