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芯体流道构型对全热交换器换热效果影响的数值分析

摘要：芯体是全热交换器的重要组成部分，是全热交换器进行热质交换的关键构件。本文对平板流道、三角流道翅片不导热、三角流道翅片导热三种情况下，全热交换器的热质交换进行了有限元模拟分析，结果表明：由于二次换热面的存在，使得三角流道翅片导热时，全热交换器的显热效率以及焓效率要明显的优于其他两种情况；而当进口风速大于0.8m/s后，三角流道翅片不导热条件下的焓效率逐渐的略优于平板流道的焓效率，这主要是由于前者的潜热效率随着风速的增加而减少的幅度要小于平板流道造成的。
关键词：流道构型；全热交换器；有限元模拟；热质交换
中图分类号：TB657.5 文献标志码：A

Numerical Simulation on the structure of channel of Total Heat Exchange Equipment Effectiveness
ZHONG Qiu1, TAO Ye1,2, YANG Li-ping1, CAI An1, XU Zi-jun1, LUO Cai-yun1;ZHANG Shuang-xi2

Abstract: The total heat exchanger core is the key part for the exchange of heat and mass of the total heat exchanger. In the present work, finite element simulations were performed with three different structures of the total heat exchanger channel, which were rectangle channel, triangular channel with thermal isolation fin and triangular channel with thermal conduct fin. The results shows that: because of the thermal conduct of the fin, triangular channel with thermal conduct fin shows better the sensible heat efficiency and the enthalpy efficiency than others. With the increase of the inlet air speed, the enthalpy efficiency of triangular channel with thermal isolation fin becomes better than the rectangle channel’s, which mainly because the loss of velocity in the former is bigger than the latter.
Key words: Structure of channel; Total heat exchange equipment; Finite element simulations; heat and mass exchange

0引言
我国能源形势紧张，建筑节能成为我国能源发展的重要战略[1]。建筑能耗未来将保持高速的增长，而空调能耗是建筑能耗的主要部分，因此，空调系统必须向着节能的方向发展[2]，随着人民生活空气质量的要求逐渐提高，对室内空气品质的要求也越来越高[3],[4]，致使新风能耗成为空调能耗的重要组成部分。如何保证在降低空调能耗的前提下，完成室内空气质量的改善已成为国际空调界关注的重要课题，研究表明：全热交换器可以有效的解决两者之间的矛盾Error! Reference source not found.，全热交换器以其优异的热回收特性成为近年来空调行业的研究热点[6]。
芯体作为全热交换器热质交换过程的关键构件，许多研究者对其开展了深入的研究：张立志等建立了全热换热器的基本模型，数值模拟分析了相关参数的影响[7]，并对全热交换器的节能效果进行了跟踪研究，分别开展了不同翅片材料对换热效率影响的研究[8]；清华大学的苏铭等开展了不同膜材料及厚度对全热交换器效率影响的研究[9],[10]。目前，随着全热换热器的小型化和紧凑化，芯体流道结构对换热器性能的影响越发显著。常用的换热器芯体多采用波纹板支撑三角形流道结构和条状支撑矩形小流道结构，清华大学的苏铭等对不同流道构型对全热交换器效率的影响进行了初步研究[11]，但其并未考虑翅片导热所形成的二次换热面对换热效率的影响。
本文在充分考虑全热交换器芯体各个构件导热影响的基础上，采用有限元数值模拟方法，对芯体流道分别为平板流道、三角流道翅片不导热、三角流道翅片导热三种不同流道构型的全热交换器换热效果进行了研究，为提高全热交换器效率及其优化设计提供了基础的热分析依据。
1物理模型
典型的全热交换器芯体模型如图1所示，图中上侧为室外新风流道，下侧为室内排风流道，两侧空气在全热交换器芯体流道内交叉流动。

图1. 全热交换器芯体模型
Fig.1 Total Heat Exchange Equipment Schematic Diagram
在全热交换器运行时，热湿交换膜两侧的新风和排风间存在温度差和水蒸气压力差，因此就会发生热质交换。对于无翅片支撑的全热交换器而言，其中显热的传递通过纸两侧流体的对流换热与纸导热来完成，而潜热的传递则通过纸的湿传递来完成；而对于板翅式全热交换器，其热交换面还包括由翅片组成的的二次传热面[12]。对图1所示的物理数学模型进行如下假设：
1) 由于该交叉流传热传质结构流道长度远大于流道高度，流体基本处于充分发展层流段，入口段影响非常小，假设将流道对流传热传质近似为一维热质交换过程；
2) 膜四周绝热，流道两侧绝热，水蒸气在膜内的质扩散系数是常数，不随温度变化；
本文讨论的三种流道构型如图2所示，图中箭头方向为热传递方向。

图2. 本文讨论的三种流道构型
Fig.2 3 Different Structures of Channel

2控制方程及性能参数
对图2所示的三种流道构型，本文以新风流动方向为x方向，以排风流动方向为y方向，以流道高度方向为z方向，建立直角坐标系。流道中传热、传质方程分别为[13]：
(1)
(2)
其中，ρ为空气密度，υ为进口空气流速，T为温度，cp为空气比热，C为水蒸气浓度，h为对流换热系数，k为对流传质系数，n表示新风侧或者排风侧，j表示新风流动方向x或排风流动方向y，下标o表示出口。
而薄膜中热质交换方程分别为：
(3)
(4)
其中，λ为导热系数，m为单位截面传质速率，Dwm为水蒸气在膜中扩散系数，Cf、Ce为膜新风侧和排风侧水蒸气浓度，δ为膜厚度，下标m表示膜，w表示水蒸气。
新风及排风方程的边界条件为：
(5)
膜两侧边界条件：
(6)
其中，Lw为水蒸气气化潜热，下标i表示流道进口。
由于全热交换器芯体中进行热量交换以及质量交换，因此其性能参数包括全热交换器的显热效率、潜热效率以及焓效率，各性能参数的计算公式为[14]：
，， (7)
其中s为空气湿度，h为湿空气焓值，由公式h=1.005t+s(2501+1.86t)求得，t为湿空气摄氏温度，ηT为显热效率，ηs为潜热效率，ηh为焓效率。
流道气体处于层流充分发展状态，沿程压降为：
(8)
其中，f为达尔西阻力系数，Re为雷诺数，de为流道当量直径，l为流道长度，μ为流体黏度，ν为流体流速。
3模拟计算及结果讨论
对如图1所示的新风排风流道进行数值模拟，模拟参数设定如表1所示。
表1. 模拟参数设定
室内参数
室外参数
膜参数
温度
湿度
温度
湿度
厚度
导热系数
质扩散系数
/ºC
/(g·kg-1)
/ºC
/(g·kg-1)
/mm
/(W·m-1·K-1)
/(m2·s-1)
27
10.9
35
21
0.05
0.1
2e-9
芯体结构尺寸
三角型流道结构尺寸
空气扩散系数
长
宽
高
底边
高
肋片厚度
/mm
/mm
/mm
/mm
/mm
/mm
/(m2·s-1)
420
420
2.5
3
2.5
0.2
2.68e-5
基于以上数据，选取进口风速为0.2m/s~1.6m/s时内的8个速度点(0.2m/s，0.36m/s，0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s，1.2m/s，1.4m/s，1.6m/s)，计算三种不同构型流道的热质传递特性，将参数列于表2中。同时，对全热交换器的热、质交换情况进行了有限元数值模拟，模拟得到的全热交换器显热效率、潜热效率、焓效率随进口风速的变化如图3所示。
表2. 三种不同构型流道的传递特性

de/mm
Re
Nu
0.2
0.36
0.5
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
平板流道
4.97
61.39
110.51
153.48
245.57
306.96
368.35
429.74
491.14
7.8
三角流道
翅片导热
1.8
22.23
40.02
55.59
88.94
111.17
133.41
155.64
177.88
2.0
三角流道
翅片无导热
1.8
22.23
40.02
55.59
88.94
111.17
133.41
155.64
177.88
2.0

a. 显热效率随风速变化

b. 潜热效率随风速变化

c. 焓效率随风速变化
图3. 全热交换器热效率随进口风速变化情况
Fig.3 The Thermal Efficiency of Total Heat Exchange Equipment against the Inlet Speed of Air
从图3中可以看出：三种不同构型流道中各项换热效率参数最好的是三角形流道翅片导热的情况，这主要是由于全热交换器芯体中存在由于翅片导热而产生的二次传热面，该条件下全热交换器的换热面积得到了显著的增加，使得全热交换器的显热效率要明显的优于其他两种情况；
对显热效率而言，平板换热与三角形流道翅片不导热的情况相比，前者要明显的优于后者，这主要是由于在换热面积相同的条件下，后者的表面传热系数（h=λ·Nu/de=0.11 W/m2·K）要小于前者（h=0.16 W/m2·K）；

图4. 新风出口风速随进口风速变化情况
Fig.4 The Outlet Speed of Fresh Air against the Import Speed of Air

对潜热效率而言，由于全热交换器的潜热交换只发生在交换膜内，因此两种三角形流道的潜热效率是相同的；而随着进口风速的增加，三角流道的潜热效率逐渐的略优于平板流道的潜热效率，这主要是由于相同进口风速条件下，三角流道内的风速损失速率要大于平板流道内风速的损失速率，如图4中所示。由于假设水蒸气在膜内质扩散系数不随温度变化，因此三种流道构型的水蒸气扩散通量应该相同，因而风速小的流道将获得更为充分的质交换时间。
结语
本文对平板流道、三角流道翅片不导热、三角流道翅片导热三种不同构型流道的全热交换器芯体热质交换过程进行了有限元模拟计算，结果显示：三角流道翅片导热时，全热交换器的显热效率以及焓效率要明显的优于其他两种情况；而随着进口风速的增加，三角流道翅片不导热条件下的焓效率逐渐的优于平板流道的焓效率。因此，采用高导热翅片材料可以有效的提高全热交换器的热交换效率。

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