风冷热泵蒸发器结霜性能的研究

来源：发布时间：2014-07-14 11:20:31点击率：

建立了一个可以反映风冷热泵翅片管式蒸发器局部特性的数学模型,该模型考虑了蒸发器在干、湿、霜工况下传热、传质的差异以及霜层沿管子变化的情况。对常用的翅片管式蒸发器进行了理论研究,计算结果表明:蒸发器表面霜层分布极不均匀,影响了换热。同时提出了新型改进蒸发器结构,结果表明改进效果良好,普通换热器换热性能下降的速度是改进型换热器的1.5倍。数值计算的结果和实验测试的结果吻合良好,证明了数学模型的正确性与可靠性。
    关键词：热工学;蒸发器;理论研究;结霜
    我国大部分地区处于季风气候区,冬季热泵室外侧蒸发器极易结霜,随着热泵运行时间的延长,霜层逐渐覆盖整个蒸发器,霜层导热热阻逐渐增大,同时霜层逐渐堵塞蒸发器,使通过蒸发器的空气流量越来越来小, 终完全堵塞蒸发器,严重地破坏了空气与制冷剂之间的换热,使蒸发器的换热量大大的减少[1],严重的影响了热泵的制热量甚至由于制冷剂不能在蒸发器中蒸发进入压缩机从而造成事故,因此热泵室外侧蒸发器结霜对空气-空气式热泵有很大的危害,所以对热泵蒸发器结霜进行仔细的分析研究是非常必要的。各国学者对简单的几何形面物体,如平板、圆柱、同心圆等结霜的研究已经进行的比较深入[2-3],但对于翅片管蒸发器结霜的研究相对较少,而且大部分学者仅进行实验研究[4-5],很少进行理论研究,即使进行理论研究也很少建立能够反映蒸发器结霜局部特性的数学模型,例如,文献[6-7]建立了翅片管式蒸发器结霜的数学模型,但该模型认为整个蒸发器结霜均匀,并未考虑蒸发器局部结霜不均匀的特点。这里建立的蒸发器结霜的数学模型能够真实的反映蒸发器局部结霜不均匀,以及局部结霜不均匀对蒸发器性能的影响。该模型对设计蒸发器具有很大的现实指导意义。
    1　蒸发器数学模型的建立及求解
    1.1　蒸发器的物理模型
    这里研究的翅片管蒸发器为一般的热泵空调机所采用的翅片管式蒸发器。蒸发器管子由传热性能良好的紫铜管(Φ10mm)制成,肋片(2.4mm间距)采用铝制整体肋片,肋片与铜管通过机械管径扩张方法连接,使肋片与铜管良好接触,如图1所示。冬季湿空气流经室外蒸发器时,蒸发器表面不可避免要结霜而在结霜过程中霜的密度,厚度,导热系数,表面温度随时间的变化而变化而且在蒸发器不同位置上,传热传质状况均有所不同。因此为了了解蒸发器结霜分布及换热特性,需将蒸发器进行单元划分,由铜管及其附属的一段肋片为一单元,单元的具体划分下文详细说明,对每个单元有如下假设:

    1)每一单元中翅片与管壁上霜层厚度均匀分布。
    2)空气、霜、制冷剂各部分的物性参数在每一个单元中恒定。
    3)结霜与冷凝过程在同一单元中不可能同时出现。
    4)湿空气与霜表面辐射换热忽略不计。
    5)不考虑热泵的启动过程,模拟程序从翅片表面结霜开始。
    6)入口空气参数分布均匀,蒸发器各通路的制冷剂分配均匀。
    1.2　数学模型的建立[8]
    1)空气侧方程


    3)管壁方程:
    由于换热器由导热性很好的铜管制成以及管壁较薄,因此在同一截面上各点温度相同,根据能量守恒定律有:

    1.3　蒸发器数学模型的求解
    1)单元体的划分
    对蒸发器进行数值求解,需将整个蒸发器划分为许多小单元,以每一段管为中心及其附属的肋片为一个单元。Y方向沿空气流动方向按管排数划分为M份(4份),Z方向按管子数分为N份(10份),X方向沿制冷剂流动方向分为P份(10份),因此整个蒸发器分为4×10×10 = 400个单元。
    2)时间步长的确定
    由于蒸发器结霜过程为一动态过程,随着时间的增长霜层也不断的增长,这样不仅要重新确定霜层的物性参数又要重新确定有关结霜蒸发器的性能,因此时间步长的确定十分重要。若步长取得过小占用计算机的存储单元太多,速度太慢;若取过长,计算跳跃太大,无法准确地模拟蒸发器结霜动态过程,因此经比较取60秒为时间步长。
    3)边界条件及初始条件
    制冷剂的边界条件:进口压力(675/kPa),进口焓(252kJ/kg),进口流量(91.25kg/h)
    空气的边界条件:进口温度(0℃),进口相对湿度(80%),进口风速(1.5m/s)
    初始条件:以蒸发器初始运行但未结霜的状态为初始条件
    1.4　计算结果及分析

    图2反映了蒸发器四排翅片管结霜不均匀的情况,从图2可以看到整个蒸发器处于不均匀结霜的状态,每一排翅片管的霜层厚度都不同,热泵运行20分钟时排霜层厚度已达0.495mm,第二排为0.303mm,第三排为0.178mm,而第四排仅为0.035mm。整个蒸发器不仅结霜厚度不均匀,而且在同一时刻每一部分所处的工况也不同。热泵运行初期排翅片管即处于霜工况而第四排翅片管还处于干工况,这就说明了按结霜均匀分布计算蒸发器性能的不合理性。比较前后排霜层变化的趋势可知:前排翅片管结霜速度要远大于后排翅片管结霜速度。图3反映了蒸发器排翅片管在不同时刻结霜的情况,当热泵运行10分钟时每根翅片管还比较均匀,但前两根仍然比其它的厚,运行30分钟后根翅片管厚度已达1.302mm,第二根1.264mm,第三根1.164mm,而从第八、九、十根,霜层只有0.428mm,0.365mm,0.332mm,从图中可知同一排的翅片管从下面的一根开始依次向上每一根翅片管霜层厚度有逐渐减小的趋势,并且随着热泵的运行时间延长,减小的程度越来越大。

    根据以上蒸发器前后排霜层厚度数据的分析以及蒸发器制造工艺特点,将蒸发器排翅片间距扩为4mm,后三排翅片间距缩为2mm,将制冷剂流动的方向由原来的下进上出改为后排进前排出,以弱化前排换热,使前后排结霜均匀,从而可以延长热泵除霜周期。图4表示的是改进后的蒸发器结霜情况,从图4可以看到改进后的蒸发器前后排结霜较以前均匀许多,前后排霜层厚度差别不大。图5表明改进后蒸发器换热量下降趋势比以前缓慢很多,这主要由于改进后的蒸发器在结霜严重的部分采用了加大翅片间距以及在结霜相对缓慢的后排缩小翅片间距的措施,虽然蒸发器有大量积霜但仍有相当大的一部分空间空气可以通过,保证了蒸发器所需的一定风量,从而减小了结霜对蒸发器换热量的影响。

    2·理论与实验的对比
    为了方便表示蒸发器结霜的理论值与实验值[9]对比情况,取蒸发器整体霜层厚度平均值为对比对象。实验条件为:进口空气温度为0℃,相对湿度为80%,风速为1.5m/s,实验中蒸发器空气进口参数由空气处理系统控制,其包括可调速风机,表冷器、整流器、加湿器及调压器等。理论计算中制冷剂的入口参数由实验测量而来。
    图6表明理论计算值与实验测量值吻合良好,基本反映了蒸发器结霜的变化规律,说明计算模型正确、方法可靠,具有一定的理论与实际意义。
    3·结论
    1)建立了一个能够反映风冷式热泵室外侧蒸发器的动态结霜特性及其对蒸发器性能影响的数学模型,并编制计算机程序进行数值求解,数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了所建立的蒸发器数学模型的正确性以及计算程序的可靠性。
    )研究结果表明,蒸发器表面霜层分布极不均匀,其情况是:前排比较厚,后排比较薄,并且相差较大,同时同一排翅片管沿制冷剂流动方向结霜量逐渐减少。
    3)通过对热泵室外侧蒸发器结构的改变,即加大前排翅片间距,减小后排翅片间距,发现蒸发器表面结霜量明显减小,换热量下降速度减慢。

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