石墨烯板翅式全熱換熱器性能試驗研究

陳劍波，洪詩穎，韓昆宏

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，導(dǎo)致空調(diào)能耗增加，資料顯示新風(fēng)能耗通常占空調(diào)能耗的15%～24%［1］。為降低空調(diào)運行時的新風(fēng)能耗，研究新排風(fēng)熱回收技術(shù)具有實際意義。新排風(fēng)熱回收技術(shù)有很多，包括板式顯熱換熱器、熱管換熱器、熱泵熱回收以及溶液式全熱回收裝置等［2］。本文主要針對越來越廣泛應(yīng)用的小型熱回收新風(fēng)機組中全熱板翅式換熱器性能進行研究。

為了提升板翅式換熱器換熱性能，降低新風(fēng)能耗，國內(nèi)外許多學(xué)者對其熱值交換模型以及性能影響因素等做了大量研究。劉硯文等［3］建立了準(zhǔn)逆流式流動全熱換熱器模型，研究了全熱交換芯體的最佳性能。ZHANG［4］提出了一種叫準(zhǔn)逆流式平行板全熱回收器，建立了該流動形式的傳熱傳質(zhì)模型，對熱質(zhì)交換效率進行模擬研究。徐百平等［5］研制出了三角翼翅片型與螺旋型擾流件，試驗研究了其對流體阻力以及強化傳熱的影響。王穎等［6］通過研究二/一次風(fēng)量比對板翅式換熱器換熱性能的影響，認為需綜合考慮由于二次空氣流量增大引起的風(fēng)機能耗問題。金洋帆等［7］對板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的不同布水方式的換熱性能進行了對比試驗。

由于新興材料的出現(xiàn)，關(guān)于板翅式換熱器的芯材研究越來越多。ZHANG［8-9］通過研究三角形通道的板翅式換熱器的流動與傳熱規(guī)律，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)較低的新型材料如紙、高分子膜等材料的換熱效果沒有金屬材料好。張傳禹［10］對板翅式全熱換熱器熱濕交換膜的醋酸纖維素薄膜、親水紙和不同孔徑大小材料的透水性能進行試驗研究。陶冶［11］通過試驗對比研究了4 種不同全熱交換芯體材料的吸濕作用，并優(yōu)化設(shè)計出擁有更好傳熱透濕性能的全熱交換芯體材料。根據(jù)以上研究表明，學(xué)者對板翅式換熱器芯體材料的研究更側(cè)重于傳質(zhì)性能方面，或者在討論換熱效果時忽略了傳質(zhì)性能的影響。

由于石墨烯材料在板翅式換熱器芯體材料的研究較少，本文將針對小型熱回收新風(fēng)機組用的石墨烯板翅式全熱換熱器性能進行試驗研究。

1 熱回收新風(fēng)機組試驗設(shè)計

1.1 被測對象和試驗平臺

此次板翅式全熱交換芯體試驗測試材料有石墨烯材料以及常用瓦楞紙材料，外觀如圖1 所示。石墨烯芯體單層層高為2.0，3.0 mm 2 種，流道形狀為長方形（以下簡稱石墨烯2.0 芯體和石墨烯3.0 芯體）。石墨烯2.0 芯體流道結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。石墨烯3.0 芯體流道結(jié)構(gòu)與石墨烯2.0 芯體相似，唯一的區(qū)別是層高增加為3 mm。瓦楞紙材料芯體選擇具有較高熱濕交換效率的芯體，其單層層高為2.0 mm，流道形狀為三角形（以下簡稱瓦楞紙芯體），其流道結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖1 被測試驗材料Fig.1 Experimental materials to be tested

圖2 流道結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of flow channel structure

全熱交換芯體在新風(fēng)機組中采用橫向安裝，新風(fēng)機組中安裝了兩段同種材料相同大小規(guī)格的芯體，將2 個合為一體來計算外形尺寸，截面形狀為菱形，如圖3 所示。

圖3 芯體三維模型Fig.3 Schematic diagram of 3D model of the core

新風(fēng)機機組的新排風(fēng)口直徑為200 mm，額定風(fēng)量為500 m3/h，額定功率為180 W，新風(fēng)機組模型如圖4 所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及換熱芯體安裝方式如圖5 所示。各項尺寸參數(shù)見表1。機組外貼保溫棉主要為了防止試驗時機組漏熱，確保測試精度。

表1 各芯體材料試驗樣機參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental prototype of each core material

圖4 新風(fēng)機組三維模型Fig.4 Three-dimensional model diagram of fresh air handling unit

圖5 新風(fēng)機組結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of fresh air handling unit

本次試驗在焓差試驗室中進行，數(shù)據(jù)的記錄通過LABVIEW 編程軟件進行記錄。焓差試驗室由室外側(cè)、室內(nèi)側(cè)、集控室3 部分組成。室外側(cè)與室內(nèi)側(cè)分別模擬室外、室內(nèi)溫濕度工況，集控室用于試驗人員操作試驗設(shè)備與記錄數(shù)據(jù)。試驗中的溫濕度和風(fēng)量分別由溫濕度傳感器和風(fēng)量測試裝置來得到。

1.2 試驗工況及方法

熱回收新風(fēng)機組需要在要求的標(biāo)準(zhǔn)工況下進行測試，冬、夏季標(biāo)準(zhǔn)工況見表2。

表2 冬、夏季標(biāo)準(zhǔn)工況Tab.2 Standard operating conditions in winter and summer ℃

本試驗參考GB/T 21087—2020 中的兩室法來測量換熱芯體的熱濕交換效率，試驗原理如圖6 所示。

圖6 試驗原理Fig.6 Schematic diagram of the experiment

在一定的新排風(fēng)量下，通過測量新風(fēng)進、出及排風(fēng)進風(fēng)的干球溫度和濕球溫度，計算得到其含濕量和焓值，參考標(biāo)準(zhǔn)中的熱濕交換效率計算公式求得新風(fēng)機組芯體的溫度交換效率、濕量交換效率以及焓交換效率。

溫度交換效率（即顯熱交換效率）εt：

濕度交換效率（即潛熱交換效率）εd：

焓交換效率（即全熱交換效率）εh：

式中，txj為新風(fēng)進風(fēng)干球溫度，℃；txc為新風(fēng)出風(fēng)干球溫度，℃；tpj為排風(fēng)進風(fēng)干球溫度，℃；xxj為新風(fēng)進風(fēng)含濕量，kg/kg；xxc為新風(fēng)出風(fēng)含濕量，kg/kg；xpj為排風(fēng)進風(fēng)含濕量，kg/kg；ixj為新風(fēng)進風(fēng)空氣焓值，kJ/kg；ixc為新風(fēng)出風(fēng)空氣焓值，kJ/kg；ipj為排風(fēng)進風(fēng)空氣焓值，kJ/kg。

由于石墨烯和瓦楞紙芯體的熱回收新風(fēng)機組帶有新風(fēng)風(fēng)機和排風(fēng)風(fēng)機，計算熱交換效率時需要考慮風(fēng)機得熱量引起的溫升。引起的溫升為：

式中，Δtf為風(fēng)機得熱量引起的溫升，℃；P 為風(fēng)機全壓，Pa；ρ為風(fēng)機輸送空氣的密度，kg/m3；c 為空氣比熱容，J/（kg·℃）；ηf為風(fēng)機全壓效率，一般可取0.5～0.8；ηm為電機效率，一般可取0.8～0.9。

通過計算得到風(fēng)機得熱量引起的溫升，對溫度交換效率以及焓交換效率計算進行修正，得到芯體相應(yīng)的熱交換效率。

本試驗在測試熱交換芯體阻力時，將芯體直接安裝在室內(nèi)側(cè)的風(fēng)量測試裝置上，通過調(diào)節(jié)測試裝置上的引風(fēng)機頻率來控制所需的風(fēng)量，通過芯體的迎風(fēng)截面積計算獲得迎面風(fēng)速，測量風(fēng)量測試裝置上的靜壓值得到其相應(yīng)的芯體阻力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同芯體試驗結(jié)果比較

2.1.1 不同芯體熱濕交換效率比較

為了研究石墨烯芯體的熱濕交換性能并探究芯體單層層高的影響，以石墨烯2.0 芯體為試驗研究主體，瓦楞紙芯體和石墨烯3.0 芯體為試驗對照組。在標(biāo)準(zhǔn)試驗工況下對3 種換熱芯體在相同迎面風(fēng)速下的熱濕交換效率進行比較。換熱芯體的各項參數(shù)見表3。

表3 換熱芯體的各項試驗參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of heat exchanger core

圖7 示出在標(biāo)準(zhǔn)工況下，芯體迎面風(fēng)速為0.64 m/s 時3 種換熱芯體的熱濕交換效率比較。在冬季工況下，石墨烯2.0 芯體的焓效率比石墨烯3.0 芯體的焓效率高9.9%，比瓦楞紙芯體的焓效率低1.5%；在夏季工況下，石墨烯2.0 芯體的焓效率比石墨烯3.0 芯體和瓦楞紙芯體的焓效率分別高4.1%和0.2%?？梢钥闯鰺o論是在冬季還是夏季的標(biāo)準(zhǔn)工況下，石墨烯2.0 芯體的焓效率與瓦楞紙芯體相差不大，但要高于石墨烯3.0 芯體。

圖7 冬夏季標(biāo)準(zhǔn)工況下芯體熱交換效率Fig.7 Heat exchange efficiency of core under standard operating conditions in winter and summer

表4，5 分別列出了夏季和冬季標(biāo)準(zhǔn)工況下3種熱交換芯體傳熱傳質(zhì)性能比較。無論是在夏季工況還是冬季工況下，兩種石墨烯芯體單位風(fēng)量和面積下顯熱換熱量相較于瓦楞紙芯體高了近50%，因此石墨烯材料具有非常好的導(dǎo)熱性能。在冬夏季工況下，將石墨烯2.0 芯體的單位風(fēng)量和一次面積下水分轉(zhuǎn)移量相較于同樣單層層高的瓦楞紙芯體平均高約4%左右，說明石墨烯材料的濕交換性能比瓦楞紙材料也要好一些。并且從表中數(shù)據(jù)可知兩種石墨烯芯體單位風(fēng)量和面積下全熱換熱量比瓦楞紙芯體高了50%左右，因此石墨烯材料相較于瓦楞紙材料具有更好的熱濕交換能力。兩種石墨烯芯體單位風(fēng)量和面積下顯熱換熱量相差不大，新排風(fēng)單位風(fēng)量顯熱交換量與總換熱面積有關(guān)，即一次和二次換熱面積都起到了換熱作用；而新排風(fēng)單位風(fēng)量水分轉(zhuǎn)移量主要與一次換熱面積有關(guān)，在夏季工況下石墨烯3.0 芯體的單位風(fēng)量和一次面積下水分轉(zhuǎn)移量較大，在冬季工況下則是石墨烯2.0 芯體的較大，這說明石墨烯芯體新排風(fēng)單位風(fēng)量水分轉(zhuǎn)移量還與單層高度有關(guān)，并且濕量的轉(zhuǎn)遞具有方向性。

表4 夏季各芯體換熱參數(shù)Tab.4 Heat transfer parameters of cores in summer

表5 冬季各芯體換熱參數(shù)Tab.5 Heat transfer parameters of each core in winter

2.1.2 不同芯體的阻力比較

在評價全熱交換芯體的性能時，除熱濕交換效率評價指標(biāo)外，同時還需要考慮芯體的阻力。

如圖8 所示，石墨烯2.0 芯體的單位沿程阻力比石墨烯3.0 芯體高50%，石墨烯芯體的單位沿程阻力與芯體的流道單層層高成反比，這是由于芯體流道層高降低，使芯體換熱面積增大并且熱濕換熱效率提升，導(dǎo)致阻力也迅速增大。

圖8 全熱交換芯體的單位沿程阻力比較Fig.8 Comparison of unit resistance of total heat exchange core

由圖8 還可得，瓦楞紙芯體的單位沿程阻力比石墨烯2.0 芯體高86.1%，由表4 數(shù)據(jù)可知，在二者的流道層高、芯體外型尺寸和流道長度一樣的前提下，瓦楞紙芯體為了結(jié)構(gòu)的需要同時提升熱濕交換效率采用了三角型通道，導(dǎo)致瓦楞紙芯體的總換熱面積比石墨烯2.0 芯體大53.2%，但仍然小于單位沿程阻力的增加率，即86.1%，這也說明瓦楞紙芯體的流道摩擦系數(shù)要比石墨烯2.0芯體大了約21.5%。因此，在相同的外型尺寸和相近的全熱交換效率下，石墨烯2.0 芯體相較瓦楞紙芯體阻力大幅下降，對于小型熱回收新風(fēng)機組不僅大大節(jié)約了新排風(fēng)機長期運行的能耗，還較大幅度減少了風(fēng)機所需的壓頭，降低了風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，顯著降低了機組運行的噪聲。

2.2 迎面風(fēng)速對不同材料芯體熱濕交換效率及阻力影響

圖9 示出石墨烯2.0 芯體和瓦楞紙芯體在不同迎面風(fēng)速下熱濕效率的變化情況。在冬夏季工況下不同風(fēng)速時由于試驗采用的瓦楞紙芯體具有較大的換熱面積，其溫度效率均高于石墨烯2.0 芯體。二者溫度效率隨迎面風(fēng)速的提高均呈下降趨勢。冬季工況下，石墨烯芯體和瓦楞紙芯體的溫度交換效率基本保持不變，這主要由于換熱溫差較大使得迎面風(fēng)速對溫度效率影響較弱。夏季工況下石墨烯芯體的溫度效率下降9.6%，下降趨勢逐漸減緩，瓦楞紙芯體的溫度效率下降了11.3%，下降趨勢基本不變。從兩種芯體溫度效率的下降趨勢可以得出，石墨烯芯體的溫度效率受迎面風(fēng)速增大的影響小一些。在冬季工況下不同風(fēng)速時石墨烯2.0 芯體與瓦楞紙芯體的濕度效率差別不大，在夏季工況下石墨烯2.0 芯體的濕度效率則均高于瓦楞紙芯體，并且瓦楞紙芯體的一次換熱面積還略大一些，這也再次證明石墨烯材料的濕交換性能要優(yōu)于瓦楞紙材料。

圖9 不同迎面風(fēng)速下熱濕交換效率的變化Fig.9 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different frontal wind speeds

從圖中還可知，迎面風(fēng)速提高時兩種芯體的濕度效率總體都呈下降趨勢。冬季工況下石墨烯2.0 芯體和瓦楞紙芯體的濕度效率分別下降了8.1%，6.9%；夏季工況下石墨烯2.0 芯體和瓦楞紙芯體的濕度效率分別下降了2.6%，3.3%。二者下降趨勢基本一致。在冬夏季工況下，不同風(fēng)速時石墨烯2.0 芯體與瓦楞紙芯體的總體焓效率差別不大，由于瓦楞紙芯體相較于石墨烯芯體具有更大的總換熱面積，因此也證明了石墨烯材料的全熱交換性能比瓦楞紙材料更好。冬季工況下迎面風(fēng)速提高時石墨烯芯體和瓦楞紙芯體的焓效率都下降了2%，夏季工況下則分別下降了4.2%和5.1%。二者下降趨勢基本一致。

圖10 示出2 種芯體在不同迎面風(fēng)速下沿程阻力的變化情況。迎面風(fēng)速從0.55 m/s 提高到0.73 m/s，2 種芯體的沿程阻力均呈上升趨勢。石墨烯2.0 芯體和瓦楞紙芯體的沿程阻力分別上升了34.8，60.9 Pa/m，2 種芯體的沿程阻力差值從56.5 Pa/m 上升到了82.6 Pa/m，這也再次證明瓦楞紙材料的流道摩擦系數(shù)要比石墨烯材料大。并且石墨烯芯體的沿程阻力不僅遠遠小于瓦楞紙芯體，隨著迎面風(fēng)速提高，其上升趨勢也更為平緩。

圖10 不同迎面風(fēng)速下單位沿程阻力的變化Fig.10 Variation of unit resistance under different frontal wind speeds

迎面風(fēng)速的增大使得石墨烯芯體全熱交換效率下降以及沿程阻力上升，雖然相較于瓦楞紙芯體，二者全熱交換效率的下降趨勢差別不大，但石墨烯芯體沿程阻力的上升趨勢更為平緩。因此在設(shè)計小型熱回收新風(fēng)機組風(fēng)量時應(yīng)該綜合考慮機組體積、熱回收效率、風(fēng)機功耗和噪聲。在相同熱回收新風(fēng)機組尺寸的情況下，采用石墨烯2.0 芯體替代目前高效的瓦楞紙芯體，在風(fēng)量調(diào)節(jié)時能夠保持同水平的熱回收效率，并且運行能耗更低，噪聲也更小。

2.3 新風(fēng)溫度對石墨烯芯體熱濕交換效率影響

圖11 示出石墨烯2.0 芯體在定風(fēng)速時冬夏季不同室外新風(fēng)干球溫度下熱濕交換效率的變化。在冬季工況下保持相對濕度不變，隨著室外新風(fēng)溫度的提升，含濕量也逐步提高，但石墨烯2.0 芯體的溫度效率、濕度效率和焓效率分別穩(wěn)定在73.5%，70%和72%附近，其變化不大，這主要由于冬季時室內(nèi)外溫差較大，室外新風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)相對于新排風(fēng)溫差變化較小，并且新風(fēng)溫度基本上都在室內(nèi)排風(fēng)的露點以下變化，傳熱和傳質(zhì)過程相對穩(wěn)定，因此石墨烯2.0 芯體的熱濕交換效率變化都不大。在夏季工況下保持相對濕度不變，當(dāng)室外新風(fēng)干球溫度由31 ℃提升到34 ℃時，石墨烯2.0 芯體的溫度效率、濕度效率以及焓效率分別增長了4.1%，2.6%和3.1%，增長趨勢較為顯著。主要原因是室外新風(fēng)溫度的提升相對于新排風(fēng)溫差變化顯著，并且石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性，使得溫度效率上升較快。但是當(dāng)室外新風(fēng)溫度達到35 ℃時，排風(fēng)溫度已接近于新風(fēng)狀態(tài)的露點溫度，使得石墨烯2.0 芯體的一次換熱面存在大量水分，大大降低了導(dǎo)熱性能，導(dǎo)致溫度效率基本保持不變，濕度效率以及焓效率有輕微的下降。

圖11 冬夏季不同室外新風(fēng)干球溫度下熱濕交換效率的變化Fig.11 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different outdoor fresh air dry bulb temperatures in winter and summer

綜上所述，夏季相比于冬季，相對濕度不變情況下，室外新風(fēng)溫度的變化對石墨烯2.0 芯體的熱濕交換效率影響更大，隨著新風(fēng)溫度增加，溫度效率有顯著提高，濕度效率以及焓效率也呈上升趨勢，但當(dāng)新風(fēng)溫度超過一定范圍時，石墨烯2.0芯體的溫度效率將不會繼續(xù)升高，濕度效率和焓效率甚至可能會有小幅下降。

2.4 新風(fēng)相對濕度對石墨烯芯體熱濕交換效率影響

圖12 示出石墨烯芯體在定風(fēng)速時冬夏季不同室外新風(fēng)相對濕度下熱濕交換效率的變化。干球溫度保持不變，在室外新風(fēng)相對濕度由50%提升到70%的過程中，石墨烯2.0 芯體在冬夏季的濕度效率均有顯著提升，分別提高了8.9%和6.7%，這主要由于室外相對濕度的增加，濕阻系數(shù)不斷減小，新風(fēng)的濕度變化相對于室內(nèi)外的濕度差變化顯著，另外石墨烯材料本身也具有較好的濕交換性能，因此石墨烯2.0 芯體的濕交換效率有顯著的提升。但溫度效率變化不大，特別是夏季工況，隨著新風(fēng)濕度的提高，露點溫度越來越高，換熱面上水分含量不斷增加，導(dǎo)熱性能開始下降，溫度效率也有所下降，但隨著換熱面上水分含量達到穩(wěn)定，溫度效率又有所上升。隨著新風(fēng)相對濕度的不斷增加，由于濕度效率的顯著提升，石墨烯2.0 芯體的焓效率也逐步提升。

圖12 冬夏季不同室外新風(fēng)相對濕度下熱濕交換效率的變化Fig.12 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different outdoor fresh air relative humidity in winter and summer

綜上所述，由于石墨烯材料本身具有較好的濕交換性能，隨著室外相對濕度的提高，溫度效率變化不大，石墨烯2.0 芯體的濕度交換效率和焓交換效率則有較大的提升。

3 結(jié)論

（1）石墨烯材料相較于瓦楞紙材料具有更好的導(dǎo)熱性能和濕交換性能。石墨烯芯體的新排風(fēng)單位風(fēng)量水分轉(zhuǎn)移量不僅主要與一次換熱面積有關(guān)，還與單層高度有關(guān)，而且濕量交換具有一定的方向性。

（2）瓦楞紙芯體的流道摩擦系數(shù)比石墨烯2.0芯體大了約21.5%，采用石墨烯2.0 芯體可以有效減小風(fēng)壓損失。

（3）迎面風(fēng)速在一定范圍內(nèi)增加，瓦楞紙芯體單位沿程阻力的增長趨勢相較于石墨烯2.0 芯體更為顯著。因此在對小型熱回收新風(fēng)機組進行設(shè)計時，采用石墨烯芯體替代目前高效的瓦楞紙芯體，在風(fēng)量調(diào)節(jié)時能夠保持同水平的熱回收效率，并且運行能耗更低，噪聲也更小。

（4）夏季工況下，在一定的室外新風(fēng)溫度范圍內(nèi)，石墨烯2.0 芯體的熱濕交換效率與室外新風(fēng)溫度呈正相關(guān)，在南方地區(qū)夏季多高溫天氣的情況下，采用石墨烯2.0 芯體可以有效提高熱回收效率，減少耗電量。隨著室外相對濕度的提高，石墨烯2.0 芯體的濕度效率有較大幅度的提升，因此在濕度較大的地區(qū)可以采用石墨烯作為全熱換熱器芯體材料。