广西大学 胡映宁，咸兆坤 ，王艳
【摘 要】本文采用fluent对含导流挡板的膜片式换热器换热特性进行数值分析与实验研究。研究了新风进风温度和速度对换热器的换热效率、通道内部的温度场、气流分布、压降及换热量的影响，并通过实验研究了换热器的换热效率。数值研究表明换热效率与新风进风速度有关，与温度无关；换热器的换热量受到温度和速度共同影响，速度是主要影响因素。在本文研究条件下，速度从0.8m/s增加到2m/s，热效率下降了22.5%；新风进风温度为38℃，速度为2m/s时每层通道的总换热量达到了15.6w；而新风进风温度为30℃，速度为0.8m/s时，每层通道的总换热量仅为4.3w。通过数值模拟分析得出，新风气流通过换热器后气压会下降并且速度越大压降越大。数值模拟压降随新风进风速度变化结果与数值计算的误差在8.6%以内。最后通过实验研究表明了新风进风气流速度增加换热器换热效率降低，以及相同时间内回收热量随新风进风速度和温度增加而增加。
【关键字】Fluent；速度；温度；热效率；换热量； 压降
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
膜片式换热器具有换热效率高、稳定好及压降低等特点，广泛应用于新风换气系统，其能量回收率可达70%-90%。换热器的换热效率受材料、结构和环境等因素影响。许多学者对换热器的性能进行多角度的研究，其中包括了换热器的换热原理、发展趋势及制约因素等，指出应从换热器非稳态模型、区域性应用、气流形式等方面进行研究[1] ；以及结合流体力学软件对换热器存在不足进行优化设计。按应用条件归纳主要有以下几方面的研究：
在结构方面，Alberto[2]通过数值方法对多层、逆流式、平行板式结构的换热器的轴向和横向传热特性进行拟合研究，结果表明换热器温度场分布、局部传热速率，总传热系数、出口处温度与文献[2]的结论一致。Zhang[3]对六边形叉流式换热器的气流流场进行分析，并与对流形式的换热器在5组不同风量下的换热效率进行比较，结果表明在对流形式的换热效率比叉流式的高5%。
在材料方面，Sabek等人[4]研究速度变化会影响换热器的膜片表面活性及膜片表面的堵塞，从而会影响换热器吊顶换热效率。在工程应用方面，杨治国[5]对我国5个典型城市：哈尔滨、北京、南京、昆明和福州的地下国防工程研究QHW 4044 型板翅式换热器的热回收经济效益。研究表明了送风量15000m3 /h，新风回风比为3:7，送风温度为 20℃，相对湿度为60%，每天24H运行时不同地区的投资回报周期不同，在1.36~3.3年之内，具有良好的社会经济效益和军事价值。
综上，国内外学者对不同结构、材料及实际工程应用的换热器进行了较多研究。但是在理论和数值仿真研究时往往会对紧膜片式换热器简化成无内部导流挡板，由此得到的分析结果难以真实反映换热器内部气流、温度变化趋势。本文针对具含有导流挡板组成的多气流通道换热器，利用对数平均温差法进行数值计算换热器的换热效率、换热量和压降，然后通过Fluent 模拟分析叉流-逆流-叉流形式的换热器通道内部气流和温度变化。最后通过实验研究揭示其换热特性与本质，为该类型换热器应用提供更接近实际的参考依据。
2 CFD仿真模型建立
本文研究对象为六边形含有导流挡板的多通道换热器，如图1（a）所示。根据换热器的尺寸，采用三维软件solidworks建立换热器的三维模型；将三维模型导入到mesh中后定义边界和计算域，设置网格大小和尺寸；得到网格的数量为167875，网格划分质量在0.35以上，满足fluent的求解要求。膜片式换热器尺寸和网格如图1（b）所示，相关参数见表1.
将划分好网格的模型导入到fluent并进行检查。由于气流的速度很小所以选择压力基求解。数值计算过程涉及到传热过程，因此要激活能量模型层流模型。确定求解模型后设置换热器使用的材料以及流体的性质。边界条件根据需要进行设定。由于经过换热器后出口的温度未知，所以出口类型选择为outflow。为了使得fluent在求解过程中更快收敛选用coupled求解方法，设置速度收敛精度为10-4，能量的收敛方程为10-6。设置迭代步数为500，迭代到120后步达到收敛精度。
2.1 控制方程
Fluent在求解换热器传热过程中遵循了流体力学的基本控制方程，包括了连续性方程、动量方程和能量方程；三大控制方程和有限元体积法构成的方程组是求解的过程。因为求解过程中流体的物性为常数，而且黏性可忽略，属于稳态、不可压缩以及层流。
上面式子中：ux、uy、uz分别为x、y、z三个方向的分速度；υ为气流速度；ρ为气体密度；cp为气体的比热容；k为导热系数。
Fluent求解过程中，通过控制方程将所求解的体积建立流场的离散方程，通过边界条件对方程进行迭代，最后求出结果。
2.2 传热过程
膜片作为换热器的传热介质，其换热过程如图2（a）所示。根据换热过程画出膜片的传热等效热网络图2（b）。
换热器在传热过程中通道内部没有热源且物性为常数，同时换热器纤维膜的导热热阻和对流热阻是串联形式，根据图2（b）的网络图可建立换热器传热总热阻为：
式中:h—膜片的传热系数；k—膜片的导热系数，k=0.13w/(m·k)；δ—壁厚。
换热器通道两种不同温度气体在膜片两侧进行逆流形式换热，通道内部的温度分布如图3所示：
本文主要研究不同新风进风速度和温度经换热器换热后对出口温度、换热效率、压降以及换热量的影响。表2为模拟仿真使用新风新风的温度和速度边界条件，回风温度设置为26℃。不同速度都对流换热系数h通过公式计算得到。
3 分析与讨论
3.1 温度的变化
本文研究不同新风进风温度和速度对含有导流挡板换热器的换热效率的影响，图4为不同新风进风温度和速度时经过换热器换热后出口平均温度变化曲线。
通过图4比较不同新风进风速度和温度发现，在新风进风速度相同时出口的温度与进风的温度有关，新风进风的温度越高出口的温度也越高。当新风进风温度为32℃和35℃时在0.8m/s的出口的温差为0.35℃；当新风进风速度增加到2m/s时，两者的温差增加到1.05℃，增加了0.7℃。结果说明了新风进风温度相同的条件下增加气流速度，换热后出口的气流的温度会升高。不同的新风送温度随速度增加，换热后出口的温度也增加。
图5描述了新风进风速度为1.2m/s，温度为32℃时换热器通道内部温度场变化。新风进风温度变化速率与气流方向和两侧气流的温差有关。新风进风与回风的温差越大，气流的温度变化越快。新风进风入口处的温度变化要比新风进风出口处温度变化的距离要短。图5（a）中气流进入通道后会产生很多小涡流，这是由于气流方向发生变化及附近流场对其作用力的造成的。在新风进风经换热后出口温度变化均匀，而导流板附近由于摩擦力作用下新风进风的速度会降低，所以的温度更低。
图5（b）是不同的新风进风温度在1.2m/s时，中间通道新风进风（图5a中曲线）温度变化。开始温差大，新风进风的温度变化明显。随着新风进风不断与回风进换热，到换热器出口附近时温差变化小，换热器换热速率变得缓慢。
3.2 换热效率
图6（a）是新风进风不同温度和速度时通过公式（9）计算出来换热器的换热效率。研究发现换热器的换热效率与新风进风温度变化无关，但与新风进风速度有关。新风进风速度越大换热器的换热效率越低。新风进风速度从0.8m/s增加1.2m/s时，换热器的换热效率下降了22.5%。研究表明换热器想获得较高的换热效率就应该将气流速度降低，比如在0.8m/s时换热的效率可以达到87.5%。对图6（b）是通过拟合换热效率与速度的关系表达式为：
ε=1.01505-0.18631v （14）
拟合的方程与换热效率的误差在±1%内。
3.3 换热量
图7描述随新风进风温度和速度变化引起换热量变化。换热器的换热量通过公式（10）计算得到。从图中可看出不同新风进风温度和速度时，新风进风速度越小，新风进风温度越低，换热器的换热量越小。在新风进风速度为2m/s，温度为38℃是，换热量达到了15.6w。通过图中分析可知新风进风温度为30℃时速度从0.8m/s增加到1.2m/s，换热器的换热量从4.3w增加到11.2w，增加了6.9w。新风进风速度为0.8m/s时，温度从30℃增加到38℃时，换热器的换热量从4.3w增加到6.1w，只增加了1.8w，说明了影响换热器换热量的增加速度是主要因素。
3.4 压降
图8是速度与压降值的关系。通过模拟分析发现，新风进风温度的变化不会影响新风进风压降变化。增加新风进风速度会增加通过换热器的压降值。当新风进风速度为0.8m/s时，新风进风经过换热器后的造成6.6Pa压降，而通过式子(11)计算得到的压降为6.14Pa；当新风进风速度达到2m/s时，压降达到了将近16.8Pa，计算结果为15.36Pa，误差值小于8.6%。新风进风速度从0.8m/s增加到2m/s时，新风进风通过换热器后的压降值增加了10Pa。因此要控制新风进风通过换热后的压降值时就要降低新风进风的速度。
4 实验研究
为验证fluent模拟结果的是否正确，本文在人工模拟气候环境测试含有导流挡板膜片式换热器的换热效率与新风进风温度和速度变化关系。
4.1 实验设计
实验过程中采用规格为386mm*225mm*286mm的膜片式换热器，并结合了空气过滤器和风机组成的新风系统。实验用设备如下图所示：
室外新风在新风系统的风机的作用下进入到新风系统，室外新风先经过过滤器过滤后进入换热器。新风进风与室内的回风在换气器进行逆流形式的对流换热，从而达到减少热量损失的作用。
4.2 测试点布置及测试仪器
为尽可能获得换热器准确得出换热效率，在换热器新风进风和回风的进出口处安装温度传感器，并用无纸记录仪对换热器进出口的温度数据进行记录，在新风进风出风口使用风速测定仪测定新风进风的风速和风量。传热器安装位置如图10所示，所用到测试仪器的参数如表3所示。
4.3 实验方案
实验过程中通过改变人工模拟气候环境的温度和通过调节新风系统的不同档位来控制新风进风的风量。新风系统的风量设定有三挡：抵档、中档和高档。对应低挡风量为76 m3/h、中档88m3/h和高档108 m3/h,平均速度为0.74m/s、0.85m/s和1.05m/s。人工模拟气候实验室的温度分别设为30℃、35℃和38℃后调整新风系统的档位。将实验记录下来的数据通过公式（11）进行计算换热器的换热效率，然后与数值模拟得出的换热效率进行比较。
4.4 实验数据分析
图11为实验得到的换热效率与模拟分析得到的换热效率比较。由于实验条件的限制，实验与仿真模拟的速度不能相一致。通过比较得出实验结果与模拟结果的误差值为6.5%。实验得到的换热效率比模拟得到的换热效率低，这由于1、新风系统无法做到绝对隔热，新风经过换热后仍然与新风机外环境的进行热交换，导致了经换热器后的气流温度变大，降低了换热器换热效率；2、模拟过程中对某些条件进行了假设与忽略。
实验过程中测量的是新风进风经过换热器的总风量，因此根据热量公式可计算换热器回收热量。
式中：c为空气比热，c=1.005kj/kg，ρ为空气的密度，V为通过换热的空气体积；Δt为换热前后的温差。
根据公式（15）得到每个通道的回收热量与温度和速度的关系，如图12所示。从图中可看出速度是影响回收热量的主要因素，新风进风速度越大说明通过换热器的流量越大，所以回收的能量越多。在相同新风进风温度条件下，降低新风进风速度会增加回收的热量，这是由于速度越低换热更充分，所以回收热量越大。
通过实验结果对比可以得出数值模拟得出的结果符合换热器的实际使用情况，说明了模拟得到的结果是正确的。
5 结论
本文采用fluent对含有导流挡板的膜片式六边形换热器通道换热特性进行模拟分析。研究温度和速度对换热器的换热效率、通道内部的温度场、气流分布、压降及换热量的影响，并通过实验验证换热器的换热效率。通过数值分析研究发现相同新风进风的速度条件下，换热器的换热效率与新风进风入口的温度无关。在不同的新风进风温度和速度条件下，换热器的换热效率随速度增大而降低。新风进风速度从0.8m/s增加到2m/s时换热器的换热器效率下降22.5%。换热器通道内部的新风进风温度变化不是均匀的，它与膜片两侧的温差和新风进风流动方向有关。通过数值分析换热器的换热量与新风进风入口温度和速度的关系，结果表明，相对温度而言，新风进风速度对换热器的换热量变化起主要作用。新风进风温度为30℃时，速度从0.8m/s增加到2.0m/s，换热量增加6.9w，远高于0.8m/s时温度从30℃增加大到38℃的值。当新风进风温度为38℃，速度为2m/s时，换热器的换热量达到15.6w。新风进风速度增大压降值也随之增大，比较理论值和仿真的结果，两者最大误差在8.6%范围内。通过实验测试得到含有导流挡板的膜片式六边形的换热器的换热效率与模拟分析得到的换热效率误差值小于6.5%，说明了通过模拟分析换热器的性能是有效的。
换热器在使用过程中，在新风进风相同情况下想要获得较高的换热效率和较低的压降就要控制换热器的新风进风速度。降低新风进风速度会影响换热器的换热量，因此想获得较大的换热量就要增加新风进风速度。
参考文献
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[5] 杨治国, 刘顺波, 黄志刚, et al. 国防地下工程排风热回收技术经济性分析 [J]. 制冷与空调(四川), 2012, 2): 173-6.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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