特斯拉阀消除全热交换机交叉污染的设计

冯腾

（武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉430070）

1 概述

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器可以在两种或者两种以上不同温度的流体之间实现物料之间的热量传递，收集这一部分热量，用于其他方面生产应用，从而防止这部分的热量散发到空中而造成浪费，根据流程规定所需要达到的指标，通过改进不同的换热器从而实现不同的换热效率，以达到所需工艺条件。

随着城市的发展，换热器的应用越来越广泛。目前常见的换热器分为两类：显热换热器与全热换热器。较显热换热器来说，全热换热器可以同时回收空气中含有的显热与潜热，换热效率更高，作为热回收设备广泛应用于空调换气系统。但全热换热器的不足之处是会产生交叉污染，如何解决全热换热器产生的交叉污染问题成为了关键。

2 设计方案

2.1 交叉污染发生机理

2.1.1 转轮式全热交换器工作原理

转轮式全热交换器分为上下两个区，在上区室内向室外排风时，空气中的热量与水分绝大部分积聚在转轮中，并在下区释放，由新风吸收利用这部分热能。转轮式全热交换器主要由转芯、转轮驱动机构、外壳和清洁热交换器等部件组成。

转轮式全热换热器有如下特点：由于内部有两个隔板，上侧的板是负责排出室内空气，而室外的新风则在转轮芯的下侧进入室内，与此同时，上下侧的新风和排风是逆向交换；空气是靠新风和排风的温差和水蒸气的压力差进行的湿热交换，因此在这个过程中，极易可能由于空气中的污染物粘附在新风口和排风口而造成相应的污染。

2.1.2 转轮式全热交换器交叉污染的发生机理

由于轮转式全热交换器使用了具有微孔结构的吸附剂作为它的吸湿材料，因此在吸附水蒸气的同时，也会吸附空气中的其他有毒气体。在热交换时，由于气体流速较快，会有部分有害气体没有被转轮上的吸附剂充分吸收，导致污染；在热交换时，有害气体可能随轮盘转动未经过吸附剂而返回室内，造成污染；使用时间过长后，在室内外环境变化过大时，会有部分污染物从吸附剂上脱离，造成污染。

2.2 特斯拉阀传风管道的总体设计

2.2.1 特斯拉阀传风管道的设计

特斯拉阀是由尼古拉·特斯拉提出的一种不可动部件阀，特斯拉阀是一种单向导通气流阀，具有单向导通性。在气流正向通过特斯拉阀时，能够自由通过并获得一定程度上的加速效果；当气流逆向通过时会产生回流，阻碍气体的流动。相比于传统阀门，特斯拉阀不可动部件使用的寿命会更长，且容易大量生产，特斯拉阀在控制流体系统中起到了至关重要的作用。

基于全热交换器的特点，设计环形特斯拉阀传风管道，分别安装在交换器两端。在进气口处安装较长的正反向交替的特斯拉阀传风管道，使得在进气时气流能够稳定通过特斯拉阀，保证换热的效果；在出气口反向安装较短的传风管道，在保证气流依旧可以通过的前提下，增大气流回流量以减速气流，并在内壁涂布吸附剂，对于产生的交叉污染气体进一步回收处理。

2.2.2 出风口特斯拉阀弧口吸附层设置

气流逆向流动时会在特斯拉阀弧口处形成溯流，方向相反的气流相撞既可以减速气流流动，又可以使气流充分散乱，形成局部乱流的效果。在出风口特斯拉阀弧口处设置吸附层，可以有效地吸附部分因交叉污染而造成的有害气体。通过设置多个逆向特斯拉阀，能够减速气流并分级吸收，解决交叉污染的问题。

2.3 改进后转轮式全热交换器工作流程

改进后的转轮式全热交换器工作流程如下：转轮式全热交换器有2个通风口，分别是2个进口、2个出口，其中一个入口是室内臭气通过管道，稳速进入转轮式全热交换器；另一条入口是外界空气进入管道，稳速进入转轮式全热交换器，两个通风口是逆流方向交换气体。经过转轮式全热交换器的一系列处理，第一个排气口经过管道减速，吸收相应的物质，然后排出到外界；第二个排气口经过另一条管道，进行减速、吸收，排出了室内新气。这样一个两进两出的过程，一直循环执行，因此，这样的改进后转轮式全热交换器在含有特斯拉阀弧口吸附层的出风口的出现下，有效吸附了有害气体，减少了交叉污染。

3 可行性分析

3.1 特斯拉阀单向导通性分析

特斯拉阀具有单项导通性的特点。正向流动的流体主要沿倾斜直通道流动，直通道两端的弯管会产生一定的压差，有加速气体流速的功能；逆向流动的流体会沿倾斜直管道进入弯管，流动方向大幅改变，产生极大的阻力，有效减速流体。

特斯拉阀的单项导通性可以通过流量与压降之间的关系表示，采用Diodicity参数模型，相关计算公式如下：

式（1）中：Di为Diodicity参数；ΔPr为正向流动时管道产生的压降；ΔPf为逆向流动时管道产生的压降。

式（2）中：ρ为流体密度；V为合速度矢量，在x、y、z三个方向的分量分别为u、v、w。

式（3）（4）（5）中：ρu为动力粘度；p为流体微团上的压力；Fx、Fy、Fz为作用在流体微团三个方向上的质量力。

式（6）（7）中：div（）为散度运算符；α为给定矢量；grad（）为梯度运算符；a为给定标量。

通过求解上述方程可以求解流量与压降之间的关系，将相关数据代入上述公式，得出以下结论：①随流量增大，正、逆向流动的压降均增大，且逆向增大速度远高于正向增大速度，代表着流体在逆向流动时会更加困难，有着单向流动性；②将多个特斯拉阀连接起来，特斯拉阀的单向导通率会明显增大，因此，可以通过控制特斯拉阀的单元个数来调控流体速度，能够达到在保证排风口正常排风的前提下最大程度减缓流速，减少交叉污染的发生。

3.2 特斯拉阀弧口吸附层分析

经过相关调查目前的吸附剂种类与特性如表1所示。

表1 各类吸附剂的特性

为避免影响特斯拉阀的正常使用，且能够较好吸收交叉污染所产生的污染物，综合考虑采取氧化铝作为吸附层材料。此外，由于特斯拉阀的单向导通性，气流难以回流，能够从根本上解决由于交叉污染问题。

4 实际使用及节能减排效益分析

改进的转轮式全热交换器在结构上设计了特斯拉阀传风管道，能够获得稳定气流，以此来提高转轮式全热交换器的换热效率，节省了能源；在应用上将特斯拉阀应用于调控空气流速上，减少了转轮式全热交换器的交叉污染。

对于现有的转轮式全热交换器，其性能与迎面风速有很大关联性。迎面风速越大，其换热效率下降越明显，在新风排风比为1时，迎面风速从1 m/s增大到3 m/s时，换热效率降低了18%。在自然状态下，风速的变化不规律，势必会对换热效率造成影响。而正、逆向交替分布的特斯拉阀传风管道可以稳定进风速度，控制迎风面的空气流速达到最适水平，进而提升换热效率。

在排风处设置表层含有吸附剂的逆向特斯拉阀管道，能有效减缓空气流速，回风式的弯管能使污染物最大程度上静止吸附，解决由转轮式全热交换器造成的交叉污染，具有减排效益。对于现有的使用更好的吸附剂来吸收污染物的方法，利用特斯拉阀处理能够更加节省成本，更适应市场需求。