全热交换器焓传递过程理论与实验研究

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目前,人们对室内空气品质越来越高的要求与能源紧张局势之间的矛盾日渐尖锐,而采用空气全热交换器使空调室内排风与新风之间进行热湿交换,从而回收排风有用能量来降低用于处理新风能耗的措施,是解决这一矛盾最有效的技术之一。全热交换器正是在这种背景下成为21世纪暖通空调领域备受关注的节能装置。 本文以全热交换器中的吸附材料与湿空气之间的热湿传递过程为关键问题,在对各种非饱和多孔介质热质传递理论的归类分析和科学评述的基础上,从全热交换器的焓回收宏观角度出发,针对全热交换器中两种不同比焓态的湿空气之间借助吸附材料进行热质交换的过程特点,首次引入焓度概念参数,把湿空气因温度梯度及浓度梯度引起的复杂的热质耦合过程概括为焓传递过程,提出了以导焓及对流换焓两种基本方式的焓传递理论及实验研究方法,并分别就湿空气外掠吸附材料壁面、静止式全热交换器、旋转式全热交换器以及空气与水直接接触式热质交换问题,进行了焓传递过程理论分析及实验研究。 导焓理论分析中,建立了导焓微分方程及边界条件,在此基础上描述多层平板的稳态导焓与非稳态导焓,并对湿空气与球状吸附材料小颗粒非稳态导焓作了理论分析,结果表明:对于全热交换器而言,要强化全热交换效率,需要寻找导热能力强的同时湿分扩散也强的材料,使得综合导焓能力强。 对流换焓理论分析中,从对流换焓的基本方程组出发,描述对流换焓机理,定义了湿空气外掠吸附材料平板的焓度边界层,采用数量级简化分析方法得到外掠平板二维、稳态常物性对流换焓的边界层微分方程组,并列出了层流和湍流外掠平板的平均换焓努塞尔数。 实验研究中,首先对湿空气通过吸附材料的准稳态导焓系数的进行了测定实验,并对比了不同吸附材料的导焓系数以及在不同工况下吸附材料导焓系数的变化;采用湿空气外掠平板的流动方式进行了测定对流换焓系数、努谢尔数及换焓效率的实验,结果表明:(1)陶瓷纤维基硅胶材料在用于不同焓度湿空气之间进行焓交换时,其导焓能力随着吸附材料比表面积的增大而增大;(2)在本实验条件下陶瓷纤维基硅胶材料的导焓系数基本稳定,在空调工况范围内约为ζ=0.12(W/m·<0>Z),(3)只有当吸附材料两侧的湿空气存在焓度势才会有焓的交换,没有焓交换并不一定没有热交换或质交换;(4)外掠平板流动方式的对流换焓平均努谢尔数、表面对流换焓系数均随着雷诺数的增大呈线性增大,而换焓效率则呈线性减小。把湿空气流过静止式全热交换器的流动形式按湿空气流过吸附材料管槽内的流动来进行换焓问题的简化及理论解析,并指出对流焓阻远大于导焓焓阻,强化换焓综合性能应主要从强化对流换焓着手,结合对表面换焓系数、换焓效率与结构、流量等的相互影响的实验研究结果表明:在层流范围内,随着Re的增大,表面对流换焓系数均增大,而且,当雷诺数约小于640时,表面对流换焓系数增大很快,当雷诺数超过640时,表面对流换焓系数增大幅度较小,逐渐趋于稳定。 把湿空气流过旋转式全热交换器的热质交换过程简化为一维的蓄焓和放焓的非稳态导焓过程,同时,指出高焓区的结束焓度即为低焓区的初始焓度,而低焓区的结束焓度则为高焓区的初始焓度,利用模块化实验平台,对影响旋转式换焓综合性能的主要因素进行了理论分析及实验研究。结果表明:在本实验条件下,轮厚大于50mm小于200mm范围时,旋转速度最佳值在10~20转/分钟;当流道流速约为1.5m/s时,较佳轮厚在50mm~100mm范围。 此外,针对湿空气与水直接接触的热质交换问题,把覆盖在液态水表面的湿空气膜假设成虚拟介质,并以水蒸发冷却空调器及淋水式冷风机湿冷系统装置作为实例,把其热质交换过程简化成一维的非稳态导焓来进行分析和总结,为湿空气与水直接接触的热质交换提供了焓交换方法的设计计算实证。 从焓传递角度出发进行的理论分析预测结果与实验结果取得了较好的一致性,从而为工程应用提供了准确并易于理解的理论分析方法。
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