全熱交換器換熱效果的影響因素分析

童克南 ，馮 靜，朱亦丹

(1.中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚(yáng)州225000,China； 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225001,China)

全熱交換器換熱效果的影響因素分析

童克南1，馮 靜2，朱亦丹2

(1.中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚(yáng)州225000,China； 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225001,China)

全熱交換器作為一種無需開窗通風(fēng)的主要通風(fēng)方式已經(jīng)慢慢地被人們所接受。全熱交換器的芯體具有能量交換功能，可以降低空調(diào)的使用效能，作為一種節(jié)能產(chǎn)品被更廣泛使用。對(duì)平行式芯體的全熱交換器和導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器進(jìn)行流體仿真，結(jié)果表明：在全熱交換器相同外形尺寸、風(fēng)機(jī)安裝尺寸的前提下，平行式芯體的全熱交換器換熱效果在溫度換熱效率以及空氣流動(dòng)方面優(yōu)于導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器，其原因在于平行式換熱芯體的相對(duì)空氣流動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，以及其整體布置更加合理。

全熱交換器；平行式芯體；導(dǎo)軌式芯體；流體仿真；換熱效果

0 引 言

我國(guó)能源形勢(shì)緊張，節(jié)能建筑已經(jīng)成為我國(guó)能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略[1]。建筑能耗未來將持續(xù)增長(zhǎng)，而空調(diào)能耗是建筑能耗的主要組成部分。因此，空調(diào)系統(tǒng)必須向著節(jié)能的方向發(fā)展[2]。隨著人民對(duì)生活空氣質(zhì)量的要求逐漸提高，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求也越來越高[3-4]，致使新風(fēng)能耗成為空調(diào)能耗的重要組成部分。如何保證在降低空調(diào)能耗的前提下，完成室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善已成為國(guó)際空調(diào)界關(guān)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(diào)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

全熱交換器的換熱效果是近年來空調(diào)行業(yè)研究的重點(diǎn)。許多研究者對(duì)其換熱芯體進(jìn)行了深入的研究，研究出不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)組合方式以及不同芯體流道的換熱芯體，換熱效率有了很大的改善。但是，全熱交換器的整機(jī)布置以及換熱芯體的形狀也綜合影響全熱交換器的換熱效果。在同樣的芯體流道的前提下，換熱芯體有平行式和導(dǎo)軌式2種安裝方式，平行式芯體是用芯體上下兩面作為導(dǎo)軌使用，沒有具體的導(dǎo)軌安裝，而導(dǎo)軌式芯體是由芯體棱邊作為滑槽使用，有具體的導(dǎo)軌安裝。目前，隨著全熱交換器的緊湊化和小型化的影響，其換熱芯體也緊湊化和小型化，這便導(dǎo)致?lián)Q熱效果會(huì)受到影響，全熱交換器的整機(jī)布置和芯體內(nèi)部相對(duì)空氣流動(dòng)時(shí)間顯得尤為重要。

本文在充分考慮全熱交換器外形尺寸一致以及風(fēng)機(jī)安裝尺寸一致的情況下，采用FLOEFD流體仿真軟件對(duì)平行式芯體和導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的換熱效果進(jìn)行了研究，為改善全熱交換器的換熱效果以及優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣流道和整機(jī)布置等方面提供了基礎(chǔ)的分析依據(jù)。

1 物理模型

平行式芯體的全熱交換器的模型如圖1所示，圖1中左側(cè)為室內(nèi)側(cè)，右側(cè)為室外側(cè)。

導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的模型如圖2所示，圖中左側(cè)為室內(nèi)側(cè)，右側(cè)為室外側(cè)。圖1和圖2中沒有顯示風(fēng)機(jī)模型，但是平行式芯體的全熱交換器和導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器預(yù)留有相同的風(fēng)機(jī)安裝空間，保證研究具有可靠性。

在全熱交換器運(yùn)行時(shí)，室外空氣經(jīng)過全熱交換器的新風(fēng)進(jìn)風(fēng)口與室內(nèi)回風(fēng)空氣在換熱芯體處進(jìn)行能量交換。平行式芯體全熱交換器的空氣流道均在一個(gè)平面內(nèi)，而導(dǎo)軌式全熱交換器的空氣流道是分2層來實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)圖1、圖2中的物理模型進(jìn)行如下假設(shè)：

(1) 除換熱芯體外，不考慮其余的器件散熱與吸熱以及器件的空氣阻力；

(2) 將全熱交換器的壁面設(shè)定為絕熱面，其表面不參與空氣的熱交換過程；

(3) 將新風(fēng)進(jìn)風(fēng)以及室內(nèi)回風(fēng)控制在恒定空氣狀態(tài)下進(jìn)行流體仿真。

2 控制方程及性能參數(shù)

對(duì)于圖1、圖2所示的全熱交換器的換熱芯體，在芯體內(nèi)部，本文以新風(fēng)進(jìn)風(fēng)流動(dòng)方向?yàn)閤方向，以室外排風(fēng)流動(dòng)方向?yàn)閥方向，以流道高度方向?yàn)閦方向，建立直角坐標(biāo)系。流道中傳熱方程為[6]：

(1)

式中：ρ為空氣密度；υ為進(jìn)口空氣流速；T為溫度；cp為空氣比熱；h為對(duì)流換熱系數(shù)；下標(biāo)n表示新風(fēng)側(cè)或者排風(fēng)側(cè)；j表示新風(fēng)流動(dòng)方向x或排風(fēng)流動(dòng)方向y；下標(biāo)o表示出口。

新風(fēng)側(cè)及排風(fēng)側(cè)的邊界條件為：

(2)

溫度效率用下式表達(dá)[7]：

(3)

式中：Tfi為室外空氣溫度，即新風(fēng)進(jìn)風(fēng)；Tfo為交換后溫度，即新風(fēng)出風(fēng)；Tei為交換前溫度，即室內(nèi)回風(fēng)；ηT為溫度交換效率；下標(biāo)i表示流道進(jìn)口。

3 模擬仿真及結(jié)果討論

對(duì)如圖1、圖2所示的物理模型進(jìn)行流體仿真，觀察其溫度換熱效率，模擬參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)定

基于以上數(shù)據(jù)，選取不同的新風(fēng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量和室內(nèi)回風(fēng)風(fēng)量對(duì)平行式芯體和導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器進(jìn)行流體仿真，進(jìn)行多次仿真排除風(fēng)量或風(fēng)速對(duì)芯體溫度換熱效率的影響，新風(fēng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量以及室內(nèi)回風(fēng)風(fēng)量的選取如表2所示。

表2 風(fēng)量選取

同時(shí)，其余模擬參數(shù)保持恒定。流體仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。

根據(jù)仿真結(jié)果圖3～圖8和溫度效率計(jì)算公式(3)可以得到平行式芯體和導(dǎo)軌式芯體在不同風(fēng)量下的換熱效率，結(jié)果如表3所示。

表3 溫度效率計(jì)算

根據(jù)溫度效率計(jì)算結(jié)果,表3繪制平行式芯體和導(dǎo)軌式芯體的溫度換熱效率曲線，如圖9所示。

從圖3～圖9和表3中可以看出平行式芯體的全熱交換器的換熱效果優(yōu)于導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的換熱效果。其原因是，在全熱交換器同等外形尺寸、同等風(fēng)機(jī)安裝尺寸的前提下，從物理模型中可以看出，圖3～圖5室內(nèi)出風(fēng)側(cè)的空氣流動(dòng)狀態(tài)優(yōu)于圖6～圖8的室內(nèi)出風(fēng)側(cè)的空氣流動(dòng)狀態(tài)。并且，平行式芯體的全熱交換器所有空氣是在一個(gè)平面內(nèi)流動(dòng)，不存在“死角”，而導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的空氣流動(dòng)存在“死角”，空氣流動(dòng)狀態(tài)較差。平行式芯體的全熱交換器換熱效果在溫度換熱效率以及空氣流動(dòng)方面優(yōu)于導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器。平行式換熱芯體的相對(duì)空氣流動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，其全熱交換器的整機(jī)布置、空氣流道更加合理。

4 結(jié)束語

本文在充分考慮全熱交換器外形尺寸一致以及風(fēng)機(jī)安裝尺寸一致的情況下，采用FLOEFD流體仿真軟件對(duì)平行式芯體和導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的溫度換熱效果進(jìn)行了研究，為改善全熱交換器的換熱效果以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)的分析依據(jù)。因此，在相同外形尺寸的情況下，采用平行式芯體的全熱交換器的換熱效果優(yōu)于導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器的換熱效果，其原因在于平行式芯體的全熱交換器的空氣流道設(shè)計(jì)優(yōu)于導(dǎo)軌式芯體的全熱交換器，為設(shè)計(jì)與優(yōu)化全熱交換器的結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)，在提高換熱芯體本身的換熱效率外，其空氣流道和整機(jī)布置也極為重要。

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Influence Factors Analysis of Heat Exchange Effect of Total Heat Exchanger

TONG Ke-nan1,FENG Jing2,ZHU Yi-dan2

(1.CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.,Ltd,Yangzhou 225000,China; 2.The 723 Instiute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

As a main ventilation mode without windows,the total heat exchanger has been gradually accepted by people.The total heat exchanger core has the function of energy exchange,can reduce the use efficiency of air conditioning,and has been widely used as an energy-saving product.This paper performs the fluid simulation to total heat exchangers of parallel core and guide core.The results indicate:under the premise of same dimension and wind turbine installation size,the total heat exchanger with parallel core is better than the total heat exchanger with guide core in terms of temperature exchang effect and air flow performance,the reason is that the relative air flow time of parallel heat exchanger core is longer,and its whole collocation is more reasonable.

total heat exchanger;parallel core;guide core;fluid simulation;heat exchang effect

2016-09-01

TU834

A

CN32-1413(2017)01-0115-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.026