廣西大學  胡映寧，咸兆坤 ，王艷 

      【摘  要】本文采用fluent對含導流擋板的膜片式換熱器換熱特性進行數值分析與實驗研究。研究了新風進風溫度和速度對換熱器的換熱效率、通道內部的溫度場、氣流分布、壓降及換熱量的影響，并通過實驗研究了換熱器的換熱效率。數值研究表明換熱效率與新風進風速度有關，與溫度無關；換熱器的換熱量受到溫度和速度共同影響，速度是主要影響因素。在本文研究條件下，速度從0.8m/s增加到2m/s，熱效率下降了22.5%；新風進風溫度為38℃，速度為2m/s時每層通道的總換熱量達到了15.6w；而新風進風溫度為30℃，速度為0.8m/s時，每層通道的總換熱量僅為4.3w。通過數值模擬分析得出，新風氣流通過換熱器后氣壓會下降并且速度越大壓降越大。數值模擬壓降隨新風進風速度變化結果與數值計算的誤差在8.6%以內。最后通過實驗研究表明了新風進風氣流速度增加換熱器換熱效率降低，以及相同時間內回收熱量隨新風進風速度和溫度增加而增加。

      【關鍵字】Fluent；速度；溫度；熱效率；換熱量； 壓降 

Abstract: 3D membrane plate heat exchanger was simulated based on Fluent. Analysis the inlet-velocity and temperature effect on thermal efficiency, pressure and distribution of temperature and flow internal channel of heat exchanger. The results showed that increasing inlet-velocity from 0.8m/s to 2m/s the thermal efficiency decreased 22.5% and independent on temperature. A line fitted the thermal efficiency variation and the error was less than ±1%. Heat transfer rate of heat exchanger relevant with both velocity and inlet temperature, and the velocity is the key factor. It was found that temperature was 38℃ and velocity was 2m/s the heat transfer rate reached 15.6w. It was only 4.3w when the temperature was 30℃ and velocity was 0.8m/s. Increasing the velocity also resulted in the more pressure drop，compare with the theoretical results the error was less than 8.6%.
Key words: Fluent；Different velocity and temperature；Thermal efficiency；Heat transfer rate；Pressure drop；

1 引言

      膜片式換熱器具有換熱效率高、穩定好及壓降低等特點，廣泛應用于新風換氣系統，其能量回收率可達70%-90%。換熱器的換熱效率受材料、結構和環境等因素影響。許多學者對換熱器的性能進行多角度的研究，其中包括了換熱器的換熱原理、發展趨勢及制約因素等，指出應從換熱器非穩態模型、區域性應用、氣流形式等方面進行研究^[1] ；以及結合流體力學軟件對換熱器存在不足進行優化設計。按應用條件歸納主要有以下幾方面的研究：

      在結構方面，Alberto^[2]通過數值方法對多層、逆流式、平行板式結構的換熱器的軸向和橫向傳熱特性進行擬合研究，結果表明換熱器溫度場分布、局部傳熱速率，總傳熱系數、出口處溫度與文獻[2]的結論一致。Zhang^[3]對六邊形叉流式換熱器的氣流流場進行分析，并與對流形式的換熱器在5組不同風量下的換熱效率進行比較，結果表明在對流形式的換熱效率比叉流式的高5%。

      在材料方面，Sabek等人^[4]研究速度變化會影響換熱器的膜片表面活性及膜片表面的堵塞，從而會影響換熱器吊頂換熱效率。在工程應用方面，楊治國^[5]對我國5個典型城市：哈爾濱、北京、南京、昆明和福州的地下國防工程研究QHW 4044 型板翅式換熱器的熱回收經濟效益。研究表明了送風量15000m³ /h，新風回風比為3:7，送風溫度為 20℃，相對濕度為60%，每天24H運行時不同地區的投資回報周期不同，在1.36~3.3年之內，具有良好的社會經濟效益和軍事價值。

      綜上，國內外學者對不同結構、材料及實際工程應用的換熱器進行了較多研究。但是在理論和數值仿真研究時往往會對緊膜片式換熱器簡化成無內部導流擋板，由此得到的分析結果難以真實反映換熱器內部氣流、溫度變化趨勢。本文針對具含有導流擋板組成的多氣流通道換熱器，利用對數平均溫差法進行數值計算換熱器的換熱效率、換熱量和壓降，然后通過Fluent 模擬分析叉流-逆流-叉流形式的換熱器通道內部氣流和溫度變化。最后通過實驗研究揭示其換熱特性與本質，為該類型換熱器應用提供更接近實際的參考依據。

2 CFD仿真模型建立

      本文研究對象為六邊形含有導流擋板的多通道換熱器，如圖1（a）所示。根據換熱器的尺寸，采用三維軟件solidworks建立換熱器的三維模型；將三維模型導入到mesh中后定義邊界和計算域，設置網格大小和尺寸；得到網格的數量為167875，網格劃分質量在0.35以上，滿足fluent的求解要求。膜片式換熱器尺寸和網格如圖1（b）所示，相關參數見表1.

      將劃分好網格的模型導入到fluent并進行檢查。由于氣流的速度很小所以選擇壓力基求解。數值計算過程涉及到傳熱過程，因此要激活能量模型層流模型。確定求解模型后設置換熱器使用的材料以及流體的性質。邊界條件根據需要進行設定。由于經過換熱器后出口的溫度未知，所以出口類型選擇為outflow。為了使得fluent在求解過程中更快收斂選用coupled求解方法，設置速度收斂精度為10^-4，能量的收斂方程為10^-6。設置迭代步數為500，迭代到120后步達到收斂精度。

      2.1 控制方程

      Fluent在求解換熱器傳熱過程中遵循了流體力學的基本控制方程，包括了連續性方程、動量方程和能量方程；三大控制方程和有限元體積法構成的方程組是求解的過程。因為求解過程中流體的物性為常數，而且黏性可忽略，屬于穩態、不可壓縮以及層流。

     

      上面式子中：u_x、u_y、u_z分別為x、y、z三個方向的分速度；υ為氣流速度；ρ為氣體密度；cp為氣體的比熱容；k為導熱系數。

      Fluent求解過程中，通過控制方程將所求解的體積建立流場的離散方程，通過邊界條件對方程進行迭代，最后求出結果。

      2.2 傳熱過程

      膜片作為換熱器的傳熱介質，其換熱過程如圖2（a）所示。根據換熱過程畫出膜片的傳熱等效熱網絡圖2（b）。

       換熱器在傳熱過程中通道內部沒有熱源且物性為常數，同時換熱器纖維膜的導熱熱阻和對流熱阻是串聯形式，根據圖2（b）的網絡圖可建立換熱器傳熱總熱阻為：

       

      式中:h—膜片的傳熱系數；k—膜片的導熱系數，k=0.13w/(m·k)；δ—壁厚。

      換熱器通道兩種不同溫度氣體在膜片兩側進行逆流形式換熱，通道內部的溫度分布如圖3所示：

      本文主要研究不同新風進風速度和溫度經換熱器換熱后對出口溫度、換熱效率、壓降以及換熱量的影響。表2為模擬仿真使用新風新風的溫度和速度邊界條件，回風溫度設置為26℃。不同速度都對流換熱系數h通過公式計算得到。

3 分析與討論

      3.1 溫度的變化 

      本文研究不同新風進風溫度和速度對含有導流擋板換熱器的換熱效率的影響，圖4為不同新風進風溫度和速度時經過換熱器換熱后出口平均溫度變化曲線。

      通過圖4比較不同新風進風速度和溫度發現，在新風進風速度相同時出口的溫度與進風的溫度有關，新風進風的溫度越高出口的溫度也越高。當新風進風溫度為32℃和35℃時在0.8m/s的出口的溫差為0.35℃；當新風進風速度增加到2m/s時，兩者的溫差增加到1.05℃，增加了0.7℃。結果說明了新風進風溫度相同的條件下增加氣流速度，換熱后出口的氣流的溫度會升高。不同的新風送溫度隨速度增加，換熱后出口的溫度也增加。

      圖5描述了新風進風速度為1.2m/s，溫度為32℃時換熱器通道內部溫度場變化。新風進風溫度變化速率與氣流方向和兩側氣流的溫差有關。新風進風與回風的溫差越大，氣流的溫度變化越快。新風進風入口處的溫度變化要比新風進風出口處溫度變化的距離要短。圖5（a）中氣流進入通道后會產生很多小渦流，這是由于氣流方向發生變化及附近流場對其作用力的造成的。在新風進風經換熱后出口溫度變化均勻，而導流板附近由于摩擦力作用下新風進風的速度會降低，所以的溫度更低。

      圖5（b）是不同的新風進風溫度在1.2m/s時，中間通道新風進風（圖5a中曲線）溫度變化。開始溫差大，新風進風的溫度變化明顯。隨著新風進風不斷與回風進換熱，到換熱器出口附近時溫差變化小，換熱器換熱速率變得緩慢。

      3.2 換熱效率

      圖6（a）是新風進風不同溫度和速度時通過公式（9）計算出來換熱器的換熱效率。研究發現換熱器的換熱效率與新風進風溫度變化無關，但與新風進風速度有關。新風進風速度越大換熱器的換熱效率越低。新風進風速度從0.8m/s增加1.2m/s時，換熱器的換熱效率下降了22.5%。研究表明換熱器想獲得較高的換熱效率就應該將氣流速度降低，比如在0.8m/s時換熱的效率可以達到87.5%。對圖6（b）是通過擬合換熱效率與速度的關系表達式為：

      ε=1.01505-0.18631v   （14）

      擬合的方程與換熱效率的誤差在±1%內。

      3.3 換熱量

      圖7描述隨新風進風溫度和速度變化引起換熱量變化。換熱器的換熱量通過公式（10）計算得到。從圖中可看出不同新風進風溫度和速度時，新風進風速度越小，新風進風溫度越低，換熱器的換熱量越小。在新風進風速度為2m/s，溫度為38℃是，換熱量達到了15.6w。通過圖中分析可知新風進風溫度為30℃時速度從0.8m/s增加到1.2m/s，換熱器的換熱量從4.3w增加到11.2w，增加了6.9w。新風進風速度為0.8m/s時，溫度從30℃增加到38℃時，換熱器的換熱量從4.3w增加到6.1w，只增加了1.8w，說明了影響換熱器換熱量的增加速度是主要因素。

      3.4 壓降

      圖8是速度與壓降值的關系。通過模擬分析發現，新風進風溫度的變化不會影響新風進風壓降變化。增加新風進風速度會增加通過換熱器的壓降值。當新風進風速度為0.8m/s時，新風進風經過換熱器后的造成6.6Pa壓降，而通過式子(11)計算得到的壓降為6.14Pa；當新風進風速度達到2m/s時，壓降達到了將近16.8Pa，計算結果為15.36Pa，誤差值小于8.6%。新風進風速度從0.8m/s增加到2m/s時，新風進風通過換熱器后的壓降值增加了10Pa。因此要控制新風進風通過換熱后的壓降值時就要降低新風進風的速度。

4 實驗研究

      為驗證fluent模擬結果的是否正確，本文在人工模擬氣候環境測試含有導流擋板膜片式換熱器的換熱效率與新風進風溫度和速度變化關系。

      4.1 實驗設計

      實驗過程中采用規格為386mm*225mm*286mm的膜片式換熱器，并結合了空氣過濾器和風機組成的新風系統。實驗用設備如下圖所示：

      室外新風在新風系統的風機的作用下進入到新風系統，室外新風先經過過濾器過濾后進入換熱器。新風進風與室內的回風在換氣器進行逆流形式的對流換熱，從而達到減少熱量損失的作用。

      4.2 測試點布置及測試儀器

      為盡可能獲得換熱器準確得出換熱效率，在換熱器新風進風和回風的進出口處安裝溫度傳感器，并用無紙記錄儀對換熱器進出口的溫度數據進行記錄，在新風進風出風口使用風速測定儀測定新風進風的風速和風量。傳熱器安裝位置如圖10所示，所用到測試儀器的參數如表3所示。

      4.3 實驗方案

    實驗過程中通過改變人工模擬氣候環境的溫度和通過調節新風系統的不同檔位來控制新風進風的風量。新風系統的風量設定有三擋：抵檔、中檔和高檔。對應低擋風量為76 m3/h、中檔88m3/h和高檔108 m3/h,平均速度為0.74m/s、0.85m/s和1.05m/s。人工模擬氣候實驗室的溫度分別設為30℃、35℃和38℃后調整新風系統的檔位。將實驗記錄下來的數據通過公式（11）進行計算換熱器的換熱效率，然后與數值模擬得出的換熱效率進行比較。

      4.4 實驗數據分析

      圖11為實驗得到的換熱效率與模擬分析得到的換熱效率比較。由于實驗條件的限制，實驗與仿真模擬的速度不能相一致。通過比較得出實驗結果與模擬結果的誤差值為6.5%。實驗得到的換熱效率比模擬得到的換熱效率低，這由于1、新風系統無法做到絕對隔熱，新風經過換熱后仍然與新風機外環境的進行熱交換，導致了經換熱器后的氣流溫度變大，降低了換熱器換熱效率；2、模擬過程中對某些條件進行了假設與忽略。

      實驗過程中測量的是新風進風經過換熱器的總風量，因此根據熱量公式可計算換熱器回收熱量。

      

      式中：c為空氣比熱，c=1.005kj/kg，ρ為空氣的密度，V為通過換熱的空氣體積；Δt為換熱前后的溫差。 

      根據公式（15）得到每個通道的回收熱量與溫度和速度的關系，如圖12所示。從圖中可看出速度是影響回收熱量的主要因素，新風進風速度越大說明通過換熱器的流量越大，所以回收的能量越多。在相同新風進風溫度條件下，降低新風進風速度會增加回收的熱量，這是由于速度越低換熱更充分，所以回收熱量越大。
通過實驗結果對比可以得出數值模擬得出的結果符合換熱器的實際使用情況，說明了模擬得到的結果是正確的。

5 結論

      本文采用fluent對含有導流擋板的膜片式六邊形換熱器通道換熱特性進行模擬分析。研究溫度和速度對換熱器的換熱效率、通道內部的溫度場、氣流分布、壓降及換熱量的影響，并通過實驗驗證換熱器的換熱效率。通過數值分析研究發現相同新風進風的速度條件下，換熱器的換熱效率與新風進風入口的溫度無關。在不同的新風進風溫度和速度條件下，換熱器的換熱效率隨速度增大而降低。新風進風速度從0.8m/s增加到2m/s時換熱器的換熱器效率下降22.5%。換熱器通道內部的新風進風溫度變化不是均勻的，它與膜片兩側的溫差和新風進風流動方向有關。通過數值分析換熱器的換熱量與新風進風入口溫度和速度的關系，結果表明，相對溫度而言，新風進風速度對換熱器的換熱量變化起主要作用。新風進風溫度為30℃時，速度從0.8m/s增加到2.0m/s，換熱量增加6.9w，遠高于0.8m/s時溫度從30℃增加大到38℃的值。當新風進風溫度為38℃，速度為2m/s時，換熱器的換熱量達到15.6w。新風進風速度增大壓降值也隨之增大，比較理論值和仿真的結果，兩者最大誤差在8.6%范圍內。通過實驗測試得到含有導流擋板的膜片式六邊形的換熱器的換熱效率與模擬分析得到的換熱效率誤差值小于6.5%，說明了通過模擬分析換熱器的性能是有效的。

      換熱器在使用過程中，在新風進風相同情況下想要獲得較高的換熱效率和較低的壓降就要控制換熱器的新風進風速度。降低新風進風速度會影響換熱器的換熱量，因此想獲得較大的換熱量就要增加新風進風速度。

參考文獻

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      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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