强制对流翅片管式换热器结霜性能的研究

摘要：建立了恒流条件下的强制对流翅片管式换热器的结霜模型，并用实验结果验证了模型的可靠性．将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，在更加切合实际的情况下，模拟了换热器在结霜工况下的热力性能．研究发现，换热器结霜引起了翅片效率、空气流通率及翅片性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了改变风机类型、翅片间距以及翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．

在风冷热泵型的空调设备中，翅片管式换热器表面结霜是很普遍的问题．换热器表面结霜增加了翅片和气流问的热阻，降低了换热器的冷却能力，减少了通过换热器的气流量，增加了气流的压力降．当换热器长时间结霜以后，气流通道可能被完全堵塞．为了保证换热器的理想性能，要周期性地循环除霜．在用来除霜的热量中，事实上只有15 ～2O 被有效利用，其余的热量都散到周围的环境中．由于结霜的存在，工业上使用的制冷设备与相同条件下没有结霜的设备相比较，体积大5O 左右，能耗增加了25%．

制冷换热器的设计需要考虑结霜速率，结霜与气流堵塞、空气侧压力降及导热率降低的关系．目前，已经发表的关于换热器表面结霜研究的论文中，大部分只建立了大平面结霜的单一均匀特性模型，并测量了结霜时典型换热器的热力性能，仅有一部分研究考虑到结霜时的气流量和压力降变化，没有考虑建立结霜翅片表面的精确模型．过去对换热器表面结霜的研究为设计结霜工况下的换热器提供了指导，但没有涉及到翅片表面结霜增长模型的建立．

本文在前人所做工作的基础上，建立了强制对流翅片管式换热器的结霜数学模型，该模型涉及到翅片表面结霜增长及与风机特性曲线的关联，因此具有更高的精确度．

1 翅片管式换热器的结霜数值模型

图l为翅片管式换热器结构，其具有一个保持相对低温的紫铜管外套接铝翅片作为冷体，经相对高温和较高相对湿度的冷却气流提供热量．

1．1 恒流条件下强制对流翅片管式换热器的结霜模型

翅片管式换热器的结霜数学模型包括两部分：翅片及铜管表面的一维结霜模型及翅片内部的二维导热模型．

1．1．1 翅片表面结霜模型 翅片表面结霜模型为一维瞬变模型，用来描述霜层内部能量和质量迁移，基本控制方程和边界条件如下．

1．1．4 空气侧压降和热流密度计算 由于换热器翅片表面结霜引起的堵塞增加了气流的压力降，假定空气密度不变，压降可由以下方程计算

1．2 恒定流速条件下模型的验证

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p; 表1列出了实验及模拟的运行工况和换热器的几何形状参数，这些参数作为模型输人的已知条件．

模拟结果和实测数据之间的对比如表2所示．相对误差为(计算值一实验值)／实验值，误差产生的原因主要有实验误差、公式误差以及为了简化计算而进行的基本假设，这些误差影响了计算结果的精度．本文的实验与数学模拟很好地吻合，故能用来模拟与结霜情况相似的不同运行工况．

1．3 结霜模型和风机性能曲线的联合求解

图2给出了由轴流和离心风机的特性曲线及系统P—Q特性曲线所确定的风机工作点，用来计算通过翅片区的气流速度和压力降．由风机性能曲线所反映的气流速度与压力降之间的关系和其他控制方程联合起来，共同构成该模型．

2 设计参数改变对结霜性能的影响

本文研究了3个参数(见图3～ 图6)变化时的模拟结果．

表3列出了具体的参数，每次模拟中只有一个参数变动，模拟从图2中A点开始，至B或B 点结束．

缩短翅片间距会导致2个除霜周期之间的运行时间减少．当翅片间距缩短21．7 时，气流速度降低5O 9／6大约需130 rain，而对于初始条件却需160rain(见图4中曲线2)．缩短翅片间距降低了翅片效率(见图6中曲线2)．翅片区的流通面积在结霜时的堵塞值与未结霜时的流通面积之比称为结霜阻塞率，较小的翅片间距引起的结霜堵塞更快(见图5中曲线2)，导致气流和翅片表面间传热迅速下降．另一方面，翅片间距的减小会增加单位管长的翅片数，使总体传热面积增加，从而强化了换热．

将翅片厚度减小一半会使其热流密度和翅片效率随时间的增大而缓慢降低(见图6中曲线3)，除霜循环周期变长．将轴流风机改为离心风机对翅片性能没有明显影响，但热流密度和气流速度将在终点减为O(见图4、6中曲线4)．

3 结论

本文建立了恒流条件下的强制对流翅片管式换热器的结霜模型，并用实验结果验证了模型的可靠性．将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，更加切合实际地反映了在换热器表面结霜状况下风机风量的变化，因此该模拟具有更高的精确度．研究发现，换热器结霜引起了翅片效率、空气流通率及翅片性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了包括改变风机类型、翅片间距以及翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．在结霜时，热流密度、翅片效率与压力降以及气流速度随时

间的增大而明显降低，风机、翅片间距以及翅厚等设计参数改变会改变结霜的时间．本文结论对换热器的优化设计有重要意义.