新型HRV“热量回收式新风机”简介

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一、背景
现有全热交换新风机（HRV，Heat recovery ventilator）是一种具有热回收功能的送排风设备。达到回收冷量、热量的目的，节约了空调能源，在改善室内空气品质的基础上，尽量减少对室内温度的影响。例如，现有的Lossnay换热器（静止型全热换热器）, 换热芯体包括平板纸和翅片纸所构成相互垂直向的气流通道，此结构能把吸入的空气和排出的空气隔开在各自的气流通道内，不发生混合，同时能进行显热交换（热传导）和潜热交换（凝结-毛细作用-蒸发）将新鲜空气引入室内环境。但是其缺点在于：
1、需要两台风机给予风量输入、输出；
2、热阻和流动阻力较大，导致热交换差和动力消耗大；
3、需要经常更换纸质耗材；
4、冷凝水无法很好的交换，导致实际使用的潜热换热效率低下；
5、纸质材质只能用于室内外温差较大时的建筑节能新风。

[ 本帖最后由 aaa-1234 于 2014-1-22 08:28 编辑 ]

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二、新方案
基于上述现有产品的不足，本发明的发明人经过长时间的研究改进，形成了现有的革命性新方案。

其特点是，包括换热转子、外壳体、第一端口和第二端口，换热转子包括内筒体、外筒体以及内筒体和外筒体之间的沿轴向设置的空心轴流扇叶（图中蓝色箭头代表室外空气入口）。优点在于：
1、大量的具有换热功能的风机空心叶片组成的换热转子，使原有技术中的两个风机和一个静止换热芯三个部件合并成一个换热转子部件（3IN1），大大简化了设备结构组成，原有技术中的换热芯风阻阻力改变为换热芯驱动动力；
2、由金属材料制造的空心叶片不仅大大减少了传导热阻，其“刀刃”式的传热方式大大地提高了流体传热效率，也使得换热芯寿命大大延长；
3、潜热换热过程中的凝结水转移由原有技术的毛细作用原理改变为离心甩出原理，既可实现凝结水充分转移，又可促进凝结-蒸发过程，进而提高潜热换热效率；
4、旋转的金属换热器容易实现可清洗性，进而提高卫生标准。
其缺点是：非接触性轴封的间隙会有少量漏风。
提示：3IN1时至空心叶片扮演三个角色：
  1）        换热器，空心叶片外部是热空气，内部是冷空气，大量联排形成换热器；
  2）        轴流风机，一排排的外形似轴流风扇叶的空心叶片形成轴流风机，驱动热空气流动；
  3）        离心风机，旋转的空心叶片内部的冷空气在离心力驱动下沿离心方向流动。
  4）       空心叶片外壁上的露水在离心力的作用下径向流动聚集到外筒壁，透过外筒壁上的小孔转移到冷空气通道。



具体而言：以尺寸为长1m，直径0.5m的HRV为例，实施多次优化后，最终确定了叶片参数，达到了风量平衡（两端流量相等）。分夏天和冬天两种使用情况来讨论，冷热流道内空气的温度分布系采用CFD数值模拟计算技术取得的结果，换热效率的计算误差在5%以内。热流道区网格数776万、冷流道区网格数457万、总计1233万网格，结合能量方程求解器、重整化群理论的k-epsilon湍流模型、多相流模型、相变组分模型（过饱和空气冷凝），计算结果具有较高的可信度。

夏季工况（无冷凝水）（室外33°C/湿度63%、室内26°C/湿度50%，消耗功率37W）：
冷流温度(K)：299à305.7
冷流流量：0.042 kg/s
冷流热流量： 269.8 w
热流温度(K)：306à300.6
热流热流量：269.8 w
热流流量：0.048 kg/s
流量比（冷流流量/热流流量×100%）：87.5%
总换热量：269.8 W
风机消耗功率：37.4W
平均温度交换率（平均温升绝对值/室内外温差×100%）：86.4%
能效比（回收热能/输入电能）：7.21
  

冬季北方城市工况（室外-10°C/湿度30%、室内20°C/湿度50%，消耗功率41W）：
冷流温度(K)：263à285.6
冷流流量：0.054 kg/s
冷流热流量： 1236.9 w
热流温度(K)：293à269.5
热流热流量：1236.9 w
热流流量：0.052 kg/s
流量比（冷流流量/热流流量×100%）：103.8%
总换热量： 1236.9 W
风机消耗功率：41.1W
平均温度交换率（平均温升绝对值/室内外温差×100%）：76.8 %
能效比（回收热能/输入电能）：29.9
  

冬季南方城市工况（室外0°C/湿度50%、室内20°C/湿度50%，消耗功率40W）：
冷流温度(K)：273à288.3
冷流流量：0.053 kg/s
冷流热流量： 817.6w
热流温度(K)：293à277.1
热流热流量：817.6 w
热流流量：0.051 kg/s
流量比（冷流流量/热流流量×100%）：100%
总换热量：817.6 w
风机消耗功率：40.3 w
平均温度交换率（平均温升绝对值/室内外温差×100%）：78%
能效比（回收热能/输入电能）：20.2
  

其中，夏季时空气的粘性较低且密度稍小，故换热较充分，温度交换率相比冬季而言稍高；但冬季室内外温差大，故能效比较夏季高。
由于一般换热器会在工作时产生冷凝水覆盖在结构表面（低温时甚至形成霜层），从而降低导热性能，降低换热效率。由数值得到的冷凝水集中产生在图示位置。由于本次改进后的流道更为简单，图示部位的冷凝水很容易在叶轮转动（600rpm）过程中由于离心作用甩出到外围，通过外筒壁上的小孔排到热流道外围的冷空气通道并在冷通道内蒸发，这样就不会因为冷凝水而降低换热效率。之前已有设计都不能很好的排除冷凝水，导致冷凝水堆积而降低实际换热效率。下图为产生的凝结水组分分布情况。

综上所述，本设计实现了小巧的体积（长1m，直径0.5m），相对简单的结构，约40W的功耗，流量150m3/h，温度交换效率超过75%，北方冬季能效比接近30，全寿命周期内无需更换部件、无耗材，清洗维护方便。这对过去任何一种气体换热器而言都是难以做到的。

附件是完整的介绍：

[ 本帖最后由 aaa-1234 于 2014-1-22 10:01 编辑 ]

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[ 本帖最后由 aaa-1234 于 2014-1-22 10:04 编辑 ]

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北方冬季平均工况（近似于南方冬季寒冷工况）LEER内部空气参数




这是LEER设计的标准工况，冷热空气流量比为1:1，可适用于中国的大部分地区，根据表1和图1说明如下：
a,b,c----热空气参数点；P1,P2,P3,P4,P5-----冷空气参数点；T---干球温度； RH---相对湿度，AH---绝对湿度；E----焓；HV---空心叶片。

1）热空气通道
a为入口,来自室内的热空气在空心叶片外部流动。
a-b过程中干球温度 T逐渐降低，相对湿度RH逐渐增高，由于空心叶片为金属材料制造，没有水分交换，绝对湿度AH不变，到b点时，RH达到100%，开始出现凝结水，a-b线段是一条等湿线，b点位于该等湿线与饱和湿度线的交点。
   b-c过程中T不断下降，RH保持100%，不断产生的凝结水在离心力的作用下透过筒壁上的小孔转移到冷空气通道，b-c线段与饱和湿度线重合。
到达出口c点时T降低到4.1摄氏度，RH仍然不变，绝对湿度达到了最低（5.06）。上述过程中焓值交换21.8 kj/kg,其中潜热交换占25%。

2）冷空气通道
  P1为冷空气入口，来自室外的冷空气在空心叶片的内部流动。
  P1-P2，冷空气通过第一组空心叶片，只有显热交换，没有水分交换。到达P2点时，T=5,RH=35,AH=1.88,由于AH没有变化，P1-P2是一条AH等湿线。
  P2-P3是一条等焓线，第一组HV出口和第二组HV入口是一个“狭长的通道”，换热面积很小，可视作绝热过程，从热空气通道转移过来的凝结水在此处蒸发，直至达到露点，P3点位于该等焓线与饱和湿度线的交叉点。P3-P4线段与饱和湿度线重合。
  P4点位于第二组空心叶片HV内部，由于凝结水在上述“狭长通道”没有蒸发完毕，剩余的凝结水在第二组空心叶片HV内部蒸发并伴随着T和AH的增加，直至全部凝结水蒸发完毕，此点乃P4点。
  P4-P5是等湿线，空气在流向出口的过程中T不断升高，RH不断降低，E也逐渐提高，直到出口P5，T=15.3,RH=37.9,D=4.06,E=25.7.
  P1-P5 整个换热过程E增加了21 kj/kg,其中潜热换热占26%。

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       该工况原理与上述1平均工况相似，但是出现了结霜现象，使得问题变得极其复杂，在结霜的情况下表2和图2的空气参数是无法实现的，只作为分析时参考。结霜的控制点在P3点，因此可以估计当室外气温高于-3摄氏度的情况下才能避免结霜，所以当需要在-3摄氏度气温以下运行时应采取以下措施：1）增加空气预热装置，寒冷天气本身也需要提高供热负荷，增加空气预热并不浪费热能；2）LEER间歇运行，并增加融水排除装置。

aaa-1234

夏季平均工况下没有凝结水析出，没有潜热交换，所以LEER的进出口与冬季保持不变.

aaa-1234

夏季高湿天气，析出的凝结水可能进入室内，这是我们不想看到的。因此需要在转换季节时把LEER的进出口对调。
与1、2工况不同，P3点不在饱和湿度线上，当RH达到78.5%时，凝结水全部蒸发完毕，P2-P3的等焓蒸发过程使得温度低至约22摄氏度，较高的换热温差可增加换热量，更 值得高兴的是高湿天气时的潜热交换和显热交换达到1:1，换热效果非常好。

a2883524

这个就是上次专利竞赛的作品？看起来做的挺不错
太多了，没有仔细看完，觉得做的东西挺好的。
不过有个问题，我想问问叶片内部的流道尺寸如何？如果运行长久的话，怎么清除灰尘这些，可能灰尘还会板结在叶片里面，堵塞叶片？

[ 本帖最后由 a2883524 于 2014-1-23 13:59 编辑 ]

uesoft

做得很细致。虽然能效比很高，感觉总节能减排量有限。

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原帖由 a2883524 于 2014-1-23 21:50 发表

                               
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这个就是上次专利竞赛的作品？看起来做的挺不错
太多了，没有仔细看完，觉得做的东西挺好的。
不过有个问题，我想问问叶片内部的流道尺寸如何？如果运行长久的话，怎么清除灰尘这些，可能灰尘还会板结在叶片里面， ...

一般来说，在气体入口都会加上滤网之类的过滤空气，以增加机器的运行时间。

[ 本帖最后由 aaa-1234 于 2014-1-26 10:07 编辑 ]

沈沉

作为参与者，觉得这个创意很好，而且具有很好的潜力和应用前景。