CN107606977A - 热交换单体、热交换机芯和全热交换器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供热交换单体以及包括该热交换单体的全热交换器和热交换机芯，所述热交换单体包括：第一基膜，由导热、不透气但透湿的材料制成；多个第一流道，位于第一基膜的第一侧；多个第二流道，位于第一基膜的与第一侧相反的第二侧，第一基膜包括位于中部的交换区和位于该交换区两侧的引导区，多个第一流道和多个第二流道在该交换区相互邻近地延伸，在引导区内交叉延伸，其中，第一流道或第二流道在交换区内的延伸长度为L，该延伸长度L与换热效率η的关系为：η＝(αL2+βL+γ)/V，α、β和γ均为由第一基膜形状确定的常数，V为第一流道或第二流道内流体的流速。本申请的技术方案能够实现更高的换热效率。
Description
技术领域
本申请涉及环境领域，特别涉及一种用于实现热交换(尤其是全热交换)的热交换单体、热交换机芯和全热交换器。
背景技术
当前，人们对于生活或居住环境的要求越来越高，因此越来越多的空间中配备有具有新风功能的空调系统。新风能改善空间内的空气品质，但同时会给空调系统带来新的负荷。因此，需要设置全热交换器。
当进行工作时，该全热交换器能够利用排气对引入的新风进行全热交换，实现新风的预先热湿处理，从而降低或增加新风焓值，达到有效降低空调系统负荷的目的。然而，传统的全热交换器的热交换效率不高是本领域需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请旨在提出一种热交换的技术方案，以能够获得良好的热交换效率。
为达到上述目的，本申请提供了一种热交换单体，该热交换单体包括：
第一基膜，该第一基膜由导热、不透气但透湿的材料制成；
多个第一流道，该多个第一流道位于所述第一基膜的第一侧；
多个第二流道，该多个第二流道位于所述第一基膜的与所述第一侧相反的第二侧，所述第一基膜包括位于中部的交换区和位于该交换区两侧的引导区，所述多个第一流道和多个第二流道在该交换区相互邻近地延伸，所述多个第一流道和多个第二流道在所述引导区内交叉延伸，
其中，所述第一流道或第二流道在所述交换区内的延伸长度为L，该延伸长度L与换热效率η的关系为：η＝(αL2+βL+γ)/V，其中，α、β和γ均为常数，该常数由第一基膜的形状确定，V为第一流道或第二流道内流体的流速。
优选地，当所述延伸长度L为300mm至550mm，优选为400mm至500mm，还优选为350mm至450mm时，所述延伸长度L使得η大于等于70％。
优选地，所述第一基膜的形状为六边形、正方形、菱形或长方形。
优选地，在所述交换区，每个第一流道分别与对应的第二流道相邻地平行延伸；或者每个第一流道分别与对应的第二流道相互错开地波浪形延伸，所述波浪形为平滑的弧形波浪形、三角形波浪形或方波波浪形。
优选地，所述第一流道和第二流道至少在所述交换区内为连续的，所述第一流道和第二流道在所述引导区内为断续的，在所述引导区内，在所述第一侧相邻的第一流道之间通过第一开口而连通，在所述第二侧相邻的第二流道之间通过第二开口而连通，所述第一开口的宽度为所述第一流道宽度的1-2倍；和/或所述第二开口的宽度为所述第二流道宽度的1-2倍。
优选地，当所述第一基膜为轴对称的六边形形状，所述第一基膜的交换区为位于中部的矩形，所述第一基膜的引导区为位于该矩形两侧的对称的三角形时，α为5*10-5，β为0.0849，γ为50.182。
优选地，该热交换单体上设置有用于层叠多个热交换单体时实现对齐的层叠对齐结构，该层叠对齐结构包括位于所述第一侧上的凸起部和位于所述第二侧上且与所述凸起部对应的凹陷部，优选地，所述凸起部形成为在所述第一基膜的边缘且与所有第一流道搭接的定位筋。
本申请还提供了一种热交换机芯，该热交换机芯包括多个上述热交换单体，该多个热交换单体彼此层叠设置，每两个热交换单体之间设置有第二基膜，该第二基膜由导热、不透气但透湿的材料制成，一个热交换单体的第一侧与相邻一个热交换单体的第二侧由第二基膜间隔开相对设置，所述一个热交换单体的第二侧与另一相邻热交换单体的第一侧由另一第二基膜间隔开相对设置。
此外，本申请还提供了全热交换器，该全热交换器设置有根据上述热交换机芯，该热交换机芯的第一流道用于流通第一流体，该热交换机芯的第二流道用于流通相对于所述第一流体对向流动的第二流体，以使所述第一流体与所述第二流体之间进行全热交换。
相对于现有技术，本申请的技术方案对所述延伸长度L与换热效率η之间关系有更为深入的认识，在不同的工况下，针对该工况所需的换热器，通过调整流道延伸长度L的尺寸，能够获得更好的换热效率。因此，与传统技术相比，在相同的条件下，能够方便地实现更高的换热效率。
本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请方案中在流体流速V不变的前提下，第一或第二流道在交换区内的延伸长度L与换热效率，以及流体在流道内阻力之间的关系的示意图；
图2至图4是各种第一基膜的俯视图；
图5是根据本申请的一种热交换单体的立体图；
图6为多个热交换单体层叠形成为热交换机芯的立体图。
具体实施方式
以下详细描述本申请的具体实施方式。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及各个实施方式中的特征可以相互组合。
如图2至图5所示，本申请提供了一种用于环境领域中能量交换的热交换单体，该热交换单体包括：第一基膜10，该第一基膜10由导热、不透气但透湿的材料制成；多个第一流道21，该多个第一流道21位于所述第一基膜10的第一侧；多个第二流道22，该多个第二流道22位于所述第一基膜10的与所述第一侧相反的第二侧，所述第一基膜10包括位于中部的交换区11和位于该交换区两侧的引导区12，所述多个第一流道和多个第二流道在该交换区11相互邻近地延伸，所述多个第一流道和多个第二流道在所述引导区12内交叉延伸，其中，所述第一流道21或第二流道22在所述交换区11内的延伸长度为L，该延伸长度L与换热效率(如全热交换器的全热回收效率)η的关系为：η＝(αL2+βL+γ)/V，其中，α、β和γ均为常数，该常数由第一基膜的形状确定，V为第一流道或第二流道内流体的流速。
热交换单体包括第一基膜10，该第一基膜10基本沿平面延伸并通过其外轮廓而限定该平面内的形状。第一基膜10由导热、不透气但透湿的材料制成，该材料可以为无孔透湿传热纸、、高分子透湿换热膜等。由于第一基膜10为导热且透湿的，因此第一基膜两侧的流体能够在物理上被相互隔开，从而不会相互串流，当存在温度差的情况下，热能将从温度相对较高的一侧传递至温度相对较低的一侧，以实现换热的目的。同时，由于第一基膜10为透气的，因此第一基膜10两侧的流体内存在的水分(如水分子)可以相互流动，从而也实现了湿度的交互。利用第一基膜10的特点，能够实现热能和湿度的交互，以实现全热交换。
为了允许流体可控地流动，在第一基膜10的两侧分别设置有流道。如图2至图4所示，在第一基膜10的第一侧，设置有多条第一流道21，该多条第一流道21通常具有相同或相似的延伸线条，通流截面面积可以相近或相同。在第一基膜10的另一侧(第二侧)，类似地设置有多条第二流道22(如图5所示背侧)。流道延伸的线条可以有多种设计形式，这将在下文中详细描述。第一流道21和第二流道22分别在第一基膜10的两侧引导不同的流体，如不同状态的空气。
为了有效地实现热交换并考虑到布置的方便，在第一基膜10的中部形成为交换区11，在交换区两侧形成为引导区12，流体通过引导区12进出交换区。在交换区11，分别位于第一基膜10两侧的第一流道21和第二流道22基本上相邻地延伸，从而流体之间主要在该交换区11完成热交换。在引导区12，分别位于第一基膜两侧的第一流道21和第二流道22相互交叉延伸(形成点接触)，在交叉点区域也有可能存在一定程度上的热交换。在交换区11，第一流道21和第二流道22之间形成线线接触，以实现较大程度上的热交换。
如背景技术所述，换热效率是较为重要的参数指标。对于传统的技术方案，通常为简单地增加换热区域，降低流体的流速等来实现。究其原因在于，尚不清楚换热效率的影响因子及其机制是什么。而本申请的发明人经过长期的研究发现，换热效率与交换区内流道的长度有密切关系，而且对于不同类型的热交换单体，换热效率与交换区内流道的长度的关系也有所不同。同时，换热效率与流体的流速也有密切的关系。
具体来说，在本申请的技术方案中，所述第一流道21或第二流道22在所述交换区11内的延伸长度为L，该延伸长度L与(全热交换器的)全热回收效率η的关系为：η＝(αL2+βL+γ)/V，其中，α、β和γ均为常数，该常数由第一基膜的形状确定，V为第一流道或第二流道内流体的流速。显然，换热效率与流道在交换区内的延伸长度L具有一元二次方程函数关系。利用该公式能够补偿第一基膜形状对换热效率的不同影响程度，同时该公式也体现了换热效率与流体流速之间的反比关系。
基于对所述延伸长度L与换热效率η之间关系的认识，在不同的工况下，针对该工况所需的换热器，通过调整流道延伸长度L的尺寸，能够获得更好的换热效率。因此，与传统技术相比，在相同的条件下，能够方便地实现更高的换热效率。
图1表示在流体流速V不变的前提下，第一或第二流道在交换区内的延伸长度L(横坐标，单位为mm)与换热效率(右侧纵坐标)和流体在流道内阻力(左侧纵坐标，单位为Pa)之间的关系的示意图。其中，如图1所示，对于(如对称的)六边形的第一基膜来说，α可以为5*10-5，β可以为0.0849，γ可以为50.182。因此，曲线B为拟和η＝(αL2+βL+γ)/V的曲线，其中V为流体流速，一般范围在0.5m/s～1.5m/s，优选在1m/s左右(图1所对应的工况下的V＝1m/s左右)。
另外，如果交换区内流道的长度过长，又会导致流体流动阻力的增加，该阻力P与第一或第二流道在交换区内的延伸长度L之间的关系通常为线性关系，如图1中的直线C所示，其中图1中的拟合曲线A为实测风阻与第一或第二流道再交换区内的延伸长度L之间的关系。因此，如图1所示，可以在流体流速V保持不变的情况下，将流体阻力、所述延伸长度L和换热效率η拟和在同一个坐标系中。因而，能够进一步平衡流体阻力与换热效率之间的关系。也就是说，在获取良好换热效率的同时，也不能带来过大的流体阻力。
对于空调领域来说，由于流体的流速V大都处于1m/s左右，因此在该流体流速不变的情况下，可以调整所述延伸长度L来获取较高的换热效率。优选情况下，当所述延伸长度L为300mm至550mm，优选为400mm至500mm，还优选为350mm至450mm时，所述延伸长度L使得η大于等于70％。这与传统全热交换器的换热效率相比，有了非常大的提升。
如上所述，第一基膜10的外部轮廓形成其外部形状。通常情况下，所述第一基膜10的形状为六边形、正方形、菱形或长方形。在不同的情况下，上述常数α、β和γ可以具有不同的数值。通常的数值范围为：。α：1*10-5～2*10-4，β：0～1，γ：0～100。
如上所述，对于六边形的第一基膜来说，优选为当所述第一基膜10为轴对称的六边形形状，所述第一基膜10的交换区11为位于中部的矩形，所述第一基膜10的引导区12为位于该矩形两侧的对称的三角形时，α为5*10-5，β为0.0849，γ为50.182；则对于正方形的第一基膜来说，α可以为4*10-5，β可以为0.132，γ可以为23；对于菱形的第一基膜来说，α可以为5*10-5，β可以为0.0522，γ可以为49；对于长方形的第一基膜来说，α可以为4*10-5，β可以为0.0922，γ可以为46。
为了充分实现第一流道21和第二流道22内流体的换热，并控制交换区内流道的长度L，第一流道和第二流道可以具有多种形式。
例如，如图1所示，在所述交换区11，每个第一流道21分别与对应的第二流道22相邻地平行延伸。但本申请并不限于此，每个第一流道21可以分别与对应的第二流道22相互错开地波浪形延伸，所述波浪形为平滑的弧形波浪形(如图3和图4所示)、三角形波浪形或方波波浪形(未图示)。第一流道和第二流道的相对结构形式可以根据具体工况而加以选择设计。
为了降低流体阻力，如图3和图4所示，第一流道21和第二流道22至少在所述交换区11内为连续的，而第一流道21和第二流道22在所述引导区11内可以为断续的。由于在引导区内断续设计，从而在所述引导区11内，在所述第一侧相邻的第一流道之间(如通过第一开口23)而连通，在所述第二侧相邻的第二流道之间(如通过第二开口24)而连通。由于流体在引导区内可以在多个第一流道21内(或多个第二流道22内)相互串行，达到了增加通流面积的效果。这样使得在第一侧或第二侧的流道内的流体(如空气)可以在同一侧的不同流道间互通，一方面能够减少空气阻力，同时能增加不同条件(如温度和/或湿度)流体的混合机会，进一步提升热交换效果。
根据不同的工况条件，上述开口可以具有不同的设计选择，例如优选地，所述第一开口23的宽度为所述第一流道宽度的1-2倍；和/或所述第二开口24的宽度为所述第二流道宽度的1-2倍。
在使用时，需要将热交换单体层叠设置，从而形成热交换机芯。为了便于热交换单体的层叠设置，优选地，该热交换单体上设置有用于层叠多个热交换单体时实现对齐的层叠对齐结构，该层叠对齐结构包括位于所述第一侧上的凸起部和位于所述第二侧上且与所述凸起部对应的凹陷部，优选地，所述凸起部形成为在所述第一基膜10的边缘且与所有第一流道搭接的定位筋。
以上详细描述了本申请所提供的热交换单体，另外本申请还提供了热交换机芯，该热交换机芯包括多个上述热交换单体，该多个热交换单体彼此层叠设置，每两个热交换单体之间设置有第二基膜，该第二基膜由导热、不透气但透湿的材料制成，一个热交换单体的第一侧与相邻一个热交换单体的第二侧由第二基膜间隔开相对设置，所述一个热交换单体的第二侧与另一相邻热交换单体的第一侧由另一第二基膜间隔开相对设置。
此外，本申请还提供了全热交换器，该全热交换器设置有上述热交换机芯，该热交换机芯的第一流道用于流通第一流体，该热交换机芯的第二流道用于流通相对于所述第一流体对向流动的第二流体，以使所述第一流体与所述第二流体之间进行全热交换。
上述热交换机芯和全热交换器由于采用了本申请所提出的新的热交换单体，因此也具有热交换单体所提及的相关技术优势，这里不再详细描述。另外，除了本申请所提出的特征之外，上述热交换机芯和全热交换器的其他结构可参考传统技术。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.热交换单体，其特征在于，该热交换单体包括：
第一基膜(10)，该第一基膜(10)由导热、不透气但透湿的材料制成；
多个第一流道(21)，该多个第一流道(21)位于所述第一基膜(10)的第一侧；
多个第二流道(22)，该多个第二流道(22)位于所述第一基膜(10)的与所述第一侧相反的第二侧，所述第一基膜(10)包括位于中部的交换区(11)和位于该交换区两侧的引导区(12)，所述多个第一流道和多个第二流道在该交换区(11)相互邻近地延伸，所述多个第一流道和多个第二流道在所述引导区(12)内交叉延伸，
其中，所述第一流道(21)或第二流道(22)在所述交换区(11)内的延伸长度为L，该延伸长度L与换热效率η的关系为：η＝(αL2+βL+γ)/V，其中，α、β和γ均为常数，该常数由第一基膜的形状确定，V为第一流道或第二流道内流体的流速。
2.根据权利要求1所述的热交换单体，其特征在于，当所述延伸长度L为300mm至550mm，优选为400mm至500mm，还优选为350mm至450mm时，所述延伸长度L使得η大于等于70％。
3.根据权利要求1或2所述的热交换单体，其特征在于，所述第一基膜(10)的形状为六边形、正方形、菱形或长方形。
4.根据权利要求3所述的热交换单体，其特征在于，在所述交换区(11)，每个第一流道(21)分别与对应的第二流道(22)相邻地平行延伸；或者每个第一流道(21)分别与对应的第二流道(22)相互错开地波浪形延伸，所述波浪形为平滑的弧形波浪形、三角形波浪形或方波波浪形。
5.根据权利要求4所述的热交换单体，其特征在于，所述第一流道(21)和第二流道(22)至少在所述交换区(11)内为连续的，所述第一流道(21)和第二流道(22)在所述引导区(11)内为断续的，在所述引导区(11)内，在所述第一侧相邻的第一流道之间通过第一开口(23)而连通，在所述第二侧相邻的第二流道之间通过第二开口(24)而连通，所述第一开口(23)的宽度为所述第一流道宽度的1-2倍；和/或所述第二开口(24)的宽度为所述第二流道宽度的1-2倍。
6.根据权利要求3所述的热交换单体，其特征在于，当所述第一基膜(10)为轴对称的六边形形状，所述第一基膜(10)的交换区(11)为位于中部的矩形，所述第一基膜(10)的引导区(12)为位于该矩形两侧的对称的三角形时，α为5*10-5，β为0.0849，γ为50.182。
7.根据权利要求1所述的热交换单体，其特征在于，该热交换单体上设置有用于层叠多个热交换单体时实现对齐的层叠对齐结构，该层叠对齐结构包括位于所述第一侧上的凸起部和位于所述第二侧上且与所述凸起部对应的凹陷部，优选地，所述凸起部形成为在所述第一基膜(10)的边缘且与所有第一流道搭接的定位筋。
8.热交换机芯，其特征在于，该热交换机芯包括多个根据权利要求1-7中任意一项所述的热交换单体，该多个热交换单体彼此层叠设置，每两个热交换单体之间设置有第二基膜，该第二基膜由导热、不透气但透湿的材料制成，一个热交换单体的第一侧与相邻一个热交换单体的第二侧由第二基膜间隔开相对设置，所述一个热交换单体的第二侧与另一相邻热交换单体的第一侧由另一第二基膜间隔开相对设置。
9.全热交换器，其特征在于，该全热交换器设置有根据权利要求8所述的热交换机芯，该热交换机芯的第一流道用于流通第一流体，该热交换机芯的第二流道用于流通相对于所述第一流体对向流动的第二流体，以使所述第一流体与所述第二流体之间进行全热交换。
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