【HETA】空气源热泵蒸发器结霜及换热性能的研究

2017年煤改电火热，空气能热泵在北京、河北、山东、山西等地均被广泛推广应用。今天，全国各地都迎来2018年的第一场雪，低温来袭。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。本文我们就来探讨风冷热泵在霜工况蒸发器性能的研究探讨。

一：蒸发器数学模型的建立

 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 数学模型中有关参数的计算

(1)空气侧对流换热系数αa

空气侧对流换热系数αa 参阅公式来计算(αa可利用j因子来计算):

j因子的定义式为:

对于4排管蒸发器, j因子的计算可采用下面经验公式:

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αfr =1.25αa。

(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αf r和刘易斯准则式可求对流传质系数αm。

(3)霜物性参数

霜层密度ρf r主要与冷表面温度Tf r ,和迎面风速uf 有关。当冷表面温度一定时,迎面风速越大,霜层密度越大,风速一定时,冷表面温度越低,霜层密度越大。

霜密度公式:

霜层导热系数主要取决于霜密度。霜层的导热系数公式为:

霜层厚度与过程的结霜量、运行时间等因素有关:

(4) 肋片效率

若不计肋端传热量,ηf in可由下式求得:

(5)换热量

霜工况时,空气侧总换热量为:

二：计算结果及分析

　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。

　2、蒸发器换热量的研究 

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Q0～70%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。

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%,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它因素小得多。

三：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。

四：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、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。

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