風(fēng)冷熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜性能的研究

風(fēng)冷熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜性能的研究 
                                       張哲　田津津
                           (天津商學(xué)院　天津　300134)
    摘　要：建立了一個(gè)可以反映風(fēng)冷熱泵翅片管式蒸發(fā)器局部特性的數(shù)學(xué)模型,該模型考慮了蒸發(fā)器在干、濕、霜工況下傳熱、傳質(zhì)的差異以及霜層沿管子變化的情況。對(duì)常用的翅片管式蒸發(fā)器進(jìn)行了理論研究,計(jì)算結(jié)果表明:蒸發(fā)器表面霜層分布極不均勻,影響了換熱。同時(shí)提出了新型改進(jìn)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu),結(jié)果表明改進(jìn)效果良好,普通換熱器換熱性能下降的速度是改進(jìn)型換熱器的1.5倍。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果吻合良好,證明了數(shù)學(xué)模型的正確性與可靠性。
    關(guān)鍵詞：熱工學(xué);蒸發(fā)器;理論研究;結(jié)霜
    我國大部分地區(qū)處于季風(fēng)氣候區(qū),冬季熱泵室外側(cè)蒸發(fā)器極易結(jié)霜,隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),霜層逐漸覆蓋整個(gè)蒸發(fā)器,霜層導(dǎo)熱熱阻逐漸增大,同時(shí)霜層逐漸堵塞蒸發(fā)器,使通過蒸發(fā)器的空氣流量越來越來小,最終完全堵塞蒸發(fā)器,嚴(yán)重地破壞了空氣與制冷劑之間的換熱,使蒸發(fā)器的換熱量大大的減少[1],嚴(yán)重的影響了熱泵的制熱量甚至由于制冷劑不能在蒸發(fā)器中蒸發(fā)進(jìn)入壓縮機(jī)從而造成事故,因此熱泵室外側(cè)蒸發(fā)器結(jié)霜對(duì)空氣-空氣式熱泵有很大的危害,所以對(duì)熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜進(jìn)行仔細(xì)的分析研究是非常必要的。各國學(xué)者對(duì)簡(jiǎn)單的幾何形面物體,如平板、圓柱、同心圓等結(jié)霜的研究已經(jīng)進(jìn)行的比較深入[2-3],但對(duì)于翅片管蒸發(fā)器結(jié)霜的研究相對(duì)較少,而且大部分學(xué)者僅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[4-5],很少進(jìn)行理論研究,即使進(jìn)行理論研究也很少建立能夠反映蒸發(fā)器結(jié)霜局部特性的數(shù)學(xué)模型,例如,文獻(xiàn)[6-7]建立了翅片管式蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型,但該模型認(rèn)為整個(gè)蒸發(fā)器結(jié)霜均勻,并未考慮蒸發(fā)器局部結(jié)霜不均勻的特點(diǎn)。這里建立的蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型能夠真實(shí)的反映蒸發(fā)器局部結(jié)霜不均勻,以及局部結(jié)霜不均勻?qū)φ舭l(fā)器性能的影響。該模型對(duì)設(shè)計(jì)蒸發(fā)器具有很大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
    1　蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型的建立及求解
    1.1　蒸發(fā)器的物理模型
    這里研究的翅片管蒸發(fā)器為一般的熱泵空調(diào)機(jī)所采用的翅片管式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器管子由傳熱性能良好的紫銅管(Φ10mm)制成,肋片(2.4mm間距)采用鋁制整體肋片,肋片與銅管通過機(jī)械管徑擴(kuò)張方法連接,使肋片與銅管良好接觸,如圖1所示。冬季濕空氣流經(jīng)室外蒸發(fā)器時(shí),蒸發(fā)器表面不可避免要結(jié)霜而在結(jié)霜過程中霜的密度,厚度,導(dǎo)熱系數(shù),表面溫度隨時(shí)間的變化而變化而且在蒸發(fā)器不同位置上,傳熱傳質(zhì)狀況均有所不同。因此為了了解蒸發(fā)器結(jié)霜分布及換熱特性,需將蒸發(fā)器進(jìn)行單元?jiǎng)澐?由銅管及其附屬的一段肋片為一單元,單元的具體劃分下文詳細(xì)說明,對(duì)每個(gè)單元有如下假設(shè):
             
    1)每一單元中翅片與管壁上霜層厚度均勻分布。
    2)空氣、霜、制冷劑各部分的物性參數(shù)在每一個(gè)單元中恒定。
    3)結(jié)霜與冷凝過程在同一單元中不可能同時(shí)出現(xiàn)。
    4)濕空氣與霜表面輻射換熱忽略不計(jì)。
    5)不考慮熱泵的啟動(dòng)過程,模擬程序從翅片表面結(jié)霜開始。
    6)入口空氣參數(shù)分布均勻,蒸發(fā)器各通路的制冷劑分配均勻。
    1.2　數(shù)學(xué)模型的建立[8]
    1)空氣側(cè)方程
            
            
    3)管壁方程:
    由于換熱器由導(dǎo)熱性很好的銅管制成以及管壁較薄,因此在同一截面上各點(diǎn)溫度相同,根據(jù)能量守恒定律有:
            
    1.3　蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型的求解
    1)單元體的劃分
    對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行數(shù)值求解,需將整個(gè)蒸發(fā)器劃分為許多小單元,以每一段管為中心及其附屬的肋片為一個(gè)單元。Y方向沿空氣流動(dòng)方向按管排數(shù)劃分為M份(4份),Z方向按管子數(shù)分為N份(10份),X方向沿制冷劑流動(dòng)方向分為P份(10份),因此整個(gè)蒸發(fā)器分為4×10×10 = 400個(gè)單元。
    2)時(shí)間步長(zhǎng)的確定
    由于蒸發(fā)器結(jié)霜過程為一動(dòng)態(tài)過程,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)霜層也不斷的增長(zhǎng),這樣不僅要重新確定霜層的物性參數(shù)又要重新確定有關(guān)結(jié)霜蒸發(fā)器的性能,因此時(shí)間步長(zhǎng)的確定十分重要。若步長(zhǎng)取得過小占用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元太多,速度太慢;若取過長(zhǎng),計(jì)算跳躍太大,無法準(zhǔn)確地模擬蒸發(fā)器結(jié)霜?jiǎng)討B(tài)過程,因此經(jīng)比較取60秒為時(shí)間步長(zhǎng)。
    3)邊界條件及初始條件
    制冷劑的邊界條件:進(jìn)口壓力(675/kPa),進(jìn)口焓(252kJ/kg),進(jìn)口流量(91.25kg/h)
    空氣的邊界條件:進(jìn)口溫度(0℃),進(jìn)口相對(duì)濕度(80%),進(jìn)口風(fēng)速(1.5m/s)
    初始條件:以蒸發(fā)器初始運(yùn)行但未結(jié)霜的狀態(tài)為初始條件
    1.4　計(jì)算結(jié)果及分析
             
    圖2反映了蒸發(fā)器四排翅片管結(jié)霜不均勻的情況,從圖2可以看到整個(gè)蒸發(fā)器處于不均勻結(jié)霜的狀態(tài),每一排翅片管的霜層厚度都不同,熱泵運(yùn)行20分鐘時(shí)第一排霜層厚度已達(dá)0.495mm,第二排為0.303mm,第三排為0.178mm,而第四排僅為0.035mm。整個(gè)蒸發(fā)器不僅結(jié)霜厚度不均勻,而且在同一時(shí)刻每一部分所處的工況也不同。熱泵運(yùn)行初期第一排翅片管即處于霜工況而第四排翅片管還處于干工況,這就說明了按結(jié)霜均勻分布計(jì)算蒸發(fā)器性能的不合理性。比較前后排霜層變化的趨勢(shì)可知:前排翅片管結(jié)霜速度要遠(yuǎn)大于后排翅片管結(jié)霜速度。圖3反映了蒸發(fā)器第一排翅片管在不同時(shí)刻結(jié)霜的情況,當(dāng)熱泵運(yùn)行10分鐘時(shí)每根翅片管還比較均勻,但前兩根仍然比其它的厚,運(yùn)行30分鐘后第一根翅片管厚度已達(dá)1.302mm,第二根1.264mm,第三根1.164mm,而從第八、九、十根,霜層只有0.428mm,0.365mm,0.332mm,從圖中可知同一排的翅片管從最下面的一根開始依次向上每一根翅片管霜層厚度有逐漸減小的趨勢(shì),并且隨著熱泵的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng),減小的程度越來越大。
              
    根據(jù)以上蒸發(fā)器前后排霜層厚度數(shù)據(jù)的分析以及蒸發(fā)器制造工藝特點(diǎn),將蒸發(fā)器第一排翅片間距擴(kuò)為4mm,后三排翅片間距縮為2mm,將制冷劑流動(dòng)的方向由原來的下進(jìn)上出改為后排進(jìn)前排出,以弱化前排換熱,使前后排結(jié)霜均勻,從而可以延長(zhǎng)熱泵除霜周期。圖4表示的是改進(jìn)后的蒸發(fā)器結(jié)霜情況,從圖4可以看到改進(jìn)后的蒸發(fā)器前后排結(jié)霜較以前均勻許多,前后排霜層厚度差別不大。圖5表明改進(jìn)后蒸發(fā)器換熱量下降趨勢(shì)比以前緩慢很多,這主要由于改進(jìn)后的蒸發(fā)器在結(jié)霜最嚴(yán)重的部分采用了加大翅片間距以及在結(jié)霜相對(duì)緩慢的后排縮小翅片間距的措施,雖然蒸發(fā)器有大量積霜但仍有相當(dāng)大的一部分空間空氣可以通過,保證了蒸發(fā)器所需的一定風(fēng)量,從而減小了結(jié)霜對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響。
             
    2·理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比
    為了方便表示蒸發(fā)器結(jié)霜的理論值與實(shí)驗(yàn)值[9]對(duì)比情況,取蒸發(fā)器整體霜層厚度平均值為對(duì)比對(duì)象。實(shí)驗(yàn)條件為:進(jìn)口空氣溫度為0℃,相對(duì)濕度為80%,風(fēng)速為1.5m/s,實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)器空氣進(jìn)口參數(shù)由空氣處理系統(tǒng)控制,其包括可調(diào)速風(fēng)機(jī),表冷器、整流器、加濕器及調(diào)壓器等。理論計(jì)算中制冷劑的入口參數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)量而來。
    圖6表明理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合良好,基本反映了蒸發(fā)器結(jié)霜的變化規(guī)律,說明計(jì)算模型正確、方法可靠,具有一定的理論與實(shí)際意義。
    3·結(jié)論
    1)建立了一個(gè)能夠反映風(fēng)冷式熱泵室外側(cè)蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)結(jié)霜特性及其對(duì)蒸發(fā)器性能影響的數(shù)學(xué)模型,并編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值求解,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,從而驗(yàn)證了所建立的蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型的正確性以及計(jì)算程序的可靠性。
    )研究結(jié)果表明,蒸發(fā)器表面霜層分布極不均勻,其情況是:前排比較厚,后排比較薄,并且相差較大,同時(shí)同一排翅片管沿制冷劑流動(dòng)方向結(jié)霜量逐漸減少。
    3)通過對(duì)熱泵室外側(cè)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的改變,即加大前排翅片間距,減小后排翅片間距,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器表面結(jié)霜量明顯減小,換熱量下降速度減慢。
    參考文獻(xiàn)：略