室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對通道輪式換熱器結(jié)霜特性影響

                             曲世琳1,高　波2,3,羅二倉2,王　淼4

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室, 北京100190;3.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;4.中建一局建設(shè)發(fā)展公司,北京100102)

摘要：為分析嚴(yán)寒地區(qū)冬季通道輪式新風(fēng)換氣機室外排風(fēng)側(cè)結(jié)霜對其運行的影響,該文在能 量守恒、含濕量守恒的基礎(chǔ)上建立了通道輪式換熱器排風(fēng)側(cè)結(jié)霜工況下的數(shù)學(xué)模型。利用該模 型對通道輪式換熱器在不同室內(nèi)溫、濕度條件下表面結(jié)霜厚度進(jìn)行了模擬,分析了結(jié)霜厚度對 換熱器換熱性能的影響。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,進(jìn)一步驗證了所建模型的可靠性。該文首次提出了通道輪式新風(fēng)換氣機結(jié)霜的結(jié)霜模型并為控制除霜提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：通道輪式換熱器;結(jié)霜;換熱

中圖分類號:TV13;O24　文章編號:1005-9830(2008)04-0512-05

近年來,通道輪式新風(fēng)換氣機由于其良好的 通風(fēng)換氣功能和能量回收效果而被廣泛地應(yīng)用于 通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)中[1]。然而,新風(fēng)換氣機在某些 條件下使用時室外排風(fēng)側(cè)存在著結(jié)霜的問題。隨 著排風(fēng)口側(cè)表面霜層的增厚,空氣流通面積減小, 造成空氣流動阻力增大,從而使風(fēng)機流量減小;同 時,霜層形成的冷表面與空氣間的熱阻惡化了換 熱器的換熱效果。如果積霜不及時清除,會降低 換氣機的換熱能力并影響其正常工作。

目前,有關(guān)結(jié)霜的工作主要圍繞結(jié)霜機理、生 長過程以及簡單幾何形狀的換熱器的數(shù)值模擬和 實驗研究展開[2-4]。而對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通道 輪式換熱器的結(jié)霜情況,人們還相知甚少。因此, 有必要對新風(fēng)換氣機的結(jié)霜規(guī)律以及在結(jié)霜對其 傳熱性能的影響進(jìn)行深入的研究,以便指導(dǎo)其在 嚴(yán)寒地區(qū)冬季的應(yīng)用。

本文分析了通道輪式新風(fēng)換氣機室外排風(fēng)側(cè) 結(jié)霜機理,在能量守恒、含濕量守恒的基礎(chǔ)上建立 了該設(shè)備的核心部件———通道輪式換熱器在結(jié)霜 工況下的傳熱模型,并與結(jié)霜模型[5]有機地結(jié)合 起來,分析了不同室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對結(jié)霜的影響以 及結(jié)霜對換熱器換熱性能的影響。同時還計算出 了不同工況下融霜的時間間隔,為采取有效的除 霜控制方法提供了依據(jù)。

1　模型的建立

新風(fēng)換氣機在結(jié)霜工況下的數(shù)學(xué)模型包括結(jié) 霜模型和換熱器的傳熱模型,建立模型之前有必 要對假設(shè)條件進(jìn)行闡述。

1.1　建模時的假設(shè)

(1)室外新風(fēng)側(cè)冷空氣和室內(nèi)排風(fēng)側(cè)熱空氣 不可壓縮并處于熱平衡;

(2)同一截面上室外新風(fēng)側(cè)冷空氣和室內(nèi)排 風(fēng)側(cè)熱空氣的質(zhì)量流量相等;

(3)換熱器內(nèi)空氣沿通道作一維流動;

(4)室外新風(fēng)側(cè)冷空氣和室內(nèi)排風(fēng)側(cè)熱空氣 的質(zhì)量流量在整個通道內(nèi)都是常量;

(5)傳熱系數(shù)在整個換熱面上不變;

(6)能量方程中忽略動能和勢能的影響;

(7)忽略空氣與霜之間的輻射換熱;

(8)計算過程中通道輪內(nèi)表面霜層均勻分布;

(9)結(jié)霜過程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程,即在某一很短 的時間步長Δt內(nèi),結(jié)霜過程是穩(wěn)態(tài)的;

(10)霜是逐層形成的,每一層霜的密度與導(dǎo) 熱系數(shù)由于其凝結(jié)時的空氣—霜交界面溫度不同 而不同。

1.2　換熱器模型的建立

由于通道輪式換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性,每個通 道本身由波紋狀鋁箔構(gòu)成,同時換熱器主體又作 高速旋轉(zhuǎn),不符合常規(guī)Dittus-Boelter關(guān)系式應(yīng)用 條件,因此本文采用ε-NTU法求解非結(jié)霜條件下 兩相鄰?fù)ǖ乐g的換熱面的傳熱系數(shù)K。 逆流條件下,ε-NTU的表達(dá)式：



由于結(jié)霜后肋片粗糙度增加,使顯熱換熱系 數(shù)增大,一般地,空氣與霜層之間的換熱系數(shù)為：



2　計算結(jié)果與分析

本文對型號LY-600GM的通道輪式換熱器在 不同室內(nèi)環(huán)境參數(shù)條件下進(jìn)行了模擬計算。計算 工況見表1。通過對A~G7個工況下的結(jié)霜情況進(jìn)行了計算分析,得到了不同室內(nèi)環(huán)境參數(shù)條 件下結(jié)霜厚度和換熱器的換熱效率隨結(jié)霜時間的 變化規(guī)律。



圖1為室內(nèi)排風(fēng)溫度、室外新風(fēng)溫度及室外 相對濕度一定(18℃、-20℃、50%)時,不同的室 內(nèi)排風(fēng)的相對濕度(30%、50%、70%)條件下結(jié) 霜厚度隨結(jié)霜時間的變化。由圖1可以看出,室 內(nèi)相對濕度越高,霜的厚度增加越快,霜的厚度達(dá) 到1×10-3m所用的時間越少。 



圖2為室外新風(fēng)溫度、室內(nèi)、外相對濕度一定 (-20℃、40%、50%)時,不同的室內(nèi)排風(fēng)溫度 (12℃、16℃、20℃、24℃)條件下?lián)Q熱量隨時間 的變化。由圖2可見,隨著室內(nèi)溫度的升高,在相 同的結(jié)霜時間內(nèi)霜的厚度明顯增加。室內(nèi)溫度為 24℃(工況G)時的霜厚度明顯高于室內(nèi)溫度為 12℃(工況D)時的霜厚度。

圖3為室內(nèi)排風(fēng)溫度、室外新風(fēng)溫度及室外 相對濕度一定(18℃、-20℃、50%)時,不同的 室內(nèi)排風(fēng)的相對濕度(30%、50%、70%)條件下 通道輪式換熱器的換熱效率隨結(jié)霜時間的變化。本文采用顯熱效率來評價換熱器的換熱性能。由 圖3可以看出,室內(nèi)相對濕度越高,霜的厚度增加 越快,換熱器的換熱效率降低的速度也就越快。



圖4為室外新風(fēng)溫度、室內(nèi)、外相對濕度一定 (-20℃、40%、50%)時,不同的室內(nèi)排風(fēng)溫度 (12℃、16℃、20℃、24℃)條件下通道輪式換熱 器的換熱效率隨時間的變化。由圖4可見,室內(nèi) 溫度越高,霜的厚度增加越快,換熱器換熱效率降 低的也就越快。



3　相關(guān)說明及模型的驗證

筆者在哈爾濱市進(jìn)行了為期兩年的實驗研 究,實驗是在圖5和6所示的試驗裝置中進(jìn)行的。 新風(fēng)換氣機置于室外,室內(nèi)新風(fēng)口和室內(nèi)排風(fēng)口 通過通風(fēng)管道被設(shè)于恒溫恒濕的試驗室內(nèi),通過加濕器對試驗室進(jìn)行人工加濕以滿足試驗要求 校核工況的室內(nèi)排風(fēng)的相對濕度維持在45%左 右。此階段的室內(nèi)的平均溫度為20.5℃,室外的 平均溫度為-15.6℃,室外相對濕度平均為 40%。實驗進(jìn)行近6h后,新風(fēng)換氣機出現(xiàn)葉輪 轉(zhuǎn)動沉重的聲音,風(fēng)機噪音明顯加大,此時室外排 風(fēng)口側(cè)葉輪表面結(jié)霜情況如圖7所示。對該工況 進(jìn)行數(shù)值模擬,與實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。



由假設(shè)條件(8)可知,本文在計算過程中假 設(shè)霜層在通道輪內(nèi)表面均勻分布。而在實際中, 如圖7所示,霜層在通道輪內(nèi)表面分布是不均勻 的。因此,霜的厚度等特性參數(shù)不宜作為較核計 算的參數(shù)?；谏鲜鲈?本文是在某一工況下, 通過比較由計算和實驗得到的換熱效率來驗證所 建模型的可靠性。



從圖8可以看出,計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合 較好。取該換熱器在該結(jié)霜工況下運行2.04× 104s內(nèi),與模擬數(shù)據(jù)的顯熱效率最大相對誤差為 6.51%。



3　結(jié)論

本文建立了通道輪式新風(fēng)換氣機結(jié)霜工況下 的數(shù)學(xué)模型,并且通過與先前實驗數(shù)據(jù)的比較驗 證了所建模型的可靠性。通過對結(jié)霜工況下通道 輪式換熱器的結(jié)霜規(guī)律以及傳熱特性的數(shù)值研 究,可以得出以下結(jié)論:

(1)本文在結(jié)霜工況下建立的通道輪式換熱 器傳熱數(shù)學(xué)模型是基于能量、含濕量守恒的基礎(chǔ) 之上,因此該模型同樣適用于通道輪式其它參數(shù) 的換熱器。

(2)霜的形成和生長根據(jù)工況的不同而改 變,進(jìn)而對通道輪式換熱器換熱特性的影響是不 同的。在其它條件一定時,隨著室內(nèi)排風(fēng)的溫度、 室內(nèi)排風(fēng)的相對濕度的增加,結(jié)霜厚度也在增加, 換熱效率也隨之降低。

(3)本文為延緩該設(shè)備結(jié)霜并采取有效的除 霜控制方法提供了依據(jù)。

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