强制对流翅片管式换热器结霜性能的研究

制冷换热器在设计时需要考虑结霜速率,结霜与气流堵塞、空气侧压力降及导热率降低的关系。今天我们就通过建立强制对流翅片管式换热器的结霜数学模型，来研究强制对流翅片管式换热器结霜性能的影响。

翅片管式换热器的结霜数值模型

图1 为翅片管式换热器结构，保持相对低温的紫铜管外套接铝翅片作为冷体,由相对高温和较高相对湿度的冷却气流提供热量。

一、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、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。

2、霜层与空气分界面处热量和质量迁移　

用Gnielinski 关联式来估算对流换热系数hf 和质量迁移系数hmf ,假定结霜均布,翅片表面霜厚为δfOavg ,铜管上霜厚为δfOtube ,而且hf 和hmf 仅沿气流方向y 变化.强化局部努塞尔数受进入翅片区的湍流气流影响. 假定热量和质量在缓慢的迁移过程中,二者的迁移具有相似性,即：

强化局部努塞尔数受进入翅片区的湍流气流影响. 假定热量和质量在缓慢的迁移过程中,二者的迁移具有相似性,即：

3、翅片导热控制方程　

霜层内的传热模型通过边界条件与翅片内导热相关联, 翅片导热控制方程如下：

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：

二、恒定流速条件下模型的验证

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入的已知条件。

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- 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。

三、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pOQ 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。

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2117 %时, 气流速度降低50%大约需130min ,而对于初始条件却需160min(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0(见图4、6中曲线4)。

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.。