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1、横流板式间接蒸发热回收器换热效率分析刘学来1,2 李永安1 李吉志1 杨洪兴3 陈恒亮4 1中国石油大学 机电工程学院2中国山东建筑大学 热能工程学院3中国香港理工大学 建筑维修工程学院4山东产品质量监察协会【摘要】本文建立了横流板式间接蒸发热回收器的数学模型。采用有限容积法对数学模型进行了求解。通过对数学模型的求解，得出了新风及排风在流动方向上的温度分度，横流板式间接蒸发热回收器的效率是通过NTU 方法分析的，横流板式间接蒸发热回收器设计时使用的传热单元数的提出是出于新风适宜进行热交换的情况，对横流板式间接蒸发热回收器实际设计时，新风侧传热单元系数采用0.8-2.5、排风侧传热系数采用0.5
2、-1.7较为适宜。关键词 蒸发换热, 数字模型, 换热效率, 传热单元数, 温度分布【引言】应用横流板式间接蒸发热回收器在空调系统中进行能量回收具有很大的潜力，本文中提到的室外空气即新风在没有增加水分的情况下被冷却，与此同时室内空气既排风的能量被回收，空调系统的能量消耗随之得到降低。水被直接喷淋到热回收器的排风侧，新风和排风交错流动，新风侧的热量通过平板传到排风侧，水被蒸发，以使排风的含湿量和焓得到升高。横流板式间接蒸发热回收器的结构原理如图1所示。 在横流板式间接蒸发热回收器中热量交换和质量交换同时发生， 在相界面上水分蒸发的相变潜热改变了新风及排风的热传递特性，传输机理相当复杂。为了对蒸发
3、冷却热量交换器做研究，应该分别做出假设，Maclaine-cross 和 Banks假设排风侧水蒸发薄膜不变并且同时有水连续不断的补充到表面是温度的线性函数，作者为湿表面热交换器提出了一个线性近似模型，他们用已经证明了的相同公式或者图解说明来确定湿表面热量交换器有效，Stoitchkov and Dimitrov创立了一种快捷的方法计算湿表面横流换热器效率，它对根据Maclaine-cross 和 Banks的方法预估效率的方法进行了修正。这个修正被Stoitchkov 和 Dimitrov创立，还考虑到水膜平均温度和气压，为对湿面热交换器的实际情况类推干表面热交换器给出了可行的快捷的程序.。
4、本文将在Stoithkov 和 Dimitrov的数学模型的基础上建立横流板式间接蒸发热回收器的数学模型. 为了获得新风及排风在流动方向上的温度分配，采用有限容积法对热回收器数学模型进行求解，NTU方法对横流板式间接蒸发热回收器的换热效率进行分析。2 数学模型首先做如下假设，假设模型满足以下条件：1）干空气的定压比热容cp、水的定压比热容cw、水蒸气的定压比热容cv、水蒸气的气化潜热r0、大气压力B、水蒸气饱和压力pw是常数；2）在气道内只有基本的热量传递，d1恒定不变；3）满足刘伊斯关系式。2.1 新风道的能量平衡方程当新风内板面温度高于露点温度时，新风道内只有可感热流显热流。公式如下： 1
5、）总热平衡方程： 2）把（1）式代入（2）式得到： (3)这里将此式代入（3）式，得到： (4)2.2排风道热平衡方程总热流量由显热和潜热流量组成 (5) (6)总热平衡方程 (7)将（5）式（6）式代入（7）式得到： (8) 将这些方程式代入（8）式得： (9) 水膜的热平衡方程显热流： (10) 潜热流： (11)总热平衡方程： (12)将（10）（11）式代入（12）得： (13)水膜的减少等于排风中水分的增加： (14)这里 将这些方程带到（13）式中得到： （15）总质量流量平衡方程： （16）根据刘易斯关系式： （17）Cw是饱和湿空气贴近水膜时的质量分数。 C2 是排风侧水的质量
6、分数。根据参考【6】： （18） （19）Pv和d2有如下关系： （20）将式(17), (18), (19), (20),代入(16)得到： （21）微分方程(4), (9), (14), (15) 和 (21)是横流板式间接蒸发热回收器的数学描述.。数学模型的结构和离散型式如图2。已知横流板式间接蒸发热回收器几何特点和入口边界条件，这些微分方程可以由有限容积法解决，得到水膜出口参数，新风和排风参数。图 2微元控制体示意图3 介绍换热器效能 和传热单元数根据Maclaine-cross and Banks 2, 横流板式蒸发冷却器的效能是 （22） 根据参考文献2 和3, 引进无量纲参数传热
7、单元数。一次风道的传热单元数定义为: （23）二次风道的传热单元数定义为: （24） 这里 是二次风平均比热容 7: （25） 总的传热系数通过下面的方程计算出 （26）水膜的厚度w太薄 水膜的热阻可以忽略，因此 （27）一次空气的传热系数为 （28）同理,忽略水膜的热阻，因此 （29）干式传热传热系数1=2 ，通过方程 Stoithkov 3:计算 （30）传热系数 w通过下式计算 6: （31）4效率分析 采用新风及排风不同的入口参数和传热单元数，然后根据固定体积方法解决上述数学模型问题。效能随NTU1 和 NTU2 的变化的分布如图3所示 图3 效能从图中我们可以看到图3横流板式间接蒸发
8、热回收器的效能随着新风及排风传热单元数的增加而增加 。 但是增加的幅度是渐渐变小的，当NTU1大于4， NTU2大于2.5， 效能曲线接近于直线。因此 采用传热单元数，对于增加横流蒸发热回收器的效率在物理设计时没有任何意义，因此新风及排风的最合适的传热单元数是分别是0.8-2.5和0.5-1.7相对于横流板式蒸发热回收器5新风及排风的温度分布新风在流动方向上的的温度分布如图4曲线1所示的入口状态。曲线2所示的入口状态，在入口状态，新风出口温度低于入口露点温度，那就意味着水在新风气流中冷却，这个数学模型在冷凝条件下不适合。图4新风温度分布 图5. 排风温度分布冷却条件需要更深的研究，图5所示为排
9、风在流动方向的温度分布. 图5曲线所示入口参数;曲线2所示入口参数; 曲线3所示入口参数. 温度分布曲线近似一条水平线. 进出口的温度差别不超过2.2,通过对进出口不同参数的计算. 因此横流板式间接蒸发热回收器的排风处理过程在设计时可以看成等温加湿过程 6.结论本文建立了横流板式间接蒸发热回收器的数学模型. 采用有限容积法对数学模型进行了求解. 通过对数学模型的求解, 得出了新风及排风在流动方向上的温度分度. 横流板式间接蒸发热回收器的效率是通过NTU 方法分析的传热单元数. 横流板式间接蒸发热回收器的设计中对新风干式冷却条件下新风及排风适用的传热单元数分别0.8-2.5和0.5-1.7 最后
10、,当新风含湿量太大时, 水可能在在新风气流中被冷却，本文中数学模型建立在干式冷却条件下. 当水在在新风气流中被冷却，横流板式蒸发冷却器的效能需要进一步分析鸣谢本文得到了建筑科学技术发展部门的支持以及香港和中国内地的合作Nomenclature专业术语ABCcDDe传热面积(m2)大气压力 (Pa)水的质量分数比热容 (kJ Kg -1 K-1)两板之间的距离 (m)当量直径 (m)diows露点入口出口水合理的dhLkMmprTtt，含湿量 (Kg Kg-1.dry-air)新风比焓 (kJ Kg -1)流通方向的长度 (m)传热系数 (W m2 K-1)质量流速 (Kg s-1)流动方向上的
11、质量流率(m=M/L Kg s-1 m-1)压强(Pa)相关系数; 水的汽化潜热(kJ Kg-1)温度 (K)温度 ()湿球温度()希腊字母aelsjrdnf传热系数(W m-2 K-1)传热效率导热系数(W m-1 K-1)质量传递系数(Kg m-2 s-1)相对湿度密度厚度运动粘度(m2 s-1)电流变下标12新风排风 a干空气参考文献【1】Martnez FJ Rey,Velasco Gmez E. 两种不同的蒸发系统的比较研究：间接蒸发冷却和半间接蒸发冷却 Energy and Buildings， 36(2004) 696708.【2】Maclaine-cross I. L, Ban
12、ks P.J. 换热器及应用再生蒸发冷却的一般理论 Journal of heat transfer, 103(8) (1981): 579-585.【3】Stoithkov. N. J, Dimitrov G. I. 横流板式换热器效能的间接蒸发冷却 Int J. Refrig, 21(6) (1998): 463-471.【4】周晓青, 陈培林. 间接蒸发冷却的分析 HV&AC, 30(1) (2000) 39-42.【5】Pescod D. 空调系统换热器节能 ASHRAE Transactions, 85(2) (1998) 238-251.【6】. . Rohusenow. 传热应用手册北京: 科学技术出版社, 1992.【7】陶文宣 传热数值 西安: 西安交大出版社, 2001.*刘学来，男，1965年生，中国山东省济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学热能工程学院，邮编250101，电子邮箱：liuxuelai147
