特斯拉閥消除全熱交換機交叉污染的設計

馮騰

（武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢430070）

1 概述

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器可以在兩種或者兩種以上不同溫度的流體之間實現物料之間的熱量傳遞，收集這一部分熱量，用于其他方面生產應用，從而防止這部分的熱量散發到空中而造成浪費，根據流程規定所需要達到的指標，通過改進不同的換熱器從而實現不同的換熱效率，以達到所需工藝條件。

隨著城市的發展，換熱器的應用越來越廣泛。目前常見的換熱器分為兩類：顯熱換熱器與全熱換熱器。較顯熱換熱器來說，全熱換熱器可以同時回收空氣中含有的顯熱與潛熱，換熱效率更高，作為熱回收設備廣泛應用于空調換氣系統。但全熱換熱器的不足之處是會產生交叉污染，如何解決全熱換熱器產生的交叉污染問題成為了關鍵。

2 設計方案

2.1 交叉污染發生機理

2.1.1 轉輪式全熱交換器工作原理

轉輪式全熱交換器分為上下兩個區，在上區室內向室外排風時，空氣中的熱量與水分絕大部分積聚在轉輪中，并在下區釋放，由新風吸收利用這部分熱能。轉輪式全熱交換器主要由轉芯、轉輪驅動機構、外殼和清潔熱交換器等部件組成。

轉輪式全熱換熱器有如下特點：由于內部有兩個隔板，上側的板是負責排出室內空氣，而室外的新風則在轉輪芯的下側進入室內，與此同時，上下側的新風和排風是逆向交換；空氣是靠新風和排風的溫差和水蒸氣的壓力差進行的濕熱交換，因此在這個過程中，極易可能由于空氣中的污染物粘附在新風口和排風口而造成相應的污染。

2.1.2 轉輪式全熱交換器交叉污染的發生機理

由于輪轉式全熱交換器使用了具有微孔結構的吸附劑作為它的吸濕材料，因此在吸附水蒸氣的同時，也會吸附空氣中的其他有毒氣體。在熱交換時，由于氣體流速較快，會有部分有害氣體沒有被轉輪上的吸附劑充分吸收，導致污染；在熱交換時，有害氣體可能隨輪盤轉動未經過吸附劑而返回室內，造成污染；使用時間過長后，在室內外環境變化過大時，會有部分污染物從吸附劑上脫離，造成污染。

2.2 特斯拉閥傳風管道的總體設計

2.2.1 特斯拉閥傳風管道的設計

特斯拉閥是由尼古拉·特斯拉提出的一種不可動部件閥，特斯拉閥是一種單向導通氣流閥，具有單向導通性。在氣流正向通過特斯拉閥時，能夠自由通過并獲得一定程度上的加速效果；當氣流逆向通過時會產生回流，阻礙氣體的流動。相比于傳統閥門，特斯拉閥不可動部件使用的壽命會更長，且容易大量生產，特斯拉閥在控制流體系統中起到了至關重要的作用。

基于全熱交換器的特點，設計環形特斯拉閥傳風管道，分別安裝在交換器兩端。在進氣口處安裝較長的正反向交替的特斯拉閥傳風管道，使得在進氣時氣流能夠穩定通過特斯拉閥，保證換熱的效果；在出氣口反向安裝較短的傳風管道，在保證氣流依舊可以通過的前提下，增大氣流回流量以減速氣流，并在內壁涂布吸附劑，對于產生的交叉污染氣體進一步回收處理。

2.2.2 出風口特斯拉閥弧口吸附層設置

氣流逆向流動時會在特斯拉閥弧口處形成溯流，方向相反的氣流相撞既可以減速氣流流動，又可以使氣流充分散亂，形成局部亂流的效果。在出風口特斯拉閥弧口處設置吸附層，可以有效地吸附部分因交叉污染而造成的有害氣體。通過設置多個逆向特斯拉閥，能夠減速氣流并分級吸收，解決交叉污染的問題。

2.3 改進后轉輪式全熱交換器工作流程

改進后的轉輪式全熱交換器工作流程如下：轉輪式全熱交換器有2個通風口，分別是2個進口、2個出口，其中一個入口是室內臭氣通過管道，穩速進入轉輪式全熱交換器；另一條入口是外界空氣進入管道，穩速進入轉輪式全熱交換器，兩個通風口是逆流方向交換氣體。經過轉輪式全熱交換器的一系列處理，第一個排氣口經過管道減速，吸收相應的物質，然后排出到外界；第二個排氣口經過另一條管道，進行減速、吸收，排出了室內新氣。這樣一個兩進兩出的過程，一直循環執行，因此，這樣的改進后轉輪式全熱交換器在含有特斯拉閥弧口吸附層的出風口的出現下，有效吸附了有害氣體，減少了交叉污染。

3 可行性分析

3.1 特斯拉閥單向導通性分析

特斯拉閥具有單項導通性的特點。正向流動的流體主要沿傾斜直通道流動，直通道兩端的彎管會產生一定的壓差，有加速氣體流速的功能；逆向流動的流體會沿傾斜直管道進入彎管，流動方向大幅改變，產生極大的阻力，有效減速流體。

特斯拉閥的單項導通性可以通過流量與壓降之間的關系表示，采用Diodicity參數模型，相關計算公式如下：

式（1）中：Di為Diodicity參數；ΔPr為正向流動時管道產生的壓降；ΔPf為逆向流動時管道產生的壓降。

式（2）中：ρ為流體密度；V為合速度矢量，在x、y、z三個方向的分量分別為u、v、w。

式（3）（4）（5）中：ρu為動力粘度；p為流體微團上的壓力；Fx、Fy、Fz為作用在流體微團三個方向上的質量力。

式（6）（7）中：div（）為散度運算符；α為給定矢量；grad（）為梯度運算符；a為給定標量。

通過求解上述方程可以求解流量與壓降之間的關系，將相關數據代入上述公式，得出以下結論：①隨流量增大，正、逆向流動的壓降均增大，且逆向增大速度遠高于正向增大速度，代表著流體在逆向流動時會更加困難，有著單向流動性；②將多個特斯拉閥連接起來，特斯拉閥的單向導通率會明顯增大，因此，可以通過控制特斯拉閥的單元個數來調控流體速度，能夠達到在保證排風口正常排風的前提下最大程度減緩流速，減少交叉污染的發生。

3.2 特斯拉閥弧口吸附層分析

經過相關調查目前的吸附劑種類與特性如表1所示。

表1 各類吸附劑的特性

為避免影響特斯拉閥的正常使用，且能夠較好吸收交叉污染所產生的污染物，綜合考慮采取氧化鋁作為吸附層材料。此外，由于特斯拉閥的單向導通性，氣流難以回流，能夠從根本上解決由于交叉污染問題。

4 實際使用及節能減排效益分析

改進的轉輪式全熱交換器在結構上設計了特斯拉閥傳風管道，能夠獲得穩定氣流，以此來提高轉輪式全熱交換器的換熱效率，節省了能源；在應用上將特斯拉閥應用于調控空氣流速上，減少了轉輪式全熱交換器的交叉污染。

對于現有的轉輪式全熱交換器，其性能與迎面風速有很大關聯性。迎面風速越大，其換熱效率下降越明顯，在新風排風比為1時，迎面風速從1 m/s增大到3 m/s時，換熱效率降低了18%。在自然狀態下，風速的變化不規律，勢必會對換熱效率造成影響。而正、逆向交替分布的特斯拉閥傳風管道可以穩定進風速度，控制迎風面的空氣流速達到最適水平，進而提升換熱效率。

在排風處設置表層含有吸附劑的逆向特斯拉閥管道，能有效減緩空氣流速，回風式的彎管能使污染物最大程度上靜止吸附，解決由轉輪式全熱交換器造成的交叉污染，具有減排效益。對于現有的使用更好的吸附劑來吸收污染物的方法，利用特斯拉閥處理能夠更加節省成本，更適應市場需求。