換向蓄熱式全熱交熱器組合填料的模擬研究

聞宏杰 劉剛*

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

換向蓄熱式全熱交換器作為一種新概念換熱器，因其裝置小巧靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，具有很好的發(fā)展前景。蓄熱體作為換熱器的核心部件，其內(nèi)部的填料對換熱器熱回收有著重要影響。近些年，國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對蓄熱體的換熱特性做了大量的模擬研究，并取得較多成果。晁陽[1]和杜瑋[2]對蜂窩蓄熱體進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了蓄熱室的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，得出了蓄熱體和氣流溫度的分布規(guī)律和其溫度效率和熱回收效率的關(guān)系。劉映輝[3]運(yùn)用多孔介質(zhì)模型模擬研究了拉西環(huán)的內(nèi)部換熱和流動(dòng)過程。田麗君[4]通過實(shí)驗(yàn)和模擬對比了不同填料下的熱回收效率。Ying Liu[5]等建立高鋁球填料的物理模型，利用多孔介質(zhì)模型模擬了其內(nèi)部換熱過程。

目前大部分研究主要針對單一填料的換熱研究，而對組合型填料的換熱特性問題研究不多。文獻(xiàn)[6]指出全熱交換器其工作過程可當(dāng)成顯熱和潛熱相互獨(dú)立進(jìn)行的，可以單獨(dú)研究顯熱，忽略潛熱部分。所以本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將換熱器的熱濕分開，單獨(dú)研究其顯熱，提出組合填料的形式作為蓄熱體的構(gòu)想，針對換熱器的環(huán)狀和球狀填料的組合填料進(jìn)行數(shù)值模擬，探究其熱工特性，為換向蓄熱式全熱交換器設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

1 模擬簡介

1.1 蓄熱體填料參數(shù)

本次模擬主要研究對象就是蓄熱能力較強(qiáng)的銅球填料，環(huán)狀銅管填料以及兩者組合堆砌而成的組合填料三種，其中銅球的規(guī)格為直徑Φ20 mm的填料，環(huán)狀銅管規(guī)格為Φ15×20×1.5 mm系列。銅作為換熱器中填料的選擇，其具有良好的傳熱、強(qiáng)度和蓄熱能力，其比熱為 390 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù) 386 W/(m·℃)，模擬過程中忽視其物性參數(shù)隨溫度的變化。

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 物理模型建立

蓄熱芯體的結(jié)構(gòu)物理模型如圖1所示。蓄熱芯體為圓筒狀，主要由接口段，漸變段，過渡段和蓄熱體段四部分組成。其為軸對稱，所以芯體內(nèi)氣體溫度及壓力分布等也都具有對稱性。由于蓄熱體內(nèi)填料孔隙尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蓄熱芯體尺度，且孔隙形成的通道也較為非常符合多孔介質(zhì)的特點(diǎn)，因此模擬中進(jìn)行適當(dāng)合理的簡化，可以把蓄熱體視為多孔介質(zhì)，采用多孔介質(zhì)模型的當(dāng)量連續(xù)法進(jìn)行模擬。

圖1 芯體結(jié)構(gòu)物理模型

1.2.2 數(shù)學(xué)模型建立

運(yùn)用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，其控制方程和標(biāo)準(zhǔn)控制方程稍有不同，仍滿足三大數(shù)學(xué)方程：質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，而在建立蓄熱體數(shù)學(xué)模型時(shí)，為簡化計(jì)算過程，作以下簡化：1）流體為理想流體，流體的物性參數(shù)不隨時(shí)間變化。2）忽略空氣在蓄熱體內(nèi)部的輻射換熱而只考慮對流換熱。3）流體進(jìn)口的溫度和速度分布均勻。4）忽略蓄熱體對外界的熱損失。5）忽略蓄熱填料結(jié)構(gòu)尺寸上的小誤差，認(rèn)為其表面積及質(zhì)量分布均勻。

1.2.3 邊界和初始條件

1）邊界條件。Fluent中邊界條件的設(shè)置尤為重要，本次模擬主要涉及三種邊界條件即進(jìn)口邊界，出口邊界和壁面邊界。進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度入口，基準(zhǔn)速度以60 m3/h流量折算。溫度設(shè)置按初始條件來，湍流框選擇湍流強(qiáng)度和水力直徑，并分別設(shè)為5%和0.05 m。出口邊界設(shè)為outflow自由出流，壁面邊界則設(shè)為絕熱面。在模擬其他工況時(shí)，根據(jù)情況調(diào)整速度入口設(shè)置，其他邊界條件不變。

2）初始條件。在模擬初始化的時(shí)候，設(shè)置蓄熱芯體的多孔介質(zhì)區(qū)初始溫度為25℃，單擊path置?；鶞?zhǔn)熱風(fēng)溫度為室外新風(fēng)溫度34℃，冷風(fēng)即為室內(nèi)回風(fēng)溫度25℃，設(shè)置進(jìn)出口面平均溫度為監(jiān)控值，最后設(shè)定好合適的步數(shù)和步長進(jìn)行模擬。換向模擬時(shí)，將原先進(jìn)出口邊界條件進(jìn)行換置，冷風(fēng)冷卻模擬開始。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)及穩(wěn)定過程分析

在熱交換器進(jìn)行工作時(shí)，其內(nèi)部的蓄熱體溫度從開始的自身常溫溫度變到一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)需要經(jīng)歷一個(gè)啟動(dòng)到穩(wěn)定過程。

圖2 基準(zhǔn)換向時(shí)間下的啟動(dòng)過程

圖2表示了在基準(zhǔn)工況換向時(shí)間40 s的情況下，啟動(dòng)過程中熱風(fēng)出口溫度和冷風(fēng)出口溫度的變化過程。熱風(fēng)進(jìn)口端和出口端經(jīng)歷一個(gè)加熱周期后，分別變?yōu)槔滹L(fēng)出口端和進(jìn)口端。開始時(shí)熱風(fēng)溫度為307 K，冷風(fēng)溫度為298 K，在剛開始的幾個(gè)周期內(nèi)，填料溫度較低，蓄熱能力強(qiáng)，熱風(fēng)出口溫度變化不大，隨著時(shí)間進(jìn)行，換熱能力減弱，出口溫度逐漸升高并最終趨于穩(wěn)定。冷空氣的出口溫度在前期的周期內(nèi)溫度升高較快，后面逐漸趨于平緩。因?yàn)樵诿總€(gè)周期內(nèi)加熱期填料吸收的熱量大于冷卻過程中填料釋放的熱量，隨著時(shí)間增加，除熱量在加熱冷空氣外，剩余熱量不斷積累于填料內(nèi)，溫度不斷提升，冷風(fēng)出口溫度不斷升高。最后當(dāng)填料的蓄熱量與放熱量達(dá)到一個(gè)等值時(shí)，熱交換器就算達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，預(yù)示著啟動(dòng)過程結(jié)束。

2.2 換向時(shí)間對組合填料換熱效果影響

換向時(shí)間作為影響換熱器換熱效率的重要操作因素之一，其取值的大小對組合填料的換熱效果影響較大，此外還將對設(shè)備的使用年限產(chǎn)生直接影響。不同的蓄熱填料其換向時(shí)間的選取也各有不同，找出最佳的換向時(shí)間對換熱器性能提升意義深遠(yuǎn)。模擬過程中，保持冷熱風(fēng)進(jìn)口的溫度，速度和填料的組合高度不變。在此基礎(chǔ)上，選擇 40 s、45 s、50 s、55 s四個(gè)不同的換向周期進(jìn)行對比模擬，著重探究換向時(shí)間對組合填料的換熱性能影響變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上找到適合本次研究的組合填料的最佳換向時(shí)間。

圖3 不同換向時(shí)間下熱風(fēng)出口溫度

圖4 不同換向時(shí)間下冷風(fēng)出口溫度

從圖3、圖4中可以看出，蓄熱階段時(shí)，各換向時(shí)間下的熱風(fēng)出口溫度都是隨換熱時(shí)間逐漸增大并到達(dá)一個(gè)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。在相同的換熱時(shí)間內(nèi)，換向時(shí)間越短，蓄熱過程中熱風(fēng)的出口溫度越低且一直低于換向時(shí)間大的工況。同樣，在放熱過程中，冷風(fēng)出口溫度與熱風(fēng)溫度保持相同的變化規(guī)律，先增大后平穩(wěn)。當(dāng)換向時(shí)間越短的工況，其冷風(fēng)出口溫度越高，前期冷風(fēng)出口溫差變化不大，隨著時(shí)間增加，出口溫度差距也逐漸增大。隨著換向時(shí)間變短，冷風(fēng)出口差異增幅減小，說明一味的縮短換向時(shí)間，提升的效果將不再明顯。前面規(guī)律產(chǎn)生的原因主要是：換向周期越大，蓄熱過程中加熱時(shí)間越長，熱風(fēng)出口溫度必然高于換向時(shí)間短的工況。換向時(shí)間短，冷熱風(fēng)之間切換的次數(shù)則越多，填料的溫度則會(huì)越低，這樣使得冷熱風(fēng)與填料之間的溫差變大，換熱效果變強(qiáng)，換熱速率變大，所以換向時(shí)間越短的工況，熱風(fēng)出口溫度越低，而放熱時(shí)導(dǎo)致冷風(fēng)出口溫度越高。

時(shí)間內(nèi)蓄熱芯體吸收的熱量與室內(nèi)空氣中可以被吸收的最大熱量之比定義為組合填料的一個(gè)顯熱效率，通過圖5中可以看出，組合填料的一個(gè)換熱效率和隨換向時(shí)間的增加呈負(fù)相關(guān)，在40 s時(shí)為53.8%，而55 s時(shí)則降到47%，隨換向時(shí)間的縮短，效率的增幅在減小。所以綜合比較換向時(shí)間對組合填料的換熱影響可以看出，換向時(shí)間越長，換熱器的蓄熱階段熱風(fēng)出口溫度越高，填料溫度越高，而放熱過程中冷風(fēng)出口溫度則越低，填料溫度也越低，總的換熱速率越小。從換熱角度來看，換向時(shí)間越短，組合填料的換熱效果則是越好。換向時(shí)間越短帶來的問題則是，換向頻率變大，容易導(dǎo)致裝置的使用壽命受到縮減，經(jīng)濟(jì)損失變大。所以確定換熱器的換向時(shí)間需要從換熱效果和經(jīng)濟(jì)效益兩方面來綜合考慮。

圖5 顯熱效率隨換向時(shí)間變化圖

2.3 填料比例對組合填料換熱效果影響

由于球狀和環(huán)狀兩種填料的孔隙率、形狀等特性并不相同，因此兩者不同比例對整個(gè)組合填料的換熱特性會(huì)產(chǎn)生不同的影響。在其他操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過數(shù)值模擬，模擬不同比例下的組合填料的換熱特性，找出相關(guān)規(guī)律性，得到一個(gè)最佳的比例值。現(xiàn)以球狀和環(huán)狀的體積比例定義為k，模擬中k值分別取1/3、1、3、5四種不同比例工況。最后將模擬得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，分析得出相關(guān)結(jié)論。

圖6、圖7表示的是不同填料比例下蓄熱填料的冷熱風(fēng)出口溫度變化規(guī)律圖。從左圖可以看出，隨著換向周期的增加，幾種比例條件下的熱風(fēng)出口溫度都在逐漸增大并最終至穩(wěn)定狀態(tài)。不同比例的組合填料其熱風(fēng)出口溫度都各不相同，比例k值越大，熱風(fēng)出口溫度越低，k值為5熱風(fēng)出口溫度最低，k值為1/3熱風(fēng)出口溫度最高，說明高比例下組合填料的換熱能力更強(qiáng)，填料在相同時(shí)間下吸收的熱量更多，熱風(fēng)出口溫度越低，所以在此條件下增加球狀填料的體積有助于提升組合填料的換熱能力。此外，隨著比例的增大，熱風(fēng)出口溫度的減小幅度有減小趨勢。從右圖中可以看出，各比例下的冷風(fēng)出口溫度也是隨著換向周期的增加，溫度逐漸升高并至穩(wěn)定狀態(tài)。在前幾個(gè)周期中，各比例之間的差異不大，但隨著換熱周期的增多，不同比例下的冷風(fēng)出口溫度間的差距開始逐漸加大并至穩(wěn)定狀態(tài)。比例k值為5的冷風(fēng)出口溫度最高，比例k值為1/3的冷風(fēng)出口溫度最高，再次說明在基準(zhǔn)風(fēng)速下球狀因其熱容較大，換熱效果明顯。同樣，隨著填料之間的比例加大，各相鄰比例之間的冷風(fēng)出口溫差差距幅度減小，這說明填料比例之間也存在一個(gè)最優(yōu)的值，一味增加比例，可能會(huì)加大經(jīng)濟(jì)支出，而得到的效果也不會(huì)特別的明顯。

圖6 不同比例下熱風(fēng)出口溫度

圖8中表示組合填料換熱效率隨球狀和環(huán)狀比例的變化圖，可以看出，隨著比例的增加效率逐漸增大，當(dāng)球狀填料占比多時(shí)效率明顯更高，當(dāng)比例為5時(shí)最大55.1%，比例為1/3最小49.3%，與此同時(shí)，隨著填料比例的增大，換熱能力的增幅也在逐漸減小，比例小于1的時(shí)候，增幅最大，大于三后開始減弱，雖然k值取5時(shí)，效果最明顯，考慮到其經(jīng)濟(jì)性，成本較大，相對于其增幅效果來說，可取性不大。綜合比較填料比例對組合填料的換熱影響規(guī)律可以看出，在相同的蓄熱和放熱過程中，球狀比例大組合填料，因其熱容大、吸收熱量多，換熱效果好。說明提高球狀填料的占比有利于提高組合填料的換熱能力。最后考慮兩者的體積比例值取3最佳。

圖7 不同比例下冷風(fēng)出口溫度

圖8 顯熱效率隨填料比例變化圖

2.4 填料類型對組合填料換熱效果影響

為探索不同形式類型填料換熱效果，除上述球狀及環(huán)狀填料外，又增加片狀和蜂窩兩種填料，模擬對比它們之間的不同組合形式對組合填料的換熱情況的影響規(guī)律。模擬過程中，涉及到的組合類型包括球狀與環(huán)狀，片狀與環(huán)狀，蜂窩和環(huán)狀，四種形狀的混合狀，每組兩者比例1:1。最后將模擬得到的數(shù)據(jù)繪制成圖，分析得出相關(guān)結(jié)論。

圖9、圖10表示的是不同類型組合蓄熱填料的溫度變化規(guī)律圖。從圖9中可以看出，這幾種不同類型的組合填料它們的熱風(fēng)出口溫度都是隨著周期數(shù)增加，溫度不斷提高并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變化趨勢一致。通過圖9可以看到，組合填料中，環(huán)狀+片狀的組合填料熱風(fēng)出口溫度明顯低于另外三種，蜂窩+環(huán)狀出口溫度最高，球狀+環(huán)狀介于兩者之間，混合填料熱風(fēng)出口溫度接近于球狀+環(huán)狀填料。說明組合型中環(huán)狀+片狀的換熱效果最好，換熱效率為55%，而多類型組合其換熱效果并不是最佳，只比蜂窩+環(huán)狀高約2%。圖10中可以看到，組合類型填料冷風(fēng)出口溫度隨換向周期數(shù)的變化規(guī)律也是先逐漸增大后至穩(wěn)定狀態(tài)。對于組合型填料來說，環(huán)狀+片狀型填料其冷風(fēng)出口溫度最高，蜂窩+環(huán)狀型冷風(fēng)出口溫度最低，再次證明了上述結(jié)論。

圖9 不同填料類型下熱風(fēng)出口溫度

圖10 不同填料類型下冷風(fēng)出口溫度

所以綜合比較填料類型對組合填料的換熱影響規(guī)律可以看出，對于組合型填料來說，其中環(huán)狀加片狀的換熱效果最好，蜂窩加環(huán)狀換熱效果相對而言最差，球狀加環(huán)狀和混合狀填料介于兩者之間。所以對于組合型填料來說，對于換熱面積大，熱容大和低孔隙率的蓄熱填料組合在一起更能改善組合型填料的換熱效果。所以本模擬過程中，在基準(zhǔn)工況下，環(huán)狀加片狀的組合填料效果因其換熱面積，熱容和孔隙率的優(yōu)點(diǎn)而變得最好。

3 結(jié)論

基于組合填料的分布特性，運(yùn)用多孔介質(zhì)模型模擬得出一定程度可以反映實(shí)際情況的結(jié)果，可以根據(jù)實(shí)際情況，改變各類參數(shù)和條件等來模擬不同工況。通過上述模擬可以得出以下結(jié)論：

1）熱交換器工作時(shí)需要經(jīng)歷一個(gè)啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程，啟動(dòng)過程中熱空氣和冷空氣的出口溫度都是不斷升高最后趨于穩(wěn)定，而因填料吸放熱能力不同，兩者出口溫度變化過程也稍有不同。

2）換向時(shí)間對換熱器換熱效率有著較大的影響，隨著換熱時(shí)間的縮短，熱回收效率逐漸提升，當(dāng)換向時(shí)間小到一定程度后，效率提升效果變得不明顯。此外，過小的換向時(shí)間將導(dǎo)致?lián)Q熱裝置換向過于頻繁，縮短設(shè)備使用年限。

3）對于球狀和環(huán)狀兩種組合填料，當(dāng)球狀和環(huán)狀比例為3時(shí)，在基準(zhǔn)低風(fēng)速下，當(dāng)其換熱效果和經(jīng)濟(jì)性最佳。

4）對于組合型填料來說，換熱面積大，熱容大和低孔隙率的蓄熱填料組合在一起更能改善組合型填料換熱效果。本次模擬中環(huán)狀加片狀組合填料效果最佳。

5）對于換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)選取，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮各個(gè)方面，使得其綜合效益最佳。