逆流+叉流全热交换新风机换热模型分析与优化

摘要本文在合理简化的基础上，建立了逆流+叉流全热交换新风机的物理模型，通过该模型，可以计算出逆流+叉流全热交换新风机的换热效率，并与相同换热面积下的纯叉流全热交换新风机换热效率进行对比，为工程设计和优化提供了理论依据。

关键词逆流+叉流全热交换新风机；温度交换效率；焓交换效率

中图分类号： TS737+.1 文献标识码： A 文章编号：

引言

改善室内空气质量和节约能源已经成为许多学科关注的重要问题。为了改善室内空气品质，必然要加强室内的通风换气，而在空调系统中，新风负荷占总负荷的20%～30%[1]。这就形成了室内空气品质和建筑节能之间的矛盾。为了缓解提高室内空气品质和节约建筑能耗之间的矛盾，空气-空气能量回收装置开始在各类建筑中的到广泛应用。

随着《公共建筑节能设计标准》的实施，各类空调系统排风能量的回收成为一种重要的建筑节能途径。《采暖通风与空气调节设计规范》及其他有关的建筑设计及节能标准均建议在有条件的情况下宜采用排风热回收装置。而全热交换器作为一种行之有效的空调能量回收装置，也越来越为广大的暖通空调专业人士所熟知。

长期以来全热交换新风机的主要形式都是主要具有波纹瓦楞纸支撑结构的叉流式换热器，此种直交叉流型全热交换器芯体具有流道简单，阻力小，加工方便等特点[2]，但由于新排风之间是垂直交叉热湿交换，因而不能达到最佳的热湿交换效果。而新型全热交换新风机流道采用逆流+直交叉流的形式，让一部分流体处在逆流区，以提高热湿交换效果。本文拟对新型全热交换新风机建立物理模型，得出其换热效率计算方法，并与传统纯叉流型板式换热器换热效率进行计算分析比较。

建立数学模型

本文研究的逆流+直交叉流全热交换器采用无波纹瓦楞纸支撑结构，将热质交换材质（纸或膜）与塑料框板压制在一起，通过支撑杆串联成一体，并与框架一起组合成芯体。整个全热交换器由许多层平行布置的透湿纸组成，相当于一个板式换热器，新风和排风分别流过纸两侧，同时交换湿热。全热交换器热湿交换性能主要体现在温度交换效率、湿量交换效率和焓交换效率，因此理论模型的建立在于求解这三种效率。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

在热交换器的设计中，通常存在两种设计方法，即对数平均温差法和传热单元数法。传热单元数法计算较为简单，不必考虑对数平均温差的复杂计算，在求得传热系数后，采用ε-NTU法可以直接求得结果。因此本文采用ε-NTU法计算全热交换器的换热效率，则问题的关键就在于传热系数与传质系数的求解。

传热模型

以图1所示的全热交换器芯体为例，空气流道形状为矩形，设其叉流段边长为a，逆流段长度为b，宽度为c，芯体高度为h，单层层高为n，体积流量为Q，热质交换纸的导热系数为λp，厚度为δ。第一段叉流段新风进出口温度分别为txj，t1，排风进出口温度为t3，tpj。第二段逆流段新风出口温度为t2，排风进口温度为t4，第三段叉流段新风出口温度为txc，排风进口温度为tpj。

图1换热芯体尺寸示意图

采用传热单元数法设计热交换器的关键在于传热系数k的求解，下面就其求解方法进行介绍。

静止式全热交换器流道长，当量直径小，其L/De很大，远远满足L/De>0.2Re，因此可以看作为充分发展的管内层流流动[5]，对于非圆截面管道充分发展的层流Nu数，其值与矩形截面的长宽比有关。当n/m∞，恒热流时为8. 23，恒壁温时为7. 54。

对流换热系数

(1)

总传热系数

(2)

传热单元数

(3)

其中（mCp）min为冷热流体中比热容量较小值；

——空气导热系数(W/(m·K))；

De——当量直径 (m)；

Fc1——换热面积 (m2)。

对于两股流体都不混合的直交叉流，且两股流体流量大小相等时，其热交换效率和传热单元数的关系式表示为[3]：

(4)

同理，按此方法可求出第二段逆流段和第三段叉流段的换热效率、。

现在把三段的分段效率进行整合，得出整个全热交换器的效率计算式。

《空气-空气能量回收装置》在新排风风量相等的情况下给出了全热交换器的三种效率计算公式，其中温度交换效率由式(5)计算。

(5)

根据上述定义式，消去中间变量t1~t8，得到第一段叉流段和和第二段逆流段的总换热效率：

(6)

现把第一段叉流段和第二段逆流段看作一个整体，与第三段叉流段串联，仿照前文推导，可以得出整个换热芯体的温度交换效率计算表达式为：

(7)

传质模型

在传质过程中，由于透湿膜两侧新排风水蒸气分压力不同，从而在膜两侧有湿量传递。对流传质与对流传热过程相类似，而且还存在密切的耦合关系。表征对流传质过程的相似准则数，与对流传热有相类似的组成形式。下文便通过对传质系数的分析求解，得到全热交换器的湿量交换效率。

热质交换材料的传湿过程受材料性能和运行工况的共同影响，比较复杂，为了更好的分析全热交换器的热湿传递机理，需要对交换纸的传湿过程进行分析。

根据建立传热模型同样的方法，可以得到到类似于传热方程的表达式为

(8)

式中 ——排风侧透湿纸面上的平衡含湿量（kg/kg干空气）；

——新风侧透湿纸面上的平衡含湿量（kg/kg干空气）。

其中KD是全热交换器的总传质系数。它的形式类似于总传热系数的表达形式，由于全热交换器新风量与排风量在大多数情况下相等，在这种情况下，纸两侧的对流传质系数相同，因此传质系数可以表示为

(9)

式中 ——新风与透湿纸面之间的对流传质系数（m/s）；

——排风与透湿纸面之间的对流传质系数（m/s）。

其中分母中的第一项和第三项分别为纸两侧对流传质边界层内的传质阻力，中间一项为纸本身的水分扩散阻力，其表达式为

(10)

式中——热质交换材料的湿阻系数；

——水分在透湿纸中的扩散系数 (m2/s)；

——透湿纸厚度 (m)；

——透湿纸密度 (kg/m3)；

对于给定的热质交换材质，是一个定值，其形式与平板导热热阻形式类似。热质交换材料的导湿湿阻是名义湿阻与湿阻系数的乘积。名义湿阻由材料自身的厚度、密度和扩散系数决定，一般是个定值。湿阻系数由材料本身的吸附曲线和温度决定，一般在0.12到0.70之间。因此，当知道了热质交换材质的热物性参数时，就可以计算出材质本身的水分扩散阻力。

当流体与壁面之间既有质交换又有热交换时，可以通过对流换热表面传热系数h来计算质交换系数hD。由Colburn-Chilton关联式可得到

(11)

对于湿空气来说，与大气状态十分接近，Le介于1.19~1.22之间[4]。在传热过程分析中已经可以求出各段的对流传热系数h，根据式(11)可以求出各段的对流传质系数hD。在得到材质本身的水分扩散阻力和各段的对流传质系数hD后，则可以由式(9)计算出各段的传质系数KD。