制冷专业毕业设计

中文译文:结霜工况下强制对流换热器的翅片性能摘要在本文中，经过修改的模拟结霜工况下风机供风翅片式换热器的热交换翅片上霜增长的数值模型已经得到证实结果发现，制冷换热器上结霜导致翅片热流量、气流速度和翅效率的急剧下降，以及压降的增大精确地研究显示改变几个设计参数（其中包括风机的型式）的影响年科学有限公司和保留所有权利2002Eldevier HR.介绍1对制冷系统、空调设备以及空气对空气型热回收系统来说，翅片式热交换器结霜是一个常见问题在这些系统中，结霜对制冷换热器来说是最重要的性能影响因素换热器表面结霜对热交换器的热工性能的影响有好几个方面・・

1.换热器表面结霜增大了翅片与气流间的热阻，从而降低了制冷系统用热交换器的冷却能力对于气流速度以及气流与翅片表面的温差给定的情况，一定厚度的霜层会降低热流量，这是因为霜层的实际导热系数很小并且霜层间会形成温差・2热交换器表面结霜使得通过换热器的气体量大大减少、气体压降大大上升根据风机的特性，在连续结霜数小时后，气流的路径会变短甚至会被完全堵塞主要符号总表面积，基管表面积，翅片面积，最小流通面面积，迎风面面积，压力损失修正系数翅的比热容，摩擦系数空气的比定压热容，霜的比定压热容，霜表面实际气体速度，霜层实际气体扩散速度，穆迪（或达西）摩擦系数管内径，对流传热系数，翅高，升华潜热，对流传质系数，入口流体收缩损失系数无霜对流传热系数，出口气体膨胀损失系数霜的导热系数，翅长，翅片的导热系数，翅片数相变速度，充分发展流的努塞尔数N普朗特数UD光管热流量,大气压强，降的也更加的快另一方面，翅间距的缩小将会使得单位气流面积的翅片数增多，以此来提高总的热流密度因此，这就表明若将此模型建立在各种冷冻食品的融霜循环的现实要求的基础之上，就可以进行翅间距与翅厚的优化把翅厚减少每个翅的热流量就比最初降低对于越薄的翅片来说，翅的热50%25%流量与效率随时间下降的越慢，这就使得融霜循环间的热交换器运行时间变得更长如图8-12所示的，在该研究中将轴流风机改为离心风机对翅片的特性并没有显著的影响而且，图、9中曲线的热流量与气流速度下降到零的终端点不变在附录中等已经证实，运1045Chen行工况的进气速度、温度和湿度以及热交换器冷基面的温度都对结霜过程与热交换器的性能有显著的影响读者可以参考这些结果进行介绍与讨论这些敏感性实验结论

5.该文已经证明翅片表面的精确结霜模型与选定的风机的特性曲线的耦合对制冷热交换器的优化设计而言必不可少结霜工况下，热流量、翅片效率以及压降、气流速度都随时间明显降低风机、翅间距及翅厚的设计与选型将影响热交换器的结霜过程和融霜周期单翅片热流量，基面总热流量，结霜下单翅片热流量，基面总传热量变化，以内径为特征尺度的雷诺数Re当地舍伍德数d Sh方程的源项，

15.16时间，翅间距，温度，翅间气流平均温度,翅间平均气K翅表面温度,K流温度，℃入口气流温度，翅间气基面温度，℃体平均速度，入口气体湿度，翅片出口气流温度，间气体平均湿度，翅片入口气体含湿迎风面风速，量，翅片出口气体含湿量，霜内空气体积分数，霜内冰的体湿度，积分数，平均测量霜层厚度，无翅霜表面湿度，区霜层平均厚度，坐标，空气动力粘度，坐标，空气密度，坐标，平均测量霜密度，冰密度，翅片霜层厚度，压降，空气经翅片的温变，翅片霜层平均厚度，沿翅片空气的湿度变化，翅厚，翅效率降的变化，通过基面的总热流量，霜密度，翅片密度，・・

3.为了维持积霜换热器的良好性能，定期或蒸汽密度，循环融霜来防止霜的累积是必需的通常情测得翅间平均压降沿翅片压况下，在除霜周期内，制冷系统将被关闭，霜层厚度变化，同时热量将热交换器加热到冰点以上Niedere.指出工质携带的热量中只有至的用于融霜其余的热量有的提高了换热器的温度，15%20%有的则直接散失到周围的环境中在融霜周期中蒸发的水通常又会在下一个结霜时间凝结回到热交换器表面与无霜工况相比，由于结霜的缘故，相同的冷量下，目前工业用制冷系统的尺寸要大50%,同时同一个系统平均要多输入的能量25%制冷换热器设计人员需要知道霜的累积速度，以及它与气流阻塞、压力损失、热效率的关系对翅片管换热器结霜过程的研究表明，结霜过程随空间与时间有较大的变化，这些变化由换热器的设计参数与运行工况而决定在过去超过年间，发表的关于换热器表面50结霜的研究论文近篇、和总结了许多的这类文献以前的研究大150O NealTree Padki多不涉及表面结霜模型的发展，而是致力于金属平板表面结霜的简单的不变的特性模型，或是监测典型换热器的结霜特性很少有研究涉及结霜时的压降与气流变化过去关于热交换器与传热表面结霜的研究为结霜热交换器的设计起到了指导作用，但是不能为设计效果提供详细预测没有任何一个研究是关于发展翅片表面精确结霜模型的数字模型是很重要的，因为它们不仅能模拟一个广泛的运行工况，而且能很好的解释实践中很普遍但实验研究中不切实际的时间因素对运行工况的影响一经验证，数字模型对于热交换器运行工况设计与优化很有作用最近，学者们对结霜工况下热交换器得性能做了更多的研究一个用于预测热交换器翅片结霜的数学模型已经在等人的研究中被提到该模型已经经过实验数据证实并且在Chen与等人发表的文献中也被提到在这些实验与数值研究中，每次实验时都保持Thonas Chen气流速度恒定这种恒定气流速度的条件在风机驱动的热交换器中是不可能的本文中，对于相同布置的热交换器，由发展的数值模型经过修改后比以前的更加Chen符合事实情况因此，正如的研究中所讨论的那样，这种模拟结果的精确度更高根Chen据对一种典型风机曲线的研究，恒定的气流经过热交换器后变得各式各样从而，这种对结霜工况下热交换器特性的模拟结果仍有待保留与商榷.数值模拟2问题陈述与分析

2.1图显示了系统布置简图风机布置在热交换器翅侧表面之前，驱动气流穿过结霜的热1交换器图为低温环境中冷基面（即左右）、供冷空气（即左右）以及高相对2-40C-20C湿度（即左右）的热交换器翅侧的简明图对于给定的运行工况与翅的几何尺寸，数90%值模拟不仅预测了霜的瞬时的累积、翅平面与冷基平面的霜高分布，而且还预测了沿冷基面的热效率及沿翅的气体压力降表罗列了一种典型运行工况的参数和翅的几何参数，1也就是输入值或模型已知值该处呈现的热交换器的布置与翅片管式热交换器的不同，这是因为翅片安装在冷平板基面（如图所示）正如在论文中解释的那样，对于每一个热交换器翅上霜的高2Thomas度高确定性的的实验测量，这种型式的布置最为方便这是唯一一种现存的已经证实的结霜数值模型的翅片热交换器布置方式为了适应与验证复杂几何形状翅片管式热交换器的模型，就需要进行更多的实验与理论模拟研究同时，验证过的模型能够用于显示结霜工况下典型热交换器的一些重要的特性如图所示，模拟平翅片热交换器的数值模型包括两部分一个是用于描述翅化表面2与非翅化基面上结霜情况的结霜模型;另一个是用于描述每一个铝翅片传热情况的二维热传导模型读者可以参考附录、来了解该模型的所有细节，以及用于该模型的精确实验数58据验证、不稳定性数据与特性的分析讨论该模型的关键部分在于模拟了流动区域结霜模型

2.2应用于寒冷翅片上每一点的结霜模型都是一维的，并模拟了霜层内传热传质的瞬态情况结霜模型的核心方程与边界条件是能量方程ST,,d1万+根仆=瓦化至）P/ff水蒸气扩散方程:2工也=03初Pi霜与气流界面的传质边界条件以丁%底-不整dz atw（z=,/）］=LU+04传热边界条件等阳［稣-丁仁=，］=44ff-4g fz75（）（）T z=O,t=T x,yc式中，是来自于翅的二维热传导模型的翅表面温度6冰相连续型方程:霜与气流间的传热传质

2.3相关用来评估对流传热传质系数，与为了用相关进一步简化与Gnielinski Gnielinski的计算，假设翅表面霜层增长均匀，即霜层高度相等同时还假设与只沿气流的方向变y化对流传热的相关适用于管内雷诺数在到之间的管内充分发展紊Gnielinski300010000流^Re-1000PrDN7UD1+

12.7雷诺数为:ReL©8式中，翅间霜自由区域的水力直径的计算:D4・0X%—

2.0X不.小卜,命一心事J=9h-

2.0x[-

2.0x^]/z-d_Zfin+fin fbase平均气流速度的计算:102・°一心—%in-Xa.avgx/Zfin base翅前来流速度vinK=%11An式中，为翅的来流横截面积在与的论文中，图就是用来确定紊流气流流过翅片区而引起的当Kays Crawford14-7地努塞尔数的增强程度假定随传热传质过程的缓慢变化，传热传质的变化趋势相似Shy=Nuy12式中，是当地舍伍德数因此，与是从与的定义中得到的Nux%13dDh%3=14翅的导热

2.4由边界条件可以看出，霜层内传热的模型与翅的导热模型是相似的翅内传热的核心方程15式中，是源项，由结霜模型参数决定，例如从霜层到翅表面的热流量矶

2.0z=0116bfin dz压降与热流量的计算

2.5由热交换器翅表面结霜而引起的堵塞，会导致沿翅片的气体压降增大假定气体密度恒定，沿翅的气体压降可由下式计算,17式中，是考虑由结霜引起的入口与出口压力损失的实验观测系数沿每一个结霜翅片的热流密度由下式计算,18dx翅间基平面的热流量由结霜模型得出，由下式计算,_ar19夕0%1A_Qbase—^^base^eff式中，是非翅化区基平面总面积那么，总热流密度为20皿见山+八01=此处，为翅片总数气体的平均温度”和湿度网的计算

2.6方程（）和（）中气流温度和湿度定义为翅化区气体平均温度与湿度也就45是:=伉+%T°22对翅化区用能量与质量守恒，鼠八丁+八僧=/由2342500（）24p QAW=jh W-W dAamfPa0k此处，”=丸+乙%臼=空气与翅间的总热流量（W）AW=W H；in+ut叱$=霜表面湿度随着翅片间气流温度的降低，根据方程（）（）的计算湿度的方法，表明气体会达21-24到与气流温度（即伴随着空气中的小水滴或冰晶，相对湿度达到）相对应的超饱和100%状态气流通过翅间的时间非常短（约秒），因此若仅考虑热交换器上的超饱和空气，

0.02气流可望保持秒内不在微小尘埃颗粒上凝结与升华

0.02正如等在论文（附录）及等在论文（附录）中所观测的一种特殊情况,Mao12Chen13即当进入翅间的气源为含霜晶和雾滴的超饱和状态，该状态气体的结霜过程与水蒸气的明显不一样当气源内含有冰晶时，结霜过程主要受扩散的霜晶以及它们在霜层外边缘积累的影响，这种霜层外边缘除了霜层内水蒸气的扩散外没有其他的扩散而我们的霜层扩散模型并不适应与这种特殊的物理现象在这种超饱和情况中，依赖于空气扩散动力的结霜预计进行的将非常的快并且会非常粗糙因此为了发展超饱和气源结霜的数字模型，研究者们需要进行进一步的实验与理论研究工作恒定气流速度模型的验证

2.7等通过精确地数据把这种模型的霜层高度分布与一种典型翅片的进行了比较,如Chen恒定流气流速度模型的沿流动方向的霜冻密度的分布，翅面的总热流量及气流的压降等这些模拟结果与实测数据比较得出的平均差异列于表表中的这些数据来源于一系列不同2运行工况（如不同的霜厚，霜密度，总热流量，沿翅的压降）的大量的实验数据上述数据唯一的不确定性源于实验的平均偏差以及平均模拟数据与测量数据的平均差异考虑到每一种工况的每一组独立数据之间最大的偏差大约增加一倍，而实验的偏差几乎保持不变这些验证研究结果与物理数学模型非常接近，因此现在该模型可以用于模拟与该模型相似物理现象的不同运行工况风扇供风情况的解决方法

3.8结霜工况下风扇供风热交换器的模拟仿真过程与等在在附录中提出的情况很Chen

5.8相似；只是，现在的气流速度是随积霜翅间的压降而变化的图示出了用于测量翅间气流速度与压降的轴流风机与离心式风机的共同的典型特性3曲线图中点为热交换器表面结霜之前的气流速度状态点点为由于热交换器表面3A B结霜气流速度降到最初的50%的轴流风机状态点对于离心风机，B，点为风机气流停止不前而气流速度明显下降即将接近到零的状态点B点和B，点为除霜预期的起点为了简化模型，可以假设翅间空气压降为主导因素气流循环的其他压降可以忽略该模型是有气流速度与不同类型风机压降的关系再加上其他的模型来完成的图还显示了该热交换器翅片表面与基表面持续结霜过程的三个不同时间点和的压3tl.t2t3t3t2tl力流量特性的系统压降曲线风机特性曲线与系统特性曲线之间的状态点就是风机特定时间的工作P-Q点这交汇区给出了翅间气流速度与压降整个数据模型的求解方法使用最后时间的翅片表面温度分布，如，对流传热传质系数，如和，及平均气流湿1度和温度，如和，作为边界条件解决翅片表面上每个格点的结霜模型翅片表面霜层高度是随霜的其他特性而得到的解决非翅片基表面结霜模型进而得出霜高，2解决翅片热传导模型，其中源项从第一步得出3运用已知的不计算平均霜高4x,y,t^_0f ava用方程和求得系统特性关系51117P-Q运用风机曲线与系统关系计算翅间气流速度的与压降6P-Q运用相关计算传热传质系数7Gnielinski运用方程、和计算翅片与非翅基面的热流量和总热流量8181920运用方程计算平均气流温度与湿度，和921—24重复第一至第九步，直至结霜过程结束10模拟结果与讨论

3.模拟结果是建立在表示出的数据为运行工况的基础之上图示出了轴流风机的瞬间14压力损失与气流入口速度图显示出，在的时间内，由于热交换器翅表面结霜的缘

45.5h故，气流速度降低到最初的同时压降增加到初始的倍这些数据意味着随着时间50%,

3.2的增长，气流速度与压降间的近似线性的变化关系附录中等研究了在他们假设

5.8Chen的恒定气流速度条件下，压降随时间趋于变快的情况图中部分翅化气流区被霜完全堵塞同时总的翅化气流区无霜的情况被称作霜堵比点5图中显示出，在运行小时后，多余的翅间气流区被霜层堵塞等在附录

5.550%Chen

5.8中指出，翅间气流通路的这种堵塞情况主要发生在冷基表面，这种冷基表面可能会被完全的堵塞并且随时间的增长会从基表面向翅尖发展图显示了轴流风机供风的热交换器的每个翅片各个侧面的瞬态热流量在结霜的最初6时刻（）可以观察到热流量的缓慢增长（从翅片）这最初增长的的热t30s,

3.9-

4.1W/5%流量（即翅片）是水蒸气在最初清洁的的翅表面结霜相变传质并直接向翅表面释放

0.2W/潜热的缘故在这最初的短暂结霜时间之后，每个翅片的热流量都随时间的增长而下降在结霜后，气流速度降低到最初的一半，热流量降到最初的（从翅

5.5h1/

1.

74.1-

2.4W/片）热流量的下降有两方面的因素（）翅表面的霜层像一个保温层一样,因此它增大1了翅表面的热阻、降低了热流量；

（2）翅表面结霜堵塞了气流通路，导致气流速度下降进而降低了空气和翅表面的对流传热附录、中等指出当在气流恒定和运行工况相58Chen似的条件下，翅的热流密度至多降到原来的图的结果表明风机的选择为热流量下降5/66的主要影响因素为了表明霜积累是翅片效率随温度的变化关系，引进更改后的新的翅片效率的概念该翅片效率定义为，（）————25此处结霜工况下任意时间的翅的热流量，；翅表面面积，；无霜下对流传热系数，；翅间平均气流温度，；基面温度，图显示了小时以后该翅效率从降到的时间变化翅效率这种下降的原因

75.

50.

80.5与上面提到过的热流量的相似灵敏性研究

4.该模型的的灵敏性研究是用来探讨各种参数的变化对模型在应用中的影响该灵敏性研究中涉及了三个参数它们是翅间距、翅厚和风机曲线表列举了用于灵敏性研究的参数，而图显示了以轴流风机和表的数据为38-123基本参数的灵敏性研究结果图中当运行工况的气流状态从变化到或时，只有一3A B1个参数是随每个结果的基本情况和每个模拟的终止时间而变化的缩小翅间距使得除霜循环间的热交换器运行时间缩短同样对于气流速度下降基50%,本情况下需要分钟，而当翅间距降低时只需要分钟缩小翅间距降低了每一33022%280个翅的翅效率和热流量较小的翅间距使得霜堵塞的更快以及空气和翅表面的传热下。