換向蓄熱式全熱交熱器組合填料的模擬研究

聞宏杰 劉剛*

東華大學環境科學與工程學院

換向蓄熱式全熱交換器作為一種新概念換熱器，因其裝置小巧靈活、機動性強，具有很好的發展前景。蓄熱體作為換熱器的核心部件，其內部的填料對換熱器熱回收有著重要影響。近些年，國內外很多學者已經對蓄熱體的換熱特性做了大量的模擬研究，并取得較多成果。晁陽[1]和杜瑋[2]對蜂窩蓄熱體進行了數值模擬，優化了蓄熱室的結構參數和操作參數，得出了蓄熱體和氣流溫度的分布規律和其溫度效率和熱回收效率的關系。劉映輝[3]運用多孔介質模型模擬研究了拉西環的內部換熱和流動過程。田麗君[4]通過實驗和模擬對比了不同填料下的熱回收效率。Ying Liu[5]等建立高鋁球填料的物理模型，利用多孔介質模型模擬了其內部換熱過程。

目前大部分研究主要針對單一填料的換熱研究，而對組合型填料的換熱特性問題研究不多。文獻[6]指出全熱交換器其工作過程可當成顯熱和潛熱相互獨立進行的，可以單獨研究顯熱，忽略潛熱部分。所以本文在前人研究的基礎上，將換熱器的熱濕分開，單獨研究其顯熱，提出組合填料的形式作為蓄熱體的構想，針對換熱器的環狀和球狀填料的組合填料進行數值模擬，探究其熱工特性，為換向蓄熱式全熱交換器設計提供一定借鑒。

1 模擬簡介

1.1 蓄熱體填料參數

本次模擬主要研究對象就是蓄熱能力較強的銅球填料，環狀銅管填料以及兩者組合堆砌而成的組合填料三種，其中銅球的規格為直徑Φ20 mm的填料，環狀銅管規格為Φ15×20×1.5 mm系列。銅作為換熱器中填料的選擇，其具有良好的傳熱、強度和蓄熱能力，其比熱為 390 kJ/(kg·℃)，導熱系數 386 W/(m·℃)，模擬過程中忽視其物性參數隨溫度的變化。

1.2 計算模型

1.2.1 物理模型建立

蓄熱芯體的結構物理模型如圖1所示。蓄熱芯體為圓筒狀，主要由接口段，漸變段，過渡段和蓄熱體段四部分組成。其為軸對稱，所以芯體內氣體溫度及壓力分布等也都具有對稱性。由于蓄熱體內填料孔隙尺寸遠遠小于蓄熱芯體尺度，且孔隙形成的通道也較為非常符合多孔介質的特點，因此模擬中進行適當合理的簡化，可以把蓄熱體視為多孔介質，采用多孔介質模型的當量連續法進行模擬。

圖1 芯體結構物理模型

1.2.2 數學模型建立

運用多孔介質模型進行數值模擬時，其控制方程和標準控制方程稍有不同，仍滿足三大數學方程：質量守恒方程，動量守恒方程以及能量守恒方程，而在建立蓄熱體數學模型時，為簡化計算過程，作以下簡化：1）流體為理想流體，流體的物性參數不隨時間變化。2）忽略空氣在蓄熱體內部的輻射換熱而只考慮對流換熱。3）流體進口的溫度和速度分布均勻。4）忽略蓄熱體對外界的熱損失。5）忽略蓄熱填料結構尺寸上的小誤差，認為其表面積及質量分布均勻。

1.2.3 邊界和初始條件

1）邊界條件。Fluent中邊界條件的設置尤為重要，本次模擬主要涉及三種邊界條件即進口邊界，出口邊界和壁面邊界。進口邊界條件設為速度入口，基準速度以60 m3/h流量折算。溫度設置按初始條件來，湍流框選擇湍流強度和水力直徑，并分別設為5%和0.05 m。出口邊界設為outflow自由出流，壁面邊界則設為絕熱面。在模擬其他工況時，根據情況調整速度入口設置，其他邊界條件不變。

2）初始條件。在模擬初始化的時候，設置蓄熱芯體的多孔介質區初始溫度為25℃，單擊path置?；鶞薀犸L溫度為室外新風溫度34℃，冷風即為室內回風溫度25℃，設置進出口面平均溫度為監控值，最后設定好合適的步數和步長進行模擬。換向模擬時，將原先進出口邊界條件進行換置，冷風冷卻模擬開始。

2 模擬結果與分析

2.1 啟動及穩定過程分析

在熱交換器進行工作時，其內部的蓄熱體溫度從開始的自身常溫溫度變到一個穩定的工作狀態需要經歷一個啟動到穩定過程。

圖2 基準換向時間下的啟動過程

圖2表示了在基準工況換向時間40 s的情況下，啟動過程中熱風出口溫度和冷風出口溫度的變化過程。熱風進口端和出口端經歷一個加熱周期后，分別變為冷風出口端和進口端。開始時熱風溫度為307 K，冷風溫度為298 K，在剛開始的幾個周期內，填料溫度較低，蓄熱能力強，熱風出口溫度變化不大，隨著時間進行，換熱能力減弱，出口溫度逐漸升高并最終趨于穩定。冷空氣的出口溫度在前期的周期內溫度升高較快，后面逐漸趨于平緩。因為在每個周期內加熱期填料吸收的熱量大于冷卻過程中填料釋放的熱量，隨著時間增加，除熱量在加熱冷空氣外，剩余熱量不斷積累于填料內，溫度不斷提升，冷風出口溫度不斷升高。最后當填料的蓄熱量與放熱量達到一個等值時，熱交換器就算達到一個穩定的工作狀態，預示著啟動過程結束。

2.2 換向時間對組合填料換熱效果影響

換向時間作為影響換熱器換熱效率的重要操作因素之一，其取值的大小對組合填料的換熱效果影響較大，此外還將對設備的使用年限產生直接影響。不同的蓄熱填料其換向時間的選取也各有不同，找出最佳的換向時間對換熱器性能提升意義深遠。模擬過程中，保持冷熱風進口的溫度，速度和填料的組合高度不變。在此基礎上，選擇 40 s、45 s、50 s、55 s四個不同的換向周期進行對比模擬，著重探究換向時間對組合填料的換熱性能影響變化規律，并在此基礎上找到適合本次研究的組合填料的最佳換向時間。

圖3 不同換向時間下熱風出口溫度

圖4 不同換向時間下冷風出口溫度

從圖3、圖4中可以看出，蓄熱階段時，各換向時間下的熱風出口溫度都是隨換熱時間逐漸增大并到達一個趨于穩定的狀態。在相同的換熱時間內，換向時間越短，蓄熱過程中熱風的出口溫度越低且一直低于換向時間大的工況。同樣，在放熱過程中，冷風出口溫度與熱風溫度保持相同的變化規律，先增大后平穩。當換向時間越短的工況，其冷風出口溫度越高，前期冷風出口溫差變化不大，隨著時間增加，出口溫度差距也逐漸增大。隨著換向時間變短，冷風出口差異增幅減小，說明一味的縮短換向時間，提升的效果將不再明顯。前面規律產生的原因主要是：換向周期越大，蓄熱過程中加熱時間越長，熱風出口溫度必然高于換向時間短的工況。換向時間短，冷熱風之間切換的次數則越多，填料的溫度則會越低，這樣使得冷熱風與填料之間的溫差變大，換熱效果變強，換熱速率變大，所以換向時間越短的工況，熱風出口溫度越低，而放熱時導致冷風出口溫度越高。

時間內蓄熱芯體吸收的熱量與室內空氣中可以被吸收的最大熱量之比定義為組合填料的一個顯熱效率，通過圖5中可以看出，組合填料的一個換熱效率和隨換向時間的增加呈負相關，在40 s時為53.8%，而55 s時則降到47%，隨換向時間的縮短，效率的增幅在減小。所以綜合比較換向時間對組合填料的換熱影響可以看出，換向時間越長，換熱器的蓄熱階段熱風出口溫度越高，填料溫度越高，而放熱過程中冷風出口溫度則越低，填料溫度也越低，總的換熱速率越小。從換熱角度來看，換向時間越短，組合填料的換熱效果則是越好。換向時間越短帶來的問題則是，換向頻率變大，容易導致裝置的使用壽命受到縮減，經濟損失變大。所以確定換熱器的換向時間需要從換熱效果和經濟效益兩方面來綜合考慮。

圖5 顯熱效率隨換向時間變化圖

2.3 填料比例對組合填料換熱效果影響

由于球狀和環狀兩種填料的孔隙率、形狀等特性并不相同，因此兩者不同比例對整個組合填料的換熱特性會產生不同的影響。在其他操作參數和結構參數不變的情況下，通過數值模擬，模擬不同比例下的組合填料的換熱特性，找出相關規律性，得到一個最佳的比例值?，F以球狀和環狀的體積比例定義為k，模擬中k值分別取1/3、1、3、5四種不同比例工況。最后將模擬得到的數據繪制成圖，分析得出相關結論。

圖6、圖7表示的是不同填料比例下蓄熱填料的冷熱風出口溫度變化規律圖。從左圖可以看出，隨著換向周期的增加，幾種比例條件下的熱風出口溫度都在逐漸增大并最終至穩定狀態。不同比例的組合填料其熱風出口溫度都各不相同，比例k值越大，熱風出口溫度越低，k值為5熱風出口溫度最低，k值為1/3熱風出口溫度最高，說明高比例下組合填料的換熱能力更強，填料在相同時間下吸收的熱量更多，熱風出口溫度越低，所以在此條件下增加球狀填料的體積有助于提升組合填料的換熱能力。此外，隨著比例的增大，熱風出口溫度的減小幅度有減小趨勢。從右圖中可以看出，各比例下的冷風出口溫度也是隨著換向周期的增加，溫度逐漸升高并至穩定狀態。在前幾個周期中，各比例之間的差異不大，但隨著換熱周期的增多，不同比例下的冷風出口溫度間的差距開始逐漸加大并至穩定狀態。比例k值為5的冷風出口溫度最高，比例k值為1/3的冷風出口溫度最高，再次說明在基準風速下球狀因其熱容較大，換熱效果明顯。同樣，隨著填料之間的比例加大，各相鄰比例之間的冷風出口溫差差距幅度減小，這說明填料比例之間也存在一個最優的值，一味增加比例，可能會加大經濟支出，而得到的效果也不會特別的明顯。

圖6 不同比例下熱風出口溫度

圖8中表示組合填料換熱效率隨球狀和環狀比例的變化圖，可以看出，隨著比例的增加效率逐漸增大，當球狀填料占比多時效率明顯更高，當比例為5時最大55.1%，比例為1/3最小49.3%，與此同時，隨著填料比例的增大，換熱能力的增幅也在逐漸減小，比例小于1的時候，增幅最大，大于三后開始減弱，雖然k值取5時，效果最明顯，考慮到其經濟性，成本較大，相對于其增幅效果來說，可取性不大。綜合比較填料比例對組合填料的換熱影響規律可以看出，在相同的蓄熱和放熱過程中，球狀比例大組合填料，因其熱容大、吸收熱量多，換熱效果好。說明提高球狀填料的占比有利于提高組合填料的換熱能力。最后考慮兩者的體積比例值取3最佳。

圖7 不同比例下冷風出口溫度

圖8 顯熱效率隨填料比例變化圖

2.4 填料類型對組合填料換熱效果影響

為探索不同形式類型填料換熱效果，除上述球狀及環狀填料外，又增加片狀和蜂窩兩種填料，模擬對比它們之間的不同組合形式對組合填料的換熱情況的影響規律。模擬過程中，涉及到的組合類型包括球狀與環狀，片狀與環狀，蜂窩和環狀，四種形狀的混合狀，每組兩者比例1:1。最后將模擬得到的數據繪制成圖，分析得出相關結論。

圖9、圖10表示的是不同類型組合蓄熱填料的溫度變化規律圖。從圖9中可以看出，這幾種不同類型的組合填料它們的熱風出口溫度都是隨著周期數增加，溫度不斷提高并最終達到穩定狀態，變化趨勢一致。通過圖9可以看到，組合填料中，環狀+片狀的組合填料熱風出口溫度明顯低于另外三種，蜂窩+環狀出口溫度最高，球狀+環狀介于兩者之間，混合填料熱風出口溫度接近于球狀+環狀填料。說明組合型中環狀+片狀的換熱效果最好，換熱效率為55%，而多類型組合其換熱效果并不是最佳，只比蜂窩+環狀高約2%。圖10中可以看到，組合類型填料冷風出口溫度隨換向周期數的變化規律也是先逐漸增大后至穩定狀態。對于組合型填料來說，環狀+片狀型填料其冷風出口溫度最高，蜂窩+環狀型冷風出口溫度最低，再次證明了上述結論。

圖9 不同填料類型下熱風出口溫度

圖10 不同填料類型下冷風出口溫度

所以綜合比較填料類型對組合填料的換熱影響規律可以看出，對于組合型填料來說，其中環狀加片狀的換熱效果最好，蜂窩加環狀換熱效果相對而言最差，球狀加環狀和混合狀填料介于兩者之間。所以對于組合型填料來說，對于換熱面積大，熱容大和低孔隙率的蓄熱填料組合在一起更能改善組合型填料的換熱效果。所以本模擬過程中，在基準工況下，環狀加片狀的組合填料效果因其換熱面積，熱容和孔隙率的優點而變得最好。

3 結論

基于組合填料的分布特性，運用多孔介質模型模擬得出一定程度可以反映實際情況的結果，可以根據實際情況，改變各類參數和條件等來模擬不同工況。通過上述模擬可以得出以下結論：

1）熱交換器工作時需要經歷一個啟動到穩定的過程，啟動過程中熱空氣和冷空氣的出口溫度都是不斷升高最后趨于穩定，而因填料吸放熱能力不同，兩者出口溫度變化過程也稍有不同。

2）換向時間對換熱器換熱效率有著較大的影響，隨著換熱時間的縮短，熱回收效率逐漸提升，當換向時間小到一定程度后，效率提升效果變得不明顯。此外，過小的換向時間將導致換熱裝置換向過于頻繁，縮短設備使用年限。

3）對于球狀和環狀兩種組合填料，當球狀和環狀比例為3時，在基準低風速下，當其換熱效果和經濟性最佳。

4）對于組合型填料來說，換熱面積大，熱容大和低孔隙率的蓄熱填料組合在一起更能改善組合型填料換熱效果。本次模擬中環狀加片狀組合填料效果最佳。

5）對于換熱器結構參數和操作參數選取，應結合實際情況，綜合考慮各個方面，使得其綜合效益最佳。