風冷熱泵蒸發器結霜性能的研究 
                                       張哲　田津津
                           (天津商學院　天津　300134)
    摘　要：建立了一個可以反映風冷熱泵翅片管式蒸發器局部特性的數學模型,該模型考慮了蒸發器在干、濕、霜工況下傳熱、傳質的差異以及霜層沿管子變化的情況。對常用的翅片管式蒸發器進行了理論研究,計算結果表明:蒸發器表面霜層分布極不均勻,影響了換熱。同時提出了新型改進蒸發器結構,結果表明改進效果良好,普通換熱器換熱性能下降的速度是改進型換熱器的1.5倍。數值計算的結果和實驗測試的結果吻合良好,證明了數學模型的正確性與可靠性。
    關鍵詞：熱工學;蒸發器;理論研究;結霜
    我國大部分地區處于季風氣候區,冬季熱泵室外側蒸發器極易結霜,隨著熱泵運行時間的延長,霜層逐漸覆蓋整個蒸發器,霜層導熱熱阻逐漸增大,同時霜層逐漸堵塞蒸發器,使通過蒸發器的空氣流量越來越來小,最終完全堵塞蒸發器,嚴重地破壞了空氣與制冷劑之間的換熱,使蒸發器的換熱量大大的減少[1],嚴重的影響了熱泵的制熱量甚至由于制冷劑不能在蒸發器中蒸發進入壓縮機從而造成事故,因此熱泵室外側蒸發器結霜對空氣-空氣式熱泵有很大的危害,所以對熱泵蒸發器結霜進行仔細的分析研究是非常必要的。各國學者對簡單的幾何形面物體,如平板、圓柱、同心圓等結霜的研究已經進行的比較深入[2-3],但對于翅片管蒸發器結霜的研究相對較少,而且大部分學者僅進行實驗研究[4-5],很少進行理論研究,即使進行理論研究也很少建立能夠反映蒸發器結霜局部特性的數學模型,例如,文獻[6-7]建立了翅片管式蒸發器結霜的數學模型,但該模型認為整個蒸發器結霜均勻,并未考慮蒸發器局部結霜不均勻的特點。這里建立的蒸發器結霜的數學模型能夠真實的反映蒸發器局部結霜不均勻,以及局部結霜不均勻對蒸發器性能的影響。該模型對設計蒸發器具有很大的現實指導意義。
    1　蒸發器數學模型的建立及求解
    1.1　蒸發器的物理模型
    這里研究的翅片管蒸發器為一般的熱泵空調機所采用的翅片管式蒸發器。蒸發器管子由傳熱性能良好的紫銅管(Φ10mm)制成,肋片(2.4mm間距)采用鋁制整體肋片,肋片與銅管通過機械管徑擴張方法連接,使肋片與銅管良好接觸,如圖1所示。冬季濕空氣流經室外蒸發器時,蒸發器表面不可避免要結霜而在結霜過程中霜的密度,厚度,導熱系數,表面溫度隨時間的變化而變化而且在蒸發器不同位置上,傳熱傳質狀況均有所不同。因此為了了解蒸發器結霜分布及換熱特性,需將蒸發器進行單元劃分,由銅管及其附屬的一段肋片為一單元,單元的具體劃分下文詳細說明,對每個單元有如下假設:
             
    1)每一單元中翅片與管壁上霜層厚度均勻分布。
    2)空氣、霜、制冷劑各部分的物性參數在每一個單元中恒定。
    3)結霜與冷凝過程在同一單元中不可能同時出現。
    4)濕空氣與霜表面輻射換熱忽略不計。
    5)不考慮熱泵的啟動過程,模擬程序從翅片表面結霜開始。
    6)入口空氣參數分布均勻,蒸發器各通路的制冷劑分配均勻。
    1.2　數學模型的建立[8]
    1)空氣側方程
            
            
    3)管壁方程:
    由于換熱器由導熱性很好的銅管制成以及管壁較薄,因此在同一截面上各點溫度相同,根據能量守恒定律有:
            
    1.3　蒸發器數學模型的求解
    1)單元體的劃分
    對蒸發器進行數值求解,需將整個蒸發器劃分為許多小單元,以每一段管為中心及其附屬的肋片為一個單元。Y方向沿空氣流動方向按管排數劃分為M份(4份),Z方向按管子數分為N份(10份),X方向沿制冷劑流動方向分為P份(10份),因此整個蒸發器分為4×10×10 = 400個單元。
    2)時間步長的確定
    由于蒸發器結霜過程為一動態過程,隨著時間的增長霜層也不斷的增長,這樣不僅要重新確定霜層的物性參數又要重新確定有關結霜蒸發器的性能,因此時間步長的確定十分重要。若步長取得過小占用計算機的存儲單元太多,速度太慢;若取過長,計算跳躍太大,無法準確地模擬蒸發器結霜動態過程,因此經比較取60秒為時間步長。
    3)邊界條件及初始條件
    制冷劑的邊界條件:進口壓力(675/kPa),進口焓(252kJ/kg),進口流量(91.25kg/h)
    空氣的邊界條件:進口溫度(0℃),進口相對濕度(80%),進口風速(1.5m/s)
    初始條件:以蒸發器初始運行但未結霜的狀態為初始條件
    1.4　計算結果及分析
             
    圖2反映了蒸發器四排翅片管結霜不均勻的情況,從圖2可以看到整個蒸發器處于不均勻結霜的狀態,每一排翅片管的霜層厚度都不同,熱泵運行20分鐘時第一排霜層厚度已達0.495mm,第二排為0.303mm,第三排為0.178mm,而第四排僅為0.035mm。整個蒸發器不僅結霜厚度不均勻,而且在同一時刻每一部分所處的工況也不同。熱泵運行初期第一排翅片管即處于霜工況而第四排翅片管還處于干工況,這就說明了按結霜均勻分布計算蒸發器性能的不合理性。比較前后排霜層變化的趨勢可知:前排翅片管結霜速度要遠大于后排翅片管結霜速度。圖3反映了蒸發器第一排翅片管在不同時刻結霜的情況,當熱泵運行10分鐘時每根翅片管還比較均勻,但前兩根仍然比其它的厚,運行30分鐘后第一根翅片管厚度已達1.302mm,第二根1.264mm,第三根1.164mm,而從第八、九、十根,霜層只有0.428mm,0.365mm,0.332mm,從圖中可知同一排的翅片管從最下面的一根開始依次向上每一根翅片管霜層厚度有逐漸減小的趨勢,并且隨著熱泵的運行時間延長,減小的程度越來越大。
              
    根據以上蒸發器前后排霜層厚度數據的分析以及蒸發器制造工藝特點,將蒸發器第一排翅片間距擴為4mm,后三排翅片間距縮為2mm,將制冷劑流動的方向由原來的下進上出改為后排進前排出,以弱化前排換熱,使前后排結霜均勻,從而可以延長熱泵除霜周期。圖4表示的是改進后的蒸發器結霜情況,從圖4可以看到改進后的蒸發器前后排結霜較以前均勻許多,前后排霜層厚度差別不大。圖5表明改進后蒸發器換熱量下降趨勢比以前緩慢很多,這主要由于改進后的蒸發器在結霜最嚴重的部分采用了加大翅片間距以及在結霜相對緩慢的后排縮小翅片間距的措施,雖然蒸發器有大量積霜但仍有相當大的一部分空間空氣可以通過,保證了蒸發器所需的一定風量,從而減小了結霜對蒸發器換熱量的影響。
             
    2·理論與實驗的對比
    為了方便表示蒸發器結霜的理論值與實驗值[9]對比情況,取蒸發器整體霜層厚度平均值為對比對象。實驗條件為:進口空氣溫度為0℃,相對濕度為80%,風速為1.5m/s,實驗中蒸發器空氣進口參數由空氣處理系統控制,其包括可調速風機,表冷器、整流器、加濕器及調壓器等。理論計算中制冷劑的入口參數由實驗測量而來。
    圖6表明理論計算值與實驗測量值吻合良好,基本反映了蒸發器結霜的變化規律,說明計算模型正確、方法可靠,具有一定的理論與實際意義。
    3·結論
    1)建立了一個能夠反映風冷式熱泵室外側蒸發器的動態結霜特性及其對蒸發器性能影響的數學模型,并編制計算機程序進行數值求解,數值計算結果與實驗結果吻合較好,從而驗證了所建立的蒸發器數學模型的正確性以及計算程序的可靠性。
    )研究結果表明,蒸發器表面霜層分布極不均勻,其情況是:前排比較厚,后排比較薄,并且相差較大,同時同一排翅片管沿制冷劑流動方向結霜量逐漸減少。
    3)通過對熱泵室外側蒸發器結構的改變,即加大前排翅片間距,減小后排翅片間距,發現蒸發器表面結霜量明顯減小,換熱量下降速度減慢。
    參考文獻：略