蓄热式换热器的仿真模拟及其研究分析

点击：1806 日期：[ 2014-04-20 00:59:04 ]

摘要：本文根据蓄热式换热器的特点建立起相应的数学模型，并且通过仿真软件对数学模型进行计算，根据得到的结果，分析了换热器长度和迎面风速对换热器效率的影响。计算结果表明，换热器的效率随着换热器长度的增加而提高，但是到了一定长度以后，换热器效率随长度的变化不明显，此长度为换热器的优化尺寸，而换热器的效率随风速的增大而显著减小，确定流动风速时应该考虑风机匹配的问题。
    关键词：蓄热式换热器 Simulink 仿真优化
    文章编号：1003-0344（2010）03-005-3
    0·引言
    能源匮乏，全球环境气候恶化，人民生活水平普遍提高以及对生存环境的舒适性要求逐步提高，促进了节能环保空调设备的迅速发展。热回收通风装置的推广应用能够在一定程度上缓和能源和舒适性的矛盾。作为热回收方式的重要形式，蓄热式换热器由于自身的一些特点，受到了越来越多的关注。
    蓄热式换热器（图1）系统通常只设置一个风管，此风管皆用作送风管和排风管，蓄热式换热器直接安装在风管上。当排风的时候，排风中的热量通过热交换传递给蓄热材料，当交换充分发生以后，通过改变风机的转向引入新风，此时，风管作为新风管，蓄热材料将储存的热量传递给新风，这样就完成了排风和新风之间的能量交换。

    此种形式的换热器结构简单，只需要设置一个风管，适合在小型系统中进行推广。蓄热式换热器由于其结构的原因，有其特殊的动态特性，因此有必要对这个换热器进行研究。
    本文基于MATLAB软件的SIMULINK对蓄热式换热器的动态特性进行了模拟，通过模拟结果，分析了影响蓄热式换热器效率的因素和规律，为优化设计提供了理论基础。
    1·数学模型的建立
    蓄热式换热器的结构为填充满玻璃球的形式，玻璃球作为蓄热材料，新风和排风交替流过换热器进行能量交换，为了简化，换热器工作过程可以分成两个相同的部分：玻璃球蓄热和玻璃球放热。模型的建立分析基于以下这些的假设[1]：
    ①忽略换热器壳体的热损失；
    ②蓄热材料在整个换热器中均匀分布；
    ③空气在流道中稳定流动；
    ④空气是比热容为常数的理想气体；
    ⑤空气均匀地流到每个单元体，并且认为两股气体不会相互混合。
    根据以上的这些假设，建立的数学模型如下[2、3]：

    对于处于蓄热期间的单元体其初始条件如下：Tg的初始温度=室外新风的进口温度；Ts的初始温度=室外新风的进口温度；Tgi=室内排风温度。对处于放热期间的单元体初始条件为：Ts的初始温度=蓄热末期蓄热材料的温度；Tg的初始温度=蓄热末期换热器的出口温度；Tgi=室外新风的进口温度。
    2·仿真模型的建立
    根据建立的数学模型，利用MATLAB的SIMULINK进行仿真模拟[5]。
    换热器换热模型（图2）即将蓄热材料热平衡子系统模型与空气热平衡子系统模型封装组合而成。通过输入空气进口温度，在一定的结构参数和速度下，计算出对应的换热器出口温度的值。

    空气热平衡子系统模型如图3所示，其中：输出变量为Tg，输入变量为Tgi、Ts，已知参数为h、Ug、Ac、L、ρg、Ag、Cg。

    蓄热材料热平衡子系统模型如图4，其中：输出变量为Ts，输入变量为Tg，已知参数为h、ρd、Ad、Cd、L。

    3·结果分析
    3.1计算参数的设定
    计算参数的设定如表1所示。

    3.2计算结果分析
    本文建立的模型是基于蓄热材料的蓄热过程，模拟计算的结果是排风经过蓄热材料进行热量交换以后的温度。在这个过程中，空气的换热器出口温度越高，就认为蓄热材料的蓄热量就越大。由于换热器的结构形式对换热效果有很大的影响，在其他条件一致的情况下，对于具有较高空气出口温度的换热器，蓄热材料由于传热量较大，因此蓄热材料的温度相对较低，由于新风进口温度保持一定，它和蓄热材料的温差也就相对较大，由于此种结构形式利于热量交换，可以认为蓄热材料传给室外新风的热量也就越多，换热器的效率也就越高。
    图4为排风温度为23℃，迎面风速为1 m/s时空气出口温度随换热器长度的变化曲线，从图中可以看出，换热器长度越小，空气的出口温度也越小，在0.05m时，空气的出口温度只有24.5℃，随着长度的增加，空气的出口温度也随之变大，在0.05m~0.3m的区间，空气出口温度变化较大，当长度达到0.3m以后，长度变化，空气出口温度变化不大，曲线趋于平坦。由此图可见，换热器的长度选在0.3m左右是个比较理想的结果，当长度大于0.3m以后，出口温度随长度的变化不明显。

    图5为长度为0.3m的换热器在排风温度为23℃的情况下，空气出口温度随迎面风速的变化曲线，由图可见，空气的出口温度随迎面风速的增加而下降，在0.02m/s的迎面风速下空气的出口温度能够达到31℃，但是到了2m/s的时候，空气出口温度只有26.4℃。这是由于迎面风速越小，空气在换热器内停留的时间就越长，热交换就越充分。在选择迎面风速的时候，从理论上来讲，迎面风速越小，空气的出口温度就越高，换热效果就越好，但是在实际应用过程中，还要考虑风机匹配的问题，换热器的横截面积以及房间新风量等因素。
    4·结论
    通过对热工设备建立数学模型，利用计算机仿真软件就能得到只有通过实验才能拟合的图形。仿真得到的图形能够更有效地反映出动态特性，并且在计算机中就能进行调节，使之达到稳定的结果，从而大大节约实验费用和时间。
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