(12)--科技论文导读（空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究）.pdf

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1、空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究 空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究 热泵是典型的节能产品，这的工作原理与制冷机组相同，只不过热泵利用冷凝器放出的冷凝热来为室内供热。热泵在工作时，利用蒸发器从低温环境中吸热，然后由冷凝器向需要热量的环境放热。根据蒸发器的吸热环境不同，热泵又可分为空气源热泵、水源热泵地源热泵等。蒸发器在低温环境吸热时，往往会使蒸发器结霜，要使蒸发器正常工作，必须采用融霜措施，而蒸发器的融霜则需要消耗能量。因此，对热泵蒸发器的结霜过程的研究一直很多。天津商学院的张哲、田津津老师的论文空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究 研究了入口空气相对湿度、温度以及风速对风冷热泵蒸发器结

2、霜的影响,获得了各个入口空气参数对蒸发器结霜厚度和换热量的影响规律。研究发现空气入口相对湿度等参数对蒸发器结霜以及换热性能有很大的影响，结霜严重地影响了蒸发器换热性能。计算结果和实验测试的结果吻合良好。本文的阅读应与教材第8章地源热泵系统及设计方法相结合。文章编号:10050329(2007)09007205空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究张 哲,田津津(天津商学院,天津 300134)摘 要:研究了入口空气相对湿度、温度以及风速对风冷热泵蒸发器结霜的影响,获得了各个入口空气参数对蒸发器结霜厚度和换热量的影响规律。研究发现空气入口相对湿度等参数对蒸发器结霜以及换热性能有很大的影响,结霜严重

3、地影响了蒸发器换热性能。计算结果和实验测试的结果吻合良好。关键词:热泵;结霜;蒸发器中图分类号:TB61 文献标识码:AStudy on the Frost and Heat Transfer of A ir2cooled Heat Pump EvaporatorZHANG Zhe,TI AN Jin2jin(Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China)Abstract:The effects of various inlet air parameters,such as air relative humidity,air tempe

4、rature,air velocity on the frostingperfor mance of evaporatorof air2cooled heatpump were theoretically investigated.The varied correlation between inlet airparame2ters and the frost for mation and hear transfer have been obtained.It is found that the air parameters have a great influence on thefrost

5、ing and heat transfer characteristics of finned2tube evaporator.The frost badly decreases the heat transfer performance of e2vaporator.The computing results have good agreementwith those from experiment.Key words:heat pump;frost;evaporator符 号a 空气的导温系数,m2/sA 面积,m2Cp 定压比热,kJ/kgd 含湿量,kg/kg干D 水蒸气分子在空气中的

6、扩散系数,m2/sDo 管外径,mG 质量流量,kg/sH 肋片高度,mM 结霜量,kgm 翅片的状况参数rfr 水蒸气变为霜的潜热,J/kgu 风速,m/sQ 换热量,Ww 蒸发器的厚度,mPa 空气的总压力,PaT 温度,Ks1 管间距,ms2 管排间距,mr1 水蒸气凝露潜热,kJ/kgr2 从凝露到结霜的潜热,kJ/kg 密度,kg/m3 动力粘度系数,Pas 时间,s 厚度,m 导热系数,W/(m)fin 翅片效率 相对湿度ps 湿空气干球温度下水蒸气的饱和压力,PaB 湿空气的总压力即大气压力,Pa下 标a 空气侧f 迎风fr 霜收稿日期:2006110227FLU I D MAC

7、H I NERYVol135,No19,20070 肋基t 总和s 饱和fin 肋片1 前言我国大部分地区处于季风气候区,其特征为四季分明,冬天普遍需供暖,夏季需供冷,同时冬季除少数北方地区外,大部分地区冬季温度偏高,尤其是黄河、长江流域。据气象部门统计黄河流域以南冬季平均温度在-80之间,而长江流域以南冬季平均温度在-33,这些地区正适合热泵使用,所以热泵在我国有广泛的应用前景。但同时我国热泵适宜应用的地区普遍湿度比较大,例如长江以南相对湿度一般都在75%以上。在低温高湿的环境下,风冷热泵室外侧蒸发器极易结霜,而结霜对于热泵的正常运行有着很大的影响。随着霜层厚度的增加,逐渐堵塞了蒸发器,使通

8、过蒸发器的空气流量越来越小,最终完全堵塞蒸发器,同时霜层的导热热阻逐渐增大,严重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而进入压缩机从而引起事故,结霜初期结霜所带来的好处与此相比可以说是微不足道的,结霜给风冷式热泵带来相当大的危害1。所以对热泵蒸发器结霜进行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。因此,对风冷热泵在霜工况蒸发器性能的影响进行理论研究是必要的,对提高在霜工况下热泵系统的效率具有重要的现实意义。2 蒸发器数学模

9、型的建立2.1 蒸发器的物理模型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制成,肋片采用铝制整体肋片,肋片与铜管通过机械管径扩张方法连接,如图1所示。2.2 数学模型中有关参数的计算(1)空气侧对流换热系数a图1 翅片管式蒸发器结构示意空气侧对流换热系数a参阅文献6的公式来计算(a可利用j因子来计算):a=jCpGaPr2/3Am in(1)j因子的定义式为:j=stPr2/3对于4排管蒸发器,j因子的计算可采用文献6给出的经验公式:j4=0.2675jp+1.32510-3(2)其中jp=ReD-0.4(4s1dhs2D0Am inAf)(3

10、)ReD=GaD0/(Am ina)(4)dh=4Am inw/At(5)由以上各式可以算出翅片管式蒸发器在干工况下的空气侧对流换热系数。由于结霜使蒸发器表面粗糙度增大,这会使空气侧的对流换热系数增大,取fr=1.25a。(2)空气侧对流传质系数根据上面已求出的空气侧对流换热系数 fr和刘易斯准则式可求对流传质系数m。m=frCpaaLe2/3(6)Le=a/D(7)D=D0(Bpa)(TaT0)3/2(8)其中 To=273KB=101320PaD0=2.210-2m2/s(3)霜物性参数根据文献7,霜层密度 fr主要与冷表面温度Tfr,和迎面风速uf有关。当冷表面温度一定时,迎面风速越大,

11、霜层密度越大,风速一定时,冷表面温度越低,霜层密度越大。372007年第35卷第9期 流 体 机 械 霜密度公式:fr=340Tfr-0.455+25uf(9)霜层导热系数主要取决于霜密度。文献5中霜层的导热系数公式为:fr=0.029(1+2fr10-4)(10)霜层厚度与过程的结霜量、运行时间等因素有关:Mfr=Ga(1+din)(din-dout)(11)d=0.622psB-Ps(12)fr=Mfr/(PfrAt)(13)At=A0+finAfin(14)(4)肋片效率若不计肋端传热量,fin可由下式求得:fin=th(mH)/(mH)(15)对于直肋:m=2fr/(finfin)1/

12、2(5)换热量霜工况时,空气侧总换热量为:Q=Atfr(Ta-TS)+rfrm(da-ds)(16)其中 rfr=r1+r23 计算结果及分析3.1 蒸发器结霜量的研究图2反映的是相对湿度对蒸发器结霜厚度影响的情况,在不改变其它条件的情况下,分别对蒸发器进口空气相对湿度为80%、70%、60%的情况对蒸发器进行了模拟。从图可以看到:相对湿度为80%结霜最为迅速,热泵运行40min时霜层已厚达0.561mm,70%为0.442mm,60%为0.192mm。80min时相对湿度80%的情况霜层厚为1.034mm,70%为0.747mm,60%为0.346mm,从以上数字可以看到蒸发器在相对湿度越大

13、情况下结霜速度越快,这与众多文献的结论是一致的;还可以看到蒸发器在结霜后期结霜速度有所减慢。图3反映了空气温度对蒸发器结霜厚度的影响。从图中可以看到蒸发器在0 的情况下结霜的速度最快,其次为-3,最后为3。热泵运行60min时,0时霜层厚为0.814mm,-3为0.648mm,3 为0.473mm,运行100min时0时霜层厚为1.135mm,-3为0.924mm,3为0.667mm。从以上分析可知蒸发器结霜速度并不是与温度呈线性关系,而是以0为顶点的抛物曲线,在0时蒸发器结霜最严重,主要是由于在0 范围内空气含湿量最大;低于0 虽然温度较低但空气含湿量却比较小;高于0 又不易结霜。图2 相对

14、湿度对蒸发器结霜厚度的影响图3 温度对蒸发器结霜厚度的影响图4所示为风速对蒸发器结霜厚度的影响,在不改变其他条件的情况下,对进口风速为1m/s、1.5m/s、2m/s时的情况进行了模拟,从图4中可以看出风速越大,蒸发器结霜量也越大,但是相差不是很大,说明风速对蒸发器结霜厚度的影响不及相对湿度和温度。图4 风速对蒸发器结霜厚度的影响3.2 蒸发器换热量的研究47FLU I D MACH I NERYVol135,No19,2007图5反映了相对湿度对蒸发器换热量的影响,从图中可以看到,由于霜层的堵塞使得空气流量大大减小,再加之霜层导热热阻的影响使蒸发器换热量迅速减小。蒸发器换热量在结霜初期略有增

15、大,这主要由于霜层增大了换热面积从而增大了换热量,但这只是微小的变化,随着霜层导热热阻的增大,风量的减小,换热量几乎呈直线下降。热泵运行60min后,相对湿度为80%时换热量下降到原来的88.57%,70%为89.68%,60%为95.77%,说明相对湿度越大,换热量下降的速度越快。从以上分析可知,在高湿地区需多次除霜,相反要减小除霜次数。若以蒸发器换热量Q070%Q0范围内变化为基准,可由模型预测时间控制法的除霜周期。图5 相对湿度对蒸发器换热量的影响从图6可以看到温度对蒸发器换热量的影响,热泵运行60min后,3时蒸发器换热量下降到原来的95.72%,0为88.57%,-3为93.98%,

16、其中3 时在结霜初期换热量比其它两种情况都大,而且换热量变化最为平稳,0时换热量在结霜后期几乎呈直线下降,说明蒸发器在0时结霜最为严重,-3时在结霜初期换热量最小,但是其下降速度不如0 的情况大。从以上分析可知在不同环境温度工作的热泵应根据不同情况制定热泵除霜周期。图7反映了风速对蒸发器换热量的影响,从图中可以看到风速2m/s的情况蒸发器换热量最大,虽然换热量下降的速度比其它两种情况快,但对蒸发器换热量的影响却不是很大,热泵运行60min时风速2m/s的情况换热量减小到原来的88.45%,1.5m/s减小到88.57%,1m/s减小到93.26%。从以上数字分析可知风速对蒸发器结霜的影响要比其

17、它因素小得多。图6 温度对蒸发器换热量的影响图7 风速对蒸发器换热量的影响4 理论值与实验结果的对比图8、9分别表示的是在入口空气相对湿度为70%,温度为0,风速为1.5m/s的条件下结霜厚度与换热量理论值与实验值的对比,其结果表明理论计算值与实验测量值吻合较好。图8 结霜厚度理论值与实验值的对比572007年第35卷第9期 流 体 机 械 图9 换热量理论值与实验值的对比5 结论(1)研究了空气参数对蒸发器结霜厚度和换热量的变化规律,计算结果与实验结果吻合较好,验证了本文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。(2)研究中发现各种空气参数对蒸发器结霜速度的影响很大,空气相对湿度、

18、风速越大、蒸发器结霜越严重,蒸发器结霜的温度范围是以0 为顶点的曲线。同时还发现蒸发器换热量在结霜初期略有增大,在结霜后期蒸发器结霜使得蒸发器换热量急剧下降。不同的地区应根据不同的空气参数制度不同的除霜周期。参考文献1ONealD L,Tree D R.A review of frost formation insimple geometriesJ.ASHRAE Transactions,1985,91:2672281.2Whitehurst C A.Heat and mass transfer by free con2vection from humid air to a metal pla

19、te under frostingconditions J.ASHRAE Journal,1962,5(5):88297.3Yamakawa W,Takahasi N,Ohtani S.Forced convec2tion heat mass transfer under frosting conditions J.Heat Transfer2Japanese Research,1972,1(2):129.4Rite R W.The effect of frost accumulation on the per2formance of domestic Refrigerator freezer

20、 finned2tube e2vaporator coils J.ASHRAE Transactions,1991,97(2):4282437.5 Niederer D H.Frosting and defrosting effects on coilheat transfer J.ASHRAE Transactions,1976,82(1):4672473.6Mcquiston F C.Finned tube heat exchangers:state ofthe art for the air side J.ASHRAE Transactions,1981,87(1):107721085.

21、7 张祉佑.制冷原理与设备M.北京:机械工业出版社,1987.作者简介:张哲(19752),男,博士,讲师,主要从事热泵蒸发器结霜的研究,通讯地址:300134天津市天津商学院机械工程学院制冷系。(上接第61页)因此,对于风管送风式空调(热泵)机组,特别要注意保证其室内机的风量。要提高风管送风式空调(热泵)机组变风量运行特性,实现机组在变风量条件下节能运行的目的,最好的方法是采用可进行能量调节的压缩机,如变频(速)压缩机或数码能量调节压缩机。风管送风式空调(热泵)机组的性能受环境温度的影响也较大,特别是环境温度低于0 以后,机组性能衰减幅度加大,要提高机组的低温工作特性,可以针对机组工作的温度

22、条件采用经济器的环境,通过中间补气的方式提高压缩机及机组的工作特性。参考文献1 饶荣水,谷波,李开元,等.风管机系统设计中的问题探讨J.中国建设信息供热制冷,2004,(10):45249.2 谭波,岳永亮,赵然,等.风管式户式中央空调系统设计简述J.制冷技术,2003,(4):23225.3 陈伟,沈伟刚.风管式家用中央空调在普通家庭的应用方案探讨J.供热制冷,2003,(6):57260.4 赵淑珍.公共厨房通风空调设计探讨J.天然气与石油,2001,19(6):60261.5李浙.管道式分体空调机在中小型商场的应用J.建筑热能通风空调,2001,(5):33234.6 中华人民共和国国家标准.风管送风式空调(热泵)机组.GB/T 1883622002 S.2002.北京:中国标准出版社.作者简介:黄虎(19622),男,副教授,博士后,主要从事制冷、热泵系统性能分析与改进的研究,通讯地址:210042江苏南京市南京师范大学动力工程学院。67FLU I D MACH I NERYVol135,No19,2007