关于波纹型全热换热器流动通道表面结构的研究.docx

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1、关于波纹型全热换热器流动通道表面结构的研究Kyungmin Kwak and Cheolho Bai学校Yeungnam大学机械工程研究所硕士论文,Kyungsan,712-749、韩国2009年3月4日收到手稿；2009年3月16日修改,2009年3月18日接收.摘要对全热换热器的三种流动通道结构 (多孔型、狭缝型、压花打孔型)进行研究,以提高热回收通风系统的换热性能(全热换热器)。多孔类型的流动通道有四排6毫米通孔，缝隙式的有六排40毫米通孔。压花、穿孔型在表面上有大约直径1mm、深0.2mm的孔。这些改良过的全热换热器的传热效率优于只有光滑表面的普通型全热换热器。韩国标准(KS)热回收通

2、风测试调节被应用于测试。在一个基于典型雷诺数140(典型的空气流动速度、100m3/h)的冷却运行的案例中，多孔型、狭缝型、压花、打孔型温度效率分别提高了1.2%,2.5%,和5.0%；潜在效率分别提高了18.0%、32.3%,和24.5%；焓效率则分别提高了7.9%、 11.5%、11.2%。热运行相应分别提高了3.0%,3.4%，4.0%;5.0%,6.6%,18.7%；3.2%,4.3%，7.7%。另一方面, 相比常规全热换热器的空气压降，在改良过的全热换热器流动通道中的空气压降增加了1.7%在典型的雷诺数140。关键词:热回收通风系统(全热换热器);热增强;湿迁移;温度效率;潜在效率;

3、焓效率.1.前言在对清爽的室内空气和更健康环境的需求下,已经有了许多关于通风系统的研究。为了保持一个舒适的室内气氛,它必须与外界空气相通。这造成了给室内空气冷却或加热时的能量损失。有一个方法可以减少能量损失,并可以同时提高室内的空气品质(IAQ)，它就是使用热回收通风系统1-5。在所有的热回收通风系统中,尤其是在高温、高湿地区,一个可以同时转化潜热和显热的通风系统是必要的；目前,滤膜式全热交换器(全热换热器或有亲水膜芯的焓交换)使用。全热换热器使用一层很薄的膜材料,这种膜材料允许两种液体之间的热量转移和部分水分蒸腾作用。全热交换器在使用中发现,像图1中显示的一样,通常有直接的交叉流动而不是冷热

4、空气的混合，而且每一个流动通道都是波纹型(图1中前视图)。由于生产单一性和纸张的特殊性，波纹型的表面是一个光滑的流动通道。（图1中俯视图) （ 前视图）（俯视图）张和江6通过引入热、湿迁移的数学模型，对膜式换热器的性能进行了评价。张和牛7提出了用NTU（换算单位）去计算全热换热器热质传递效用的计算公式。张8,运用真正的全热换热器表面和通道之间的边界条件，用Nusselt数和Sherwood数分别指出热传递和质传递的特性。Bai et al. 9实验性评价了全热换热器在各种不同操作条件下的传热特性。由于大多数的研究评价了现有全热换热器，那么一个详细的关于提高全热换热器性能的研究势在必行。在金属换

5、热器的案例中，波纹型流动通道均匀地分配了流量，并像鳍一样,增加了热传递面积和整体传热。然而,在这个全热换热器的例子中, 由于低导热系数的纸材料，波纹型流动通道并没有像鳍一样神奇地发挥作用。 普通紧凑型热交换器的传热增强方法可以应用到全热换热器。众所周知通过流动通道破坏边界层并提高湍流强度的方法，为我们提供了一个良好的热传递效果，即使在一个全热换热器。因为通过全热热交换器的空气流率是比较低的, 所以预计在这个范围内的传热增强效果将会更显著。紧凑式换热器使用各种种方法以提高传热性能，其中一种是使用各种流动通道的结构，像板翅式,多孔翅片式、狭缝板翅式、波浪板翅式和偏置带翅片型10。板翅式和偏置带翅膀

6、式由于它们复杂的形状是难以应用到纸材料制作的全热换热器中的。另一方面,一个简单的流动通道结构是有选择性的。上述众所周知的对于一个紧凑式换热器传热强化的方法可以应用于相对高雷诺数。当对于金属材料的传热增强方法应用于全热换热器，在全热换热器的典型操作范围内，小雷诺数范围里的传热强化的程度必须被确认。这些研究确认了这些。研究表明，全热换热器的显隐传热得到了强化。2.试验装置2.1试验设备与测试方法为了评价全热换热器的性能,本研究使用了标准的量热仪。此次性能试验以韩国标准KS B 687911为准。量热计的有两部分。一个模拟室内空气的条件，另一个则模拟室外空气条件。（图2）图2显示的是两室的工作原理,

7、每室的尺寸为3.5（w）3.0(D)3.2(H)米。空气调节装置是一种控制室内温度和湿度条件的空调单元。全热换热器被安装在内室和外室之间，其他部分,通过使用0.1m厚的聚氨酯隔热板进行分离。全热交换器被连接到风机和风洞,这些风机和风洞分别安装在内室(SA)和外室(EA一边)。当在不同的温度下，这些室体之间产生流动，通过全热换热器外面的空气(OA)流进室内，同时,通过全热换热器室内空气(RA)被抽到户外(EA)。此同时,外面的空气和房间里的空气通过全热换热器进行热湿传递。空气采样传感器被放置在三个不同的点去测量干球和湿球的空气温度。通过全热换热器的空气流量被安装在风洞喷口位置的差压仪表测得。当内

8、室和外室都稳定下来(通常需要两个多小时),仅需十分钟就可以测得这些数据，像干球温度，湿球温度，空气流动速度等。这些程序重复三次。一旦测试结果不超过于可接受范围的0.6%时,测试数据的平均值被用来作为全热换热器的绩效结果。2.2 测试要素及条件本研究指定全热换热器的三种改性流动通道结构:第一,在波纹型流动通道的表面加工有孔的多孔式结构;第二,加工有狭缝的狭缝式结构;第三，加工有压花和孔的压花打孔类型结构。（图3）图3(a)显示平行流体流向加工有四排6毫米直径孔的穿孔型。图3(b)显示有六排40毫米长狭缝的狭缝式图3(c)显示在流动通道的所有地方有直径约1.0mm，高约.2mm的凸起的压花打孔型。

9、图3(d)显示是集合各种结构类型流动通道的全热换热器。全热换热器直接交叉流动而不是冷热空气的混合。虽然这些采用改良结构来增强传热的方法被应用于普通紧凑型热交换器,但它们从来没有被应用于纸材料制作的全热交换器。现有安装好的全热交换器如图1以及各种修改后的全热交换器，如图4，来测试其热交换性能。换热器的尺寸为220(W)220(D)245 (H)mm,典型的空气流动速度为100CMH(立方米/小时）(对应雷诺数约140)。所有其他规格诸如全热交换器的尺寸，波纹型的间距和高度等，除了表面结构,都是一样的,表1为各种改性全热换热器的说明。（图4）（表1）为评价通风性能，选择KS B687911作为试验

10、条件。在冷操作的情况下,室内干球温度和湿球温度在27和19.5(相当于绝对湿度:0.011161公斤/ kg dry air）和室外为35,和24(相当于绝对湿度:0.014318公斤/ kg dry air)。在热操作的情况下，室内干球温度和湿球温度则为20和15（对应于绝对湿度:0.008620公斤/ kg dry air），室外则分别为7和6(相当于绝对湿度:0.005409公斤/ kg dry air)。因为在冷操作环境下进入全热交换器的室内空气中比热操作环境下包含更多的水蒸气,所以湿迁移强化将极大地影响全热换热器在冷操作环境下的效率。2.3数据处理表示全热交换器性能的传热效率主要取决

11、于测量干球温度的温度效率，从绝对湿度的潜在效率，和从焓中的焓效率。Eq(1)定义了这些效率。（1）在式中, 指温度、潜在性和焓效率,其中x相应的测量值是干球温度,绝对湿度,和空气焓值。公式(1)中SA,OA,RA这些下脚标注分别指的是供应的空气，室外空气和流通空气。全热交换器的有效通风量进根据6879 KS B11进行测量，而泄漏率则用CO2测量方法进行测量。CO2浓度用气相色谱法进行分析。Eq(2)表示泄漏率R,公式(3)表示考虑到泄漏率的有效通风量。 （2）（3）修改后的全热换热器和拥有光滑表面的普通全热交换器的泄漏率都大约是10%。用来满足KS B687911的量热计是精确测量设备。用K

12、line和McClintock法12进行不确定分析。在典型的雷诺数140下，冷操作中温度效率，潜在效率和焓效率的不确定性分别为1%,2.5%和3.4%；在热操作中则分别为0.5%,0.7% 和1.4%。雷诺数误差估计为0.6%。3.讨论图5显示的是KS冷操作下，修改后的全热换热器和普通雷诺数全热换热器的温度效率。雷诺数在105 到280间波动(基于75到200CMH的空气流动速度)。温度效率随着雷诺数的增加而减小，这显示了普通空对空换热器的一般倾向。在整个雷诺数分范围内，修改后的全热换热器的温度效率略高于那些有着光滑表面的普通全热换热器。在典型的雷诺数的140下,在全热换热器试验测试的典型空气

13、流动速度条件下,多孔型、狭缝型、压花打孔型相比普通换热器分别增加1.2%,2.5%和5.0%。（图5）（图6）图6显示了KS冷操作下的潜在效率。在整个雷诺数的范围内，修改后的全热换热器的潜在效率比那些拥有光滑表面的普通热交换器好的多。在典型的雷诺数140下，多孔型、狭缝型、压花打孔型的潜在效率相比那些普通换热器分别增加了18.0%,32.2%，24.5%。由于在冷操作（潮湿环境）下，湿迁移增强大大影响了全热换热器的性能，这些潜在效率的显著增加让全热换热器的能量性能提高。缝隙式换热器显示最大的潜在效率。虽然我们能够大量增加潜在效率,考虑到狭缝的布置和尺寸，关于优化流动通道结构的研究是必需的。相比一般换热器修改后的流动通道结构的温度潜在效率有了一个大的提高。因为就连一般全热换热器的温度效率都是相当高(大约95%),所以就没有太多的余地进一步增加效率。然而,全热换热器在冷操作下的典型潜在效率却是相当的低。鉴于此,修改后的全热换热器在温度传递上比湿迁移有着更大的增加概率。