石墨烯板翅式全热换热器性能试验研究

陈剑波，洪诗颖，韩昆宏

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

随着我国社会经济的迅速发展，人们对室内环境的要求越来越高，导致空调能耗增加，资料显示新风能耗通常占空调能耗的15%～24%［1］。为降低空调运行时的新风能耗，研究新排风热回收技术具有实际意义。新排风热回收技术有很多，包括板式显热换热器、热管换热器、热泵热回收以及溶液式全热回收装置等［2］。本文主要针对越来越广泛应用的小型热回收新风机组中全热板翅式换热器性能进行研究。

为了提升板翅式换热器换热性能，降低新风能耗，国内外许多学者对其热值交换模型以及性能影响因素等做了大量研究。刘砚文等［3］建立了准逆流式流动全热换热器模型，研究了全热交换芯体的最佳性能。ZHANG［4］提出了一种叫准逆流式平行板全热回收器，建立了该流动形式的传热传质模型，对热质交换效率进行模拟研究。徐百平等［5］研制出了三角翼翅片型与螺旋型扰流件，试验研究了其对流体阻力以及强化传热的影响。王颖等［6］通过研究二/一次风量比对板翅式换热器换热性能的影响，认为需综合考虑由于二次空气流量增大引起的风机能耗问题。金洋帆等［7］对板翅式间接蒸发冷却器的不同布水方式的换热性能进行了对比试验。

由于新兴材料的出现，关于板翅式换热器的芯材研究越来越多。ZHANG［8-9］通过研究三角形通道的板翅式换热器的流动与传热规律，发现导热系数较低的新型材料如纸、高分子膜等材料的换热效果没有金属材料好。张传禹［10］对板翅式全热换热器热湿交换膜的醋酸纤维素薄膜、亲水纸和不同孔径大小材料的透水性能进行试验研究。陶冶［11］通过试验对比研究了4 种不同全热交换芯体材料的吸湿作用，并优化设计出拥有更好传热透湿性能的全热交换芯体材料。根据以上研究表明，学者对板翅式换热器芯体材料的研究更侧重于传质性能方面，或者在讨论换热效果时忽略了传质性能的影响。

由于石墨烯材料在板翅式换热器芯体材料的研究较少，本文将针对小型热回收新风机组用的石墨烯板翅式全热换热器性能进行试验研究。

1 热回收新风机组试验设计

1.1 被测对象和试验平台

此次板翅式全热交换芯体试验测试材料有石墨烯材料以及常用瓦楞纸材料，外观如图1 所示。石墨烯芯体单层层高为2.0，3.0 mm 2 种，流道形状为长方形（以下简称石墨烯2.0 芯体和石墨烯3.0 芯体）。石墨烯2.0 芯体流道结构如图2（a）所示。石墨烯3.0 芯体流道结构与石墨烯2.0 芯体相似，唯一的区别是层高增加为3 mm。瓦楞纸材料芯体选择具有较高热湿交换效率的芯体，其单层层高为2.0 mm，流道形状为三角形（以下简称瓦楞纸芯体），其流道结构如图2（b）所示。

图1 被测试验材料Fig.1 Experimental materials to be tested

图2 流道结构Fig.2 Diagram of flow channel structure

全热交换芯体在新风机组中采用横向安装，新风机组中安装了两段同种材料相同大小规格的芯体，将2 个合为一体来计算外形尺寸，截面形状为菱形，如图3 所示。

图3 芯体三维模型Fig.3 Schematic diagram of 3D model of the core

新风机机组的新排风口直径为200 mm，额定风量为500 m3/h，额定功率为180 W，新风机组模型如图4 所示，其内部结构及换热芯体安装方式如图5 所示。各项尺寸参数见表1。机组外贴保温棉主要为了防止试验时机组漏热，确保测试精度。

表1 各芯体材料试验样机参数Tab.1 Parameters of experimental prototype of each core material

图4 新风机组三维模型Fig.4 Three-dimensional model diagram of fresh air handling unit

图5 新风机组结构Fig.5 Structure diagram of fresh air handling unit

本次试验在焓差试验室中进行，数据的记录通过LABVIEW 编程软件进行记录。焓差试验室由室外侧、室内侧、集控室3 部分组成。室外侧与室内侧分别模拟室外、室内温湿度工况，集控室用于试验人员操作试验设备与记录数据。试验中的温湿度和风量分别由温湿度传感器和风量测试装置来得到。

1.2 试验工况及方法

热回收新风机组需要在要求的标准工况下进行测试，冬、夏季标准工况见表2。

表2 冬、夏季标准工况Tab.2 Standard operating conditions in winter and summer ℃

本试验参考GB/T 21087—2020 中的两室法来测量换热芯体的热湿交换效率，试验原理如图6 所示。

图6 试验原理Fig.6 Schematic diagram of the experiment

在一定的新排风量下，通过测量新风进、出及排风进风的干球温度和湿球温度，计算得到其含湿量和焓值，参考标准中的热湿交换效率计算公式求得新风机组芯体的温度交换效率、湿量交换效率以及焓交换效率。

温度交换效率（即显热交换效率）εt：

湿度交换效率（即潜热交换效率）εd：

焓交换效率（即全热交换效率）εh：

式中，txj为新风进风干球温度，℃；txc为新风出风干球温度，℃；tpj为排风进风干球温度，℃；xxj为新风进风含湿量，kg/kg；xxc为新风出风含湿量，kg/kg；xpj为排风进风含湿量，kg/kg；ixj为新风进风空气焓值，kJ/kg；ixc为新风出风空气焓值，kJ/kg；ipj为排风进风空气焓值，kJ/kg。

由于石墨烯和瓦楞纸芯体的热回收新风机组带有新风风机和排风风机，计算热交换效率时需要考虑风机得热量引起的温升。引起的温升为：

式中，Δtf为风机得热量引起的温升，℃；P 为风机全压，Pa；ρ为风机输送空气的密度，kg/m3；c 为空气比热容，J/（kg·℃）；ηf为风机全压效率，一般可取0.5～0.8；ηm为电机效率，一般可取0.8～0.9。

通过计算得到风机得热量引起的温升，对温度交换效率以及焓交换效率计算进行修正，得到芯体相应的热交换效率。

本试验在测试热交换芯体阻力时，将芯体直接安装在室内侧的风量测试装置上，通过调节测试装置上的引风机频率来控制所需的风量，通过芯体的迎风截面积计算获得迎面风速，测量风量测试装置上的静压值得到其相应的芯体阻力。

2 试验结果与分析

2.1 不同芯体试验结果比较

2.1.1 不同芯体热湿交换效率比较

为了研究石墨烯芯体的热湿交换性能并探究芯体单层层高的影响，以石墨烯2.0 芯体为试验研究主体，瓦楞纸芯体和石墨烯3.0 芯体为试验对照组。在标准试验工况下对3 种换热芯体在相同迎面风速下的热湿交换效率进行比较。换热芯体的各项参数见表3。

表3 换热芯体的各项试验参数Tab.3 Experimental parameters of heat exchanger core

图7 示出在标准工况下，芯体迎面风速为0.64 m/s 时3 种换热芯体的热湿交换效率比较。在冬季工况下，石墨烯2.0 芯体的焓效率比石墨烯3.0 芯体的焓效率高9.9%，比瓦楞纸芯体的焓效率低1.5%；在夏季工况下，石墨烯2.0 芯体的焓效率比石墨烯3.0 芯体和瓦楞纸芯体的焓效率分别高4.1%和0.2%。可以看出无论是在冬季还是夏季的标准工况下，石墨烯2.0 芯体的焓效率与瓦楞纸芯体相差不大，但要高于石墨烯3.0 芯体。

图7 冬夏季标准工况下芯体热交换效率Fig.7 Heat exchange efficiency of core under standard operating conditions in winter and summer

表4，5 分别列出了夏季和冬季标准工况下3种热交换芯体传热传质性能比较。无论是在夏季工况还是冬季工况下，两种石墨烯芯体单位风量和面积下显热换热量相较于瓦楞纸芯体高了近50%，因此石墨烯材料具有非常好的导热性能。在冬夏季工况下，将石墨烯2.0 芯体的单位风量和一次面积下水分转移量相较于同样单层层高的瓦楞纸芯体平均高约4%左右，说明石墨烯材料的湿交换性能比瓦楞纸材料也要好一些。并且从表中数据可知两种石墨烯芯体单位风量和面积下全热换热量比瓦楞纸芯体高了50%左右，因此石墨烯材料相较于瓦楞纸材料具有更好的热湿交换能力。两种石墨烯芯体单位风量和面积下显热换热量相差不大，新排风单位风量显热交换量与总换热面积有关，即一次和二次换热面积都起到了换热作用；而新排风单位风量水分转移量主要与一次换热面积有关，在夏季工况下石墨烯3.0 芯体的单位风量和一次面积下水分转移量较大，在冬季工况下则是石墨烯2.0 芯体的较大，这说明石墨烯芯体新排风单位风量水分转移量还与单层高度有关，并且湿量的转递具有方向性。

表4 夏季各芯体换热参数Tab.4 Heat transfer parameters of cores in summer

表5 冬季各芯体换热参数Tab.5 Heat transfer parameters of each core in winter

2.1.2 不同芯体的阻力比较

在评价全热交换芯体的性能时，除热湿交换效率评价指标外，同时还需要考虑芯体的阻力。

如图8 所示，石墨烯2.0 芯体的单位沿程阻力比石墨烯3.0 芯体高50%，石墨烯芯体的单位沿程阻力与芯体的流道单层层高成反比，这是由于芯体流道层高降低，使芯体换热面积增大并且热湿换热效率提升，导致阻力也迅速增大。

图8 全热交换芯体的单位沿程阻力比较Fig.8 Comparison of unit resistance of total heat exchange core

由图8 还可得，瓦楞纸芯体的单位沿程阻力比石墨烯2.0 芯体高86.1%，由表4 数据可知，在二者的流道层高、芯体外型尺寸和流道长度一样的前提下，瓦楞纸芯体为了结构的需要同时提升热湿交换效率采用了三角型通道，导致瓦楞纸芯体的总换热面积比石墨烯2.0 芯体大53.2%，但仍然小于单位沿程阻力的增加率，即86.1%，这也说明瓦楞纸芯体的流道摩擦系数要比石墨烯2.0芯体大了约21.5%。因此，在相同的外型尺寸和相近的全热交换效率下，石墨烯2.0 芯体相较瓦楞纸芯体阻力大幅下降，对于小型热回收新风机组不仅大大节约了新排风机长期运行的能耗，还较大幅度减少了风机所需的压头，降低了风机的转速，显著降低了机组运行的噪声。

2.2 迎面风速对不同材料芯体热湿交换效率及阻力影响

图9 示出石墨烯2.0 芯体和瓦楞纸芯体在不同迎面风速下热湿效率的变化情况。在冬夏季工况下不同风速时由于试验采用的瓦楞纸芯体具有较大的换热面积，其温度效率均高于石墨烯2.0 芯体。二者温度效率随迎面风速的提高均呈下降趋势。冬季工况下，石墨烯芯体和瓦楞纸芯体的温度交换效率基本保持不变，这主要由于换热温差较大使得迎面风速对温度效率影响较弱。夏季工况下石墨烯芯体的温度效率下降9.6%，下降趋势逐渐减缓，瓦楞纸芯体的温度效率下降了11.3%，下降趋势基本不变。从两种芯体温度效率的下降趋势可以得出，石墨烯芯体的温度效率受迎面风速增大的影响小一些。在冬季工况下不同风速时石墨烯2.0 芯体与瓦楞纸芯体的湿度效率差别不大，在夏季工况下石墨烯2.0 芯体的湿度效率则均高于瓦楞纸芯体，并且瓦楞纸芯体的一次换热面积还略大一些，这也再次证明石墨烯材料的湿交换性能要优于瓦楞纸材料。

图9 不同迎面风速下热湿交换效率的变化Fig.9 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different frontal wind speeds

从图中还可知，迎面风速提高时两种芯体的湿度效率总体都呈下降趋势。冬季工况下石墨烯2.0 芯体和瓦楞纸芯体的湿度效率分别下降了8.1%，6.9%；夏季工况下石墨烯2.0 芯体和瓦楞纸芯体的湿度效率分别下降了2.6%，3.3%。二者下降趋势基本一致。在冬夏季工况下，不同风速时石墨烯2.0 芯体与瓦楞纸芯体的总体焓效率差别不大，由于瓦楞纸芯体相较于石墨烯芯体具有更大的总换热面积，因此也证明了石墨烯材料的全热交换性能比瓦楞纸材料更好。冬季工况下迎面风速提高时石墨烯芯体和瓦楞纸芯体的焓效率都下降了2%，夏季工况下则分别下降了4.2%和5.1%。二者下降趋势基本一致。

图10 示出2 种芯体在不同迎面风速下沿程阻力的变化情况。迎面风速从0.55 m/s 提高到0.73 m/s，2 种芯体的沿程阻力均呈上升趋势。石墨烯2.0 芯体和瓦楞纸芯体的沿程阻力分别上升了34.8，60.9 Pa/m，2 种芯体的沿程阻力差值从56.5 Pa/m 上升到了82.6 Pa/m，这也再次证明瓦楞纸材料的流道摩擦系数要比石墨烯材料大。并且石墨烯芯体的沿程阻力不仅远远小于瓦楞纸芯体，随着迎面风速提高，其上升趋势也更为平缓。

图10 不同迎面风速下单位沿程阻力的变化Fig.10 Variation of unit resistance under different frontal wind speeds

迎面风速的增大使得石墨烯芯体全热交换效率下降以及沿程阻力上升，虽然相较于瓦楞纸芯体，二者全热交换效率的下降趋势差别不大，但石墨烯芯体沿程阻力的上升趋势更为平缓。因此在设计小型热回收新风机组风量时应该综合考虑机组体积、热回收效率、风机功耗和噪声。在相同热回收新风机组尺寸的情况下，采用石墨烯2.0 芯体替代目前高效的瓦楞纸芯体，在风量调节时能够保持同水平的热回收效率，并且运行能耗更低，噪声也更小。

2.3 新风温度对石墨烯芯体热湿交换效率影响

图11 示出石墨烯2.0 芯体在定风速时冬夏季不同室外新风干球温度下热湿交换效率的变化。在冬季工况下保持相对湿度不变，随着室外新风温度的提升，含湿量也逐步提高，但石墨烯2.0 芯体的温度效率、湿度效率和焓效率分别稳定在73.5%，70%和72%附近，其变化不大，这主要由于冬季时室内外温差较大，室外新风温度在一定范围内相对于新排风温差变化较小，并且新风温度基本上都在室内排风的露点以下变化，传热和传质过程相对稳定，因此石墨烯2.0 芯体的热湿交换效率变化都不大。在夏季工况下保持相对湿度不变，当室外新风干球温度由31 ℃提升到34 ℃时，石墨烯2.0 芯体的温度效率、湿度效率以及焓效率分别增长了4.1%，2.6%和3.1%，增长趋势较为显著。主要原因是室外新风温度的提升相对于新排风温差变化显著，并且石墨烯具有良好的导热性，使得温度效率上升较快。但是当室外新风温度达到35 ℃时，排风温度已接近于新风状态的露点温度，使得石墨烯2.0 芯体的一次换热面存在大量水分，大大降低了导热性能，导致温度效率基本保持不变，湿度效率以及焓效率有轻微的下降。

图11 冬夏季不同室外新风干球温度下热湿交换效率的变化Fig.11 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different outdoor fresh air dry bulb temperatures in winter and summer

综上所述，夏季相比于冬季，相对湿度不变情况下，室外新风温度的变化对石墨烯2.0 芯体的热湿交换效率影响更大，随着新风温度增加，温度效率有显著提高，湿度效率以及焓效率也呈上升趋势，但当新风温度超过一定范围时，石墨烯2.0芯体的温度效率将不会继续升高，湿度效率和焓效率甚至可能会有小幅下降。

2.4 新风相对湿度对石墨烯芯体热湿交换效率影响

图12 示出石墨烯芯体在定风速时冬夏季不同室外新风相对湿度下热湿交换效率的变化。干球温度保持不变，在室外新风相对湿度由50%提升到70%的过程中，石墨烯2.0 芯体在冬夏季的湿度效率均有显著提升，分别提高了8.9%和6.7%，这主要由于室外相对湿度的增加，湿阻系数不断减小，新风的湿度变化相对于室内外的湿度差变化显著，另外石墨烯材料本身也具有较好的湿交换性能，因此石墨烯2.0 芯体的湿交换效率有显著的提升。但温度效率变化不大，特别是夏季工况，随着新风湿度的提高，露点温度越来越高，换热面上水分含量不断增加，导热性能开始下降，温度效率也有所下降，但随着换热面上水分含量达到稳定，温度效率又有所上升。随着新风相对湿度的不断增加，由于湿度效率的显著提升，石墨烯2.0 芯体的焓效率也逐步提升。

图12 冬夏季不同室外新风相对湿度下热湿交换效率的变化Fig.12 Variation of heat and moisture exchange efficiency under different outdoor fresh air relative humidity in winter and summer

综上所述，由于石墨烯材料本身具有较好的湿交换性能，随着室外相对湿度的提高，温度效率变化不大，石墨烯2.0 芯体的湿度交换效率和焓交换效率则有较大的提升。

3 结论

（1）石墨烯材料相较于瓦楞纸材料具有更好的导热性能和湿交换性能。石墨烯芯体的新排风单位风量水分转移量不仅主要与一次换热面积有关，还与单层高度有关，而且湿量交换具有一定的方向性。

（2）瓦楞纸芯体的流道摩擦系数比石墨烯2.0芯体大了约21.5%，采用石墨烯2.0 芯体可以有效减小风压损失。

（3）迎面风速在一定范围内增加，瓦楞纸芯体单位沿程阻力的增长趋势相较于石墨烯2.0 芯体更为显著。因此在对小型热回收新风机组进行设计时，采用石墨烯芯体替代目前高效的瓦楞纸芯体，在风量调节时能够保持同水平的热回收效率，并且运行能耗更低，噪声也更小。

（4）夏季工况下，在一定的室外新风温度范围内，石墨烯2.0 芯体的热湿交换效率与室外新风温度呈正相关，在南方地区夏季多高温天气的情况下，采用石墨烯2.0 芯体可以有效提高热回收效率，减少耗电量。随着室外相对湿度的提高，石墨烯2.0 芯体的湿度效率有较大幅度的提升，因此在湿度较大的地区可以采用石墨烯作为全热换热器芯体材料。