影响翅片管换热器结霜因素的研究

1、影响翅片管换热器结霜因素的研究刘凤珍陈焕新( 长沙铁道学院 长沙 410075)连添达( 天津商学院 天津 300400)摘要用实验研究低温工况下 ( - 5 c 以下) 变化参数对翅片管换热器霜形成率的影响 , 获得了空气入口相对湿度 、空气流速以及翅片间距等参数对结霜量和 空气侧压降的变化规律 。实验结果可以为制冷系统的优化提供依据 。主题词翅片管结霜实验研究1引言当含湿气流与温度低于其露点温度的表面接触时 , 就会发生凝结现象 ; 如果该露点温度低于 0 c , 该凝结物就会凝结并在表面形成一层霜 , 这一现象广泛发生在制冷及低温工程等 领域中 。另外 , 从霜生长机理研究表明 : 霜生

2、长需要非一定的温度势和浓度势 。特别是在普冷 ( - 5 c) 以下的低温环境中 , 其霜形成规律与 - 5 c 以上 ( 包括热泵工况) 又有明显的 差别 , 因而对于 - 5 c 以下的环境工况要单独地研究其霜生长规律 , 这对于更好地设计和运 行该种范围内的制冷系统 , 从而提高在结霜工况下制冷系统的效率具有重要的现实意义 。2实验方法211实验装置实验是在吸风式风洞上进行的 , 实验装置流程图如图 1 所示 。该装置主要由送风系统 、供冷系统 、加热加湿处理系统的试件四部分组成 , 同时它可以 控制如下 4 个参数 : 冷媒入口温度 tr1 、试件空气入口温度 ta1 和相对湿度 a1

3、 、空气流速 v a , 具体方法如下 :通过铜2康铜热电偶来控制开始实验时冷媒入口温度 。利用辅助制冷系统和加热加湿系统来调节试件入口空气温度和相对湿度 。 本文于 2000 年 5 月 23 日收到。低 温 工 程2000 年46通过风机无级调速来改变入口空气流速 。为了便于控制 , 本实验采用质量浓度为 50 %的乙 二醇水溶液作为冷媒向试件提供冷量 。通过测出试件 出口冷媒的温度 tr1 、tr2 和冷媒体积流量 v r , 便可求 出冷媒向试件的供冷量 qr为cpr v rr ( tr2 - tr1)qr =(1)式中 cpr和r 分别为进出口冷媒的平均定压比热和平均质量热容 。 测

4、量方法如下 :(1) 风洞各点温度 ( 包括空气 、霜 、冷媒) 由美 国 fluk 公司生产的多点温度巡回仪测出 。图 1 实验装置流程图11 试件 ; 21 风机 ; 31 辅助换热器 ;41 加热加湿器 ; 51 导风板 ; 61 整流器。(2)试件前后空气相对湿度由 hcp22 型湿度仪测出 。(3)(4) (5)试件前后空气风速由多点巡回风速仪测出 。试件前后空气压力由压力计直接读出 。冷媒的流量由 lwgy 型涡轮流量计直接读取瞬时体积流量 。本实验采用叉排流程布置 , 冷媒走管内 , 空气从管外横掠翅片管束 , 经过吸风机 、辅助供冷系统 、加热加湿和整流稳定段 , 然后进入实验

5、元件 。212实验元件本实验采用盘管2套片式翅片管换热器作为试件 , 其外形尺寸为 ( 300 80 270) mm ,它是由紫铜盘管和铝质平板套片构成 。翅片管及管束的几何尺寸如表 1 所示 。表 1实验元件及管束参数单位 (mm)3实验结果及分析311结霜量的研究根据质量传递原理 , 通过测出试件前后空气的含湿量 , 从而求得每一时间步长内的 结霜量 mf 为 :mf = 0 ma ( d1 -d2) fa d(2)(m2s) ,式中 ma 为湿空气质量流量 kg/d1 和d2 为试件前后空气的含湿量 ( kg/ kg 干) ,紫铜管翅片外径壁厚管长管 间 距管 排 数长宽厚片距横 s1纵

6、 s2垂直气流沿气流方向100175280211525103250650134 , 6 , 8 , 10第 4 期影响翅片管换热器结霜因素的研究47fa 为风洞断面积 (m2) 。通过测出空气进出口的温度 t 和相对湿度 便可用下式求试件前后空气的含湿量 d :psd = 01622(3)b - ps其中 ps 对应于湿空气干球温度下水蒸气的饱和压力 ( pa) , b 为湿空气的总压力即大气压力( pa) 。保证空气温度 ta 和壁温 tw 不变 , 依此改变空气速度 v a 、空气相对湿度 a 和翅片间距u , 其结霜量 mf 随时间 t 的变化关系如图 2 、图 3 、图 4 所示 。图

7、 2 空气速度对结霜量的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , u = 8 mm , a = 74 %)图 3 空气相对湿度对结霜量的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , u = 8 mm , v a = 018 m/ s)从图 2 、图 3 、图 4 可以看出 , 流速越大 、相对湿度越大 、翅片片距越小 , 其结霜量随时间 增长也就越快 。其中相对湿度对结霜量的影响最大 , 其次是翅片片距和空气速度 。比如 : 在结霜100 min 后 , a = 80 %时 , mf = 011 kg ; u = 4 mm 时 , mf = 0109 k

8、g ; v a = 110 m/ s 时 , mf = 01065 kg 。另外 , 结霜量随时间的增长速度开始很快 , 之后逐渐降低 。这说明开始时由于湿空气与冷壁表面的浓度势和温度势都很大 , 使得开始结霜速 度很快 。当霜生长到一定程度时 , 霜层的绝缘作 用使湿空气与霜表面的温度势和浓度势逐渐降 低 , 从而使霜生长速度变得越来越慢 , 结霜量也 就越来越少 。312 空气侧压降的研究图 4 翅片间距对结霜量的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , a = 74 % , v a = 018 m/ s)试件前后空气的流动阻力可直接由测压计测出 。保证空气温度 ta

9、 和壁温 tw 不变 , 依此改变空气速度 v a 、空气相对湿度 a 和翅片间距 u , 空气侧压降p 随时间 t 的变化关系 如图 5 、图 6 、图 7 所示 。低 温工 程2000 年48图 5 空气速度对空气侧压降的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , u = 8 mm , a = 74 %)图 6 空气相对湿度对空气侧压降的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , u = 8 mm , v a = 018 m/ s)从图 5 、图 6 、图 7 可以看出 , 流速越大 、相对湿度越大 、翅片片距越小 , 其空气侧压降随 时间增长也就越

10、快 。其中相对湿度对空气侧压降 的影响最大 , 其次是翅片片距和空气速度 。尤其对于高湿 (80 %以上) 和密翅片间距 (4 mm) 而 言 , 50 min 之后其空气侧压降急剧上升 , 这意味 着结霜大大的减小了空气通过换热器的流通面 积 , 从而严重的恶化了换热器的换热性能 , 在这 种情况下要考虑除霜 。因此 , 在结霜工况下 , 要慎重采用这两种情况 。图 7 翅片间距对空气侧压降的影响( ta = - 11 c , tw = - 15 c , a = 74 % , v a = 018 m/ s)4结论通过以上实验研究 , 可以得出如下结论 :(1) 在低温环境下 ( - 50 c

11、 以下) , 影响霜生长最重要的因素是空气的相对湿度 , 其次 是翅片间距和空气流速 。(2) 根据霜生长机理 , 温度势和浓度势是霜生长的主要原因 , 其中最重要的是浓度势 。 因此 , 低温环境下如何选择合理的换热器以及降低空气的含湿量 , 从而降低霜生长速度 , 这 对于实际应用有重大意义 。参考文献12刘凤珍 1 低温环境下翅片管换热器的结霜性能和除霜研究 : 硕士学位论文 1 天津 : 天津商学院 , 199914oneal d l .274oneal d l . stoecker w f.the effects of frost growth on extended surface

12、 heat exchanger performance : a review. ashrae , 1987 , 93 (2) : 258a review of frost formation in simple geometries. ashrae , 1985 , 91 (2a) : 267282how frost formation on coils affects refrigeration systems. refrigerating engineering , 1957 , 65 (2) : 4246345kondepudi s k , oneal d l . effect of f

13、rost growth on the performance of lowvered finned tube heat exchangers. international journalof refrigeration. 1989 , 12 (3) : 151158(下转第 56 页)低 温 工 程2000 年56参考文献1 李英干 1 湿度测量 1 北京 : 气象出版社 , 19962 秦纲 等 1 空气制冷机 1 北京 : 国防出版社 , 19801energy save abo ut d rier of the revivicatio nof sel f2 heating in low

14、press urezhao yanji( the weapons centcr , baicheng , china 137001)abstractaccording to the design characteristics of the revivification of self2heating in lowpressure and the air cycle refrigeration system , two operation methods of energy save are summarized. according to the analysis some new syst

15、em design methods and its operation methods are given in this pa2 per . the new methods can cut down energy consume .keywo rdsrevivification of self heating in low pressure ; drier ; method of energy save(上接第 48 页)a study of the facto rs go verning the rate of frostaccum ul atio n o n finned2tube he

16、at exc hangersliu fengzhenchen huanxin( changsha railway university , changsha 410075)lian tianda( tianjin commerce university , tianjin 300400)abstract the effect of various parameters on the rate of frost formation on finned2tube heat ex2changers under low temperature conditions ( - 5 c) was investigated experimentally. the varied re2 lations , such as air inlet relative humidit