CFD软件在热回收轮式AHU中的应用

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  • 来源:新工业网

热回收轮是空气处理单元（AHU）中的关键组件，通过在进气和排气之间传递热量（有时还包括湿气）来提高能效。CFD软件通过模拟空气流动、热传递和湿度变化，帮助优化热回收轮的设计和性能。

CFD模拟的主要功能

  1. 气流分析：
    • 模拟热回收轮内的空气流场，包括进气和排气通道的压力、速度和湍流特性。
    • 优化轮体设计（如蜂窝结构）以减少压降和提高流动均匀性。
  2. 热传递建模：
    • 计算轮体材料（如铝或聚合物）与空气之间的传热效率。
    • 分析感热（温度）和潜热（湿度）传递，特别是在使用焓轮（enthalpy wheel）时。
  3. 湿度传递（焓轮）：
    • 模拟除湿剂涂层（如硅胶）的吸湿和释湿行为。
    • 评估湿度回收效率对整体能效的影响。
  4. 交叉污染评估：
    • 量化排气向进气的微量泄漏（Exhaust Air Transit Ratio），确保空气质量。
    • 优化轮体密封和供气侧过压设计。
  5. 霜冻与能耗分析：
    • 在寒冷气候下，模拟轮体结霜风险并优化防霜策略（如变速控制或预热）。
    • 评估旁通阀门（bypass damper）在不同工况下的能耗影响。

适用CFD软件

以下是一些常用于热回收轮分析的CFD软件（不限于特定品牌，仅列举常见类型）：

  • 商业软件：如ANSYS Fluent、Simcenter STAR-CCM+，适合复杂多物理场模拟（流体、热、湿气耦合）。
  • 开源软件：如OpenFOAM，适合预算有限但需要高度定制化的项目，需较多手动设置。
  • CAD嵌入式软件：如SolidWorks Flow Simulation，适合快速原型设计和初步分析。
  • 专用工具：某些软件（如M-Star CFD）针对快速建模和特定应用（如多相流）优化。

CFD分析的关键步骤

  1. 几何建模：
    • 创建热回收轮和AHU的3D模型，简化非关键部件以减少计算量。
    • 确保轮体蜂窝结构的细节（如孔隙率）被准确建模。
  2. 网格划分：
    • 对轮体和空气通道使用精细网格以捕捉湍流和传热细节。
    • 采用自适应网格技术（如OpenFOAM的动态网格）以平衡精度和计算成本。
  3. 边界条件：
    • 设置进气和排气的温度、湿度、流量的实际工况。
    • 定义轮体旋转速度（10-20 RPM）和材料属性（如导热系数）。
  4. 物理模型：
    • 选择合适的湍流模型（如k-ω SST）以模拟空气流动。
    • 启用多相流或湿气传递模型（焓轮）以模拟潜热交换。
  5. 求解与后处理：
    • 运行瞬态或稳态模拟，分析热回收效率、压降和交叉污染。
    • 可视化结果（如温度场、湿度分布）以识别设计改进点。

优势

  • 优化设计：通过模拟不同轮体材料、尺寸或转速，找到最佳能效方案。
  • 降低实验成本：虚拟测试减少物理原型的需求。
  • 适应复杂工况：模拟极端气候（如高温高湿或寒冷干燥）下的性能。

局限性

  • 计算资源需求：高精度模拟需要强大计算能力，特别是在焓轮湿度传递建模时。
  • 模型简化误差：轮体复杂几何的简化可能影响结果精度。
  • 专业性要求：需要CFD和HVAC领域的知识来设置合理模型和解释结果。

示例应用

在医院AHU设计中，CFD可模拟热回收轮在冬季将进气从0°C预热到15°C（利用24°C排气），或在夏季将进气从35°C预冷到25°C，优化能耗和舒适度。