翅片管式換熱器除霜方式探討

張　杰　王厚華

    摘　要：分析了結霜對制冷換熱的影響,對各種不同的除霜方式進行了比較,利用吸風式風洞制冷實驗臺,進行了新型三對稱大直徑圓孔翅片管式蒸發(fā)器的結霜實驗,分析了采用電熱除霜的合理性,并探討了電熱除霜方式存在的問題,提出了改進措施,分析了其節(jié)能前景。

    關鍵詞:人工除霜,電熱除霜,除霜效率

    中圖分類號:TU831.3文獻標識碼:A

    文章編號:1009-6825(2010)02-0183-03

    在蒸發(fā)器表面溫度低于0℃時,蒸發(fā)器表面就會出現(xiàn)結霜現(xiàn)象,霜的形成會對蒸發(fā)器的換熱性能和空氣側壓降產(chǎn)生較大的影響。就蒸發(fā)器的換熱性能而言,霜的影響作用主要體現(xiàn)在幾個方面:1)霜的熱導率比蒸發(fā)器金屬材料的熱導率小幾個數(shù)量級,霜在蒸發(fā)器表面沉積將會增加熱阻;2)蒸發(fā)器表面結霜后,內部空氣流道截面積縮小,阻力增大從而使得流量減小;3)結霜初期,間斷的霜粒使換熱表面變得粗糙,換熱性能有所改善,但當霜粒形成霜層后,就會影響換熱效果;4)霜的積聚會部分填充翅片和管子之間的空隙,從而減小翅片和管子的接觸熱阻。從上可以看出,霜對蒸發(fā)器換熱既存在正面影響也存在反面影響,是一個復雜的綜合效應作用下的動態(tài)過程。

    總結相關研究結果可以得到如下結論:1)在結霜初期傳熱系數(shù)逐漸增大,這可歸結為霜開始形成時表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,同時氣流擾動增強。2)隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數(shù)減小。3)傳熱系數(shù)受相對濕度影響較大,相對濕度高,則傳熱系數(shù)大。當霜層增厚時,傳熱系數(shù)減小。

    1·常用除霜方法

    1)人工除霜。操作人員手拿清除工具直接在蒸發(fā)器的表面上去除凝霜的方法稱人工除霜,一般適用于大型冷藏庫。人工除霜的特點是落霜不融化,在除霜過程中蒸發(fā)器也可照樣正常工作,基本不影響庫房溫度的恒定,所以最適合于凍結物冷藏間的排管除霜。但融霜時人員要進入庫內操作,工作條件較差,且要增加人員發(fā)熱耗冷量和人工費用。

    2)水沖霜。將噴水管裝于蒸發(fā)器的上方,除霜時通過噴水管向霜層表面均勻噴射帶有一定壓力的水,這種除箱方法稱為水沖霜。水沖霜方法只能用于冷風機的除霜,一般和熱氣融霜結合應用,單獨使用時只適合于冷風機結霜速度慢、霜層比較薄的情況,水沖霜的優(yōu)點是除霜操作簡單且易于實現(xiàn)自動控制,缺點是電耗水耗較大,除霜成本較高。

    3)熱氣融霜。由于目前多數(shù)食品冷庫用氨制冷系統(tǒng),所以熱氣融霜又稱熱氨融霜。該方法是把蒸發(fā)器作為冷凝器使用,利用四通閥實現(xiàn)轉化。融霜前必須排除蒸發(fā)器里原有的低溫制冷劑液體,因此熱氨融霜的制冷系統(tǒng)需要設置排液設施來承接融霜前蒸發(fā)器內的殘液和融霜過程中熱氣凝成的液體。

    4)電熱融霜。電熱除霜是用電加熱提供化霜熱,多用在翅片管式冷風機上,適合于小型制冷裝置或單個庫房。電熱元件附在翅片上,為了防止融化后的霜水在排出庫房之前再次結冰,還必須在接水盤和排水管上系繞帶狀加熱器,融化后的霜水應及時排到庫外。電熱除霜具有系統(tǒng)簡單、除霜完全、實現(xiàn)控制簡單的優(yōu)點,在小型裝置上廣泛采用。主要缺點是耗能,單純用電熱來融化霜層的除霜方法是所有方法中能耗代價最高的。在大中型冷庫的制冷系統(tǒng)中一般很少使用純熱電融霜的方法。

    5)壓縮空氣除霜。連續(xù)凍結式食品速凍裝置在工作期間的中途除霜(一般用熱氣融霜+水沖霜)會嚴重影響裝置的生產(chǎn)能力,浪費生產(chǎn)資料和提高生產(chǎn)成本(因為除霜期間生產(chǎn)工人要原地待命)。無霜式速凍裝置的問世解決了“中途除霜”的各種弊端。這種速凍裝置采用壓縮空氣巡回式噴射蒸發(fā)器表面,隨時清除蒸發(fā)器表面的微小凝霜,使蒸發(fā)器表面始終保持“無霜”的狀態(tài)。這是一種針對特殊生產(chǎn)工藝的除霜方法,它的優(yōu)勢在于保證制冷系統(tǒng)的連續(xù)工作,從而提高裝置的日產(chǎn)量。但由于需要壓縮空氣,融霜過程也是比較耗電的,另外裝置的價格昂貴也是一大缺點。

    2·除霜能耗

    2.1　蒸發(fā)器除霜時輸入的總熱量

    Q=Q1+Q2+Q3+Q4。

    其中,Q1為霜層溶解成0℃的水所需的熱量;Q2為蒸發(fā)器、水盤、金屬框架升溫的加熱量;Q3為蒸發(fā)器盤管內殘存制冷劑工質的吸熱量;Q4為對周圍環(huán)境的加熱量。

    從達到良好的除霜效果和節(jié)能的角度考慮,除了Q1是必要的,Q2,Q3,Q4的值應越小越好。因為當庫房投入正常運行時,這部分的熱量必須要消耗制冷量來抵消,這將付出不必要的能耗。為了降低這部分附加能耗,可以采取一系列相應的措施。

    2.2　除霜效率η

    除霜效率η為霜層融化成0℃的水所需熱量Q1與除霜時所需的總熱量Q的比值,即：

    電熱融霜是由盤管的外部加熱,而熱氣融霜可以從霜層內部加熱,霜容易從冷卻表面脫落,所以實際上融霜的熱量比理論值小得多。同時,霜層融化由內到外,在融霜初期沒有水蒸氣向蒸發(fā)器外逸出。只有當霜融化脫落后,肋管上的熱才向外輻射,但此時除霜階段也趨于結束,因此與庫內及周圍圍護結構的換熱量少,其除霜效率比較高,熱氣除霜操作復雜,只適用于制冷劑直接蒸發(fā)系統(tǒng)。

    2.3　霜的融化熱Q1

    Q1=Gf×[Cpf(tf-0)+rf]。

    其中,Gf為欲被融化的霜層重量,kg,可根據(jù)蒸發(fā)器的外表面積、霜層厚度和霜層的平均密度計算得到;Cpf為霜層的平均比熱;tf為霜層的平均溫度,根據(jù)情況在蒸發(fā)溫度和冷庫溫度之間取值;rf為霜的融化熱。

    3　新型三對稱大直徑圓孔翅片管式蒸發(fā)器的結霜實驗

    3.1　新型翅片的節(jié)能情況

    經(jīng)過反復實驗的比較,三對稱圓孔翅片的強化傳熱效果最好,主要表現(xiàn)在:1)與平翅片相比較,制冷量最大提高了16.87%,平均提高了9.1%。2)翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與矩形平翅片相比,最大提高了80.15%,最小提高了49.66%,平均提高了64.29%。3)能效比COP值最大提高30.16%,最小提高14.95%,平均提高22.93%。

    3.2　實驗目的

    通過結霜實驗,掌握新型翅片管式換熱器的結霜特征。針對其特征對電熱除霜方式進行改進。即研究電熱除霜管的布置方式及其布置位置,提出高效的除霜方法,這種方法既要節(jié)省電能,又要有利于換熱。

    3.3　新型翅片管式換熱器結霜情況

    實驗中,三對稱圓孔翅片管式蒸發(fā)器的結霜一開始是沿基管的表面向管的徑向方向增厚,同時基管表面的結霜量明顯厚于翅片表面,原因如下:制冷劑是下進上出的,下部基管與節(jié)流閥相連接,從節(jié)流閥流出的氟利昂含氣量較低,制冷能力更強;再則由于重力的作用,凝結水從翅片的頂部往下流,匯集到底部上。壓縮機運行3 h后,翅片管上的結霜量明顯增大,基管中間部分的空氣流道有明顯的堵塞現(xiàn)象,這部分翅片表面積滿了霜,基管上的霜已相互連在一起。另外翅片管表面霜層分布非常不規(guī)則。壓縮機運行5.5 h后停止時,整個氣流通道2/3面積積滿了霜,換熱效果已嚴重惡化,同時蒸發(fā)器的阻力也很大,必須進行除霜。這時,蒸發(fā)器底部的翅片管表面的結霜量明顯比其他地方厚,而且越靠近銅管翅片上的霜層越厚。另外由于圓孔對氣流的擾動,翅片管中心部位翅片的積霜量也明顯增多。整個翅片管的中心和底部部位已被霜層堵塞。

    4　結語

    實驗中,制冷換熱器由三排翅片管組成。運行結束后,第一排翅片已結滿了霜;第二排翅片結了很少量的霜;第三排翅片未結霜。針對這一結霜特征,電熱除霜管只布置在第一排翅片上,而第二、三排翅片因只結了很少量的霜或不結霜而不用布置除霜管。在布置除霜管時,可以采用特定的布置方式,使得除霜管在起到除霜作用的同時還能強化換熱效果,進一步提高制冷系統(tǒng)能效比。由于除霜管是針對了制冷換熱器的結霜特征進行布置的,只在第一排翅片布置即可節(jié)約全部布置2/3的電能。在接下來的試驗中,我們將對換熱器的結霜規(guī)律進行進一步總結,根據(jù)結霜的規(guī)律提出具體的電熱除霜管布置方式。結合結霜和除霜特征,找出最佳除霜點,進行合理配置,從而提高電熱除霜的效率。

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