蓄熱式熱交換器的結構改進及其影響因素的研究

陳 強 馮 毅 范繼珩

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蓄熱式熱交換器的結構改進及其影響因素的研究

陳 強 馮 毅 范繼珩

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

蓄熱式全熱交換器被廣泛應用于空調新風、煙氣排放等系統中進行能量回收。對蓄熱式熱交換器進行了結構的改進，運用數值分析方法綜合探究了蓄熱式全熱交換器的熱交換規律，并初步建立了蓄熱式全熱交換器的蓄熱體長度、換向時間與換熱效率的數學模型，重點探究了不同因素對全熱交換器熱效率的影響，為蓄熱式全熱交換器的設計和使用奠定了理論基礎。

蓄熱式；熱交換器；結構改進；影響因素

0 引言

空調新風系統中進行能量回收的熱交換器在改善室內空氣質量的同時，又能進行高效的能量回收，實現了空氣流通與能源節約的雙贏，因此熱換熱器的優化設計必然是今后重要的發展方向之一。目前，根據能量回收裝置的的結構形式的不同[1]，可以分為轉輪式全熱交換器、靜止平板式全熱交換器、熱管式全熱交換器、盤管或雙塔回收環式等幾大類[2]，其中轉輪式和靜止平板式能夠進行全熱換熱，使得他們的能量回收性能在絕大多數情況下遠優于其他只能進行顯熱換熱的熱交換器。

蓄熱式熱交換器一般設計成轉輪式，是由蓄熱材料構成的轉芯交替轉過新風和排風通道來進行傳熱和傳質[3]，板式全熱交換器則直接通過兩通道之間的隔板進行傳遞能量。在同等的使用環境中，轉輪蓄熱式全熱交換器的總傳熱效率要略優于板式全熱交換器[4]，然而，轉輪式全熱交換器復雜的轉輪機構使得其安裝和維護成本要高于板式全熱換熱器，造成轉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]，因此對蓄熱式全熱換熱器結構的優化設計顯得尤為重要。

1 蓄熱式全熱交換器結構優化設計

綜合考慮轉輪蓄熱式熱交換器轉芯制作工藝及維護的復雜，是其市場擁有率較低的主要原因之一，因此若去除其轉輪結構，則可以在擁有較高換熱效率的同時，兼顧簡化結構的優勢[6]。優化后的蓄熱式全熱交換器結構如圖1所示，在兩個完全相同的的通道中，一側端口分別設置兩個完全相同的可逆軸流風機1。通道內部則用蓄熱材料3進行填充。同時，在通道兩側端口、蓄熱體內部的兩側各放置一個溫度傳感器2，兩個通道中間布置吸濕隔板4。當裝置運行時，兩個可逆軸流風機在控制器控制下，反向轉動，即一個送風，一個排風。送排風過程中蓄熱體和空氣進行熱量交換，蓄熱體溫度變化。蓄熱體內部的四個溫度傳感器會源源不斷的將溫度信息送達控制器，當溫度達到最佳設定值時，控制器控制兩臺風機各自反轉，原來送風通道變為排風通道，排風通道變為送風通道。風向的改變使空氣與蓄熱體之間進行逆向的熱量傳遞。這一相反過程的實現，能達到余熱回收的目的。同時，通道外部兩側的溫度傳感器能分別檢測到室內和室外的溫度，控制器通過比較兩者的溫度差值來調節可逆軸流風機的轉速。當室內外溫差較大時，風機輸出較大轉速，充分利用溫差帶來的傳熱效率高這一優勢；當室內外溫差較低時，風機輸出較低轉速，空氣和蓄熱體之間能夠進行充分的換熱。

圖1 蓄熱式全熱交換器

送風過程中蓄熱體和空氣進行熱量交換，蓄熱體溫度變化。蓄熱體內部的四個溫度傳感器會源源不斷的將溫度信息送達控制器，當溫度達到最佳設定值時，控制器控制兩臺風機各自反轉，原來送風通道變為排風通道，排風通道變為送風通道。風向的改變使空氣與蓄熱體之間進行逆向的熱量傳遞。這一相反過程的實現，能達到余熱回收的目的。同時，通道外部兩側的溫度傳感器能分別檢測到室內和室外的溫度，控制器通過比較兩者的溫度差值來調節可逆軸流風機的轉速。當室內外溫差較大時，風機輸出較大轉速，充分利用溫差帶來的傳熱效率高這一優勢；當室內外溫差較低時，風機輸出較低轉速，空氣和蓄熱體之間能夠進行充分的換熱。

這種結構形式的蓄熱式熱交換器取消了轉輪機構，而通過改變風向來實現吸熱和放熱，實現更加容易安裝和維護的優化目標。同時，該型蓄熱式全熱交換器與空調系統一起實現智能化控制，使得傳熱效率更加穩定。

2 蓄熱式全熱交換器換熱效率影響因素分析

2.1 數學模型的建立

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完全相反的過程，而且互不干擾，因此兩個過程數學模型相同，僅僅是初始邊界條件相反[7]。所以蓄熱式全熱交換器的數學模型就是一個傳熱過程的數學模型。

為建立傳熱傳質過程的數學模型，可做如下假設：蓄熱體構成的每個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及各處對流換熱系數恒定；蓄熱體與流動垂直方向的導熱遠大于軸向方向的傳熱；忽略輻射傳熱影響。因此建立模型時僅需考慮軸向方向的溫度分布。根據能量守恒，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為流體的質量流速，kg/s。

此模型建立在蓄熱體內部無軸向導熱的假設之上，而在實際的情況之中，有些蓄熱體材料的導熱系數較大，因此無法忽略其對蓄熱式全熱交換器換熱性能的影響，Willmott[8]等通過實驗和理論分析，對兩者之間的關系進行了總結，建立了修正關系式。

2.2 蓄熱體內部的溫度分布數學模型

研究上述數學模型，可以得出新排風的溫度、迎風風速、蓄熱體的長度等對蓄熱式換熱器的熱效率有較大的影響。然而對于換向型蓄熱式熱交換器而言，換熱周期的確定成為一個不可回避的關鍵問題。換熱周期過短，導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，則會造成不必要的浪費，無法達到節約資源的目的。通過對換向型蓄熱式熱交換器的工作原理進行分析，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重要。因此，通過溫度前沿擴展理論來分析蓄熱器內部溫度分布，并以此為基礎，探究換熱效率隨時間的變化關系，從而選擇一個較高換熱效率的換向時間。

采用數理統計分析法對混合擴散一中心對稱模型進行分析，最終得到蓄熱式熱交換器內部蓄熱體的溫度的梯度變化，其數學描述為[9]：

其中：

其中：

再結合佩格列數的推導公式：

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。這些曲線上的點代表蓄熱體軸向的溫度分布變化，通過分析建立的數學模型充分認識

圖2 蓄熱體溫度隨時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學模型，其曲線的形態僅僅取決于2，因此在進行換熱效率因素分析時，可以通過對2的分析來確定蓄熱體結構長度、換向時間等因素對換熱效率的影響。現在我們引入一個常數A，對式（10）進行變形，可以得到一新的數學模型：

（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，蓄熱體的導熱系數為k=206W/m·℃。圖3是根據建立的數學模擬計算結果，根據變化曲線可知，當蓄熱體長度越長時，其換熱更加充分，蓄熱體的換熱效率越高。但是在實際操作過程中，蓄熱體的長度不可能無限長，因此需要選定一個比較合理的長度范圍，既能夠達到較高的換熱效率，又能夠最大程度的節約空間和制造成本。仔細分析圖表的變化，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系圖

（2）蓄熱體當量直徑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，蓄熱體的當量直徑與常數的關系如圖4所示。觀察圖形可知，隨著當量直徑的變化，換熱器的換熱效率有著較大的變化，較小的當量直徑伴隨著較高的換熱效率，當當量直徑增大時，其換熱效率迅速降低，主要原因是熱阻的增加以及相對換熱面積的減少，影響了其綜合傳熱能力，因此在進行交換器設計時，換熱器的結構尺寸是一個非常重要的考慮因素。

圖4 C值隨蓄熱體當量直徑的變化關系

（3）流體流速的影響

選取蓄熱體的當量直徑d=0.005m，導熱系數k=206W/m·℃，蓄熱體長度=0.3m，對不同流體流速下的常數的變化關系進行模擬運算，如圖5所示。對于一個固定的蓄熱式換熱器而言，增加流體流速會增加其對流換熱系數，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，因此流速的確定對于換熱器的設計顯得至關重要。

圖5 C值隨蓄熱體流體流速的變化關系

（4）導熱系數k的影響

圖6是導熱系數k對值的影響關系曲線，觀察曲線，兩者的關系并非單純的線性關系，當蓄熱體由導熱系數較小的材料替換為導熱系數較大的材料時，換熱器的換熱效率提升較大，但是當材料的導熱系數大到一定程度時，即導熱系數在200W/m·℃以上時，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熱系數對其換熱效率有較大影響，應首先選擇導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熱性能，這對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。

圖6 C值隨蓄熱體導熱系數的變化關系

4 結論

本文對蓄熱式熱交換器的結構進行了改進，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構，大大簡化了設計和制造的難度。同時對該結構的蓄熱式熱交換器進行了數學分析，建立了適合新結構的數學模型，為蓄熱式熱交換器的結構選型和設計提供了最基本的理論基礎。在該模型基礎上，采用數值分析的方法，得到了最佳的蓄熱體長度、當量直徑、流體流速以及導熱系數的選擇，對實際的蓄熱體的設計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（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