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    三排变片距翅片盘管蒸发器结霜特性研究

    时间:2023-01-26 15:35:04 来源:柠檬阅读网 本文已影响 柠檬阅读网手机站

    肖宏新 陈观生 罗超鸿 刘良德 刘湘云 李建国

    1广东工业大学材料与能源学院

    2广东纽恩泰新能源科技发展有限公司

    近年来,我国北方地区在“ 煤改电”政策推动下,空气源热泵得到了快速的发展和应用[1-3]。相比传统的供暖方式,空气源热泵有着节能高效、清洁安全等诸多优势。但是在低环境温度工况下,如在北方冬季低温高湿度地区,空气源热泵的翅片管蒸发器表面温度低于空气的露点温度并且低于 0℃时,换热器表面会出现结霜现象[4]。霜层不仅增大了翅片管表面换热热阻,而且结霜严重时会造成翅片之间气流的流通受阻,导致气流阻力过大,气流量减小,大幅度降低室外蒸发器的换热效率,造成室外蒸发器不能满足换热要求,同时风机长期在这种不利工况下工作也容易损坏[5]。此外,对于固定翅片间距的翅片蒸发器,在低温高湿工况下空气源热泵供热过程中,容易造成蒸发器前后管排结霜不均匀,通常迎风面翅片管结霜最密,更容易造成空气通道堵塞,需要及时化霜,但频繁的化霜会带来供热系统运行不稳定,增加能耗的问题[6-7]。

    针对低环境温度条件下蒸发器的结霜问题,近年来国内外学者做了大量的研究工作,为空气源热泵在低温条件下运行的性能提升和除霜设计提供了一定的依据和参考。由于结霜需要空气中的水分,有学者研究通过固体或液体干燥剂降低蒸发器入口空气湿度,干燥装置能抑制结霜的形成,延长除霜间隔,但干燥装置的结构较复杂,成本较高[8-9]。蒸发器的布置结构也会对换热性能造成影响,在低温结霜工况下,蒸发器横排布置的结构在结霜与化霜特性上更优于竖排布置结构[10]。Park[11]研究在百叶窗翅片换热器翅片中心安装涡流发生器,发现延缓了换热器前侧结霜太快导致的堵塞,并提升了至少 28%的换热性能。黄康[12]研究翅片管换热器结构对霜层生长的影响,发现1.9 mm翅片间距换热器的平均换热性能最优,平翅片换热器换热表面结霜较慢但换热量较小。Z hang[13]定量研究了空气源热泵机组室外盘管换热器在两种翅片间距(2 mm和3.2 mm)下结霜分布差异,发现3.2 mm翅片间距更有利于确保热泵供热的稳定性,更适用与低温地区。Kim[14]对三种表面处理过的翅片换热器设置不同翅片间距并进行结霜实验,发现疏水翅片换热器因结霜延迟在循环结霜周期中的整体传热效率最大。秦海杰[15]研究变片距(10 mm 和 5 mm)空冷器结霜工况下性能影响,数值仿真与试验结果表面变翅片片距空冷器相比定片距空冷器具有更长除霜周期和更好的传热性能。

    由这些研究可以看出,在结霜工况下翅片片距对蒸发器有着重要影响,而目前许多研究集中在两排固定大片距与常规间距的对比,对三排变片距蒸发器的研究较少,本文将通过换热器数值模拟软件结合理论计算对十组不同翅片间距结构的三排变片距翅片盘管蒸发器在低环境温度工况下的换热能力和结霜特性进行数值模拟研究,探讨三排翅片盘管蒸发器不同翅片间距的合理组合,对低温工况空气源热泵的蒸发器进行结构优化,改善空气源热泵室外蒸发器容易出现结霜堵塞、除霜间隔短的问题。其中研究内容包括变片距结构对蒸发器换热量,结霜量,各管排结霜厚度和除霜间隔时间的影响,本文的模拟结果可以为空气源热泵在低环境温度运行工况下的结构设计提供参考。

    本文采用了美国 NIST 的换热器设计软件EVAP-COND 4.0进行模拟仿真实验,选择 R410A 作为制冷剂,蒸发器的结构参数如表1所示,换热管为铜管,翅片为铝制平翅片。

    表1 蒸发器的结构参数

    将固定间距 2 mm的三排翅片蒸发器作为对照组A组,改变第一排和第三排的翅片间距,研究9组不同间距的三管排翅片蒸发器与对照组A 组对比,蒸发器迎风面设为第一排,每组各管排的翅片间距如表2。

    表2 各组蒸发器翅片间距

    为简化计算,各组蒸发器的管路连接均为顺排并联连接,风速均匀分布,变片距蒸发器模型具体如图 1所示。

    图1 变片距翅片蒸发器及空气流向示意图

    各组蒸发器的制冷剂初始参数及空气进口参数如表3。

    表3 各组蒸发器运行条件

    每组蒸发器模拟步长5 min,共模拟 60 min,假设霜层平均分布于翅片表面,忽略重力、辐射传热影响,并且霜层导热系数只与霜层密度相关,空气质量流量受霜层厚度的影响。

    蒸发器表面结霜速率计算公式为:

    式中:mfr为结霜速率,kg/s;
    ma为空气质量流量,kg/s;
    din,dout为蒸发器进出口空气含湿量,kg/kg。

    结霜速率包括用于增加霜层厚度的结霜速率m δ和用于增加霜层密度的结霜速率m ρ,表示为:

    霜的导热系数选用Sanders公式

    式中:λfr为霜层导热系数,W/m·K ;
    ρfr为霜层密度,kg/m3。

    霜密度变化的结霜量变化率mρ和霜密度 Δρfr、厚度变化量 Δδfr计算公式[16]如下,霜层初始密度设为50 kg/m3。

    式中:Qt为蒸发器换热量,W ;
    isv为水蒸气的升华潜热,J/kg;
    R为水蒸气气体常数,461.9 J/(kg· K);
    Ts为霜的表面温度,K ;
    ρi为冰的密度,kg/m3;
    Ds为霜表面水蒸气扩散系数,m2/ s。

    式中:mρ,mδ分别为霜密度变化和厚度变化的结霜量变化率kg/s;
    At为换热器全换热面积,m2;
    Δt为时间步长,s。

    2.1 变片距对蒸发器换热量的影响

    对表 2 各组蒸发器以 5 min 为一步长,60 min 后各组平均传热量如图 2 所示,从 B-C-D 组(或 E-F-G、H-I-J组)可以看出,当蒸发器第三排翅片间距减小时,由于翅片数量增多可以明显提高蒸发器换热量,从B-E-H组看出第一排翅片间距的减小也会增加蒸发器的换热量,但换热量的增幅没有前者明显。H 组的翅片间距组合最接近A 组,增大了第一排的翅片间距减小了第三排的翅片间距,平均换热量也略高于A 组。可见通过合理变片距处理可以保证换热器换热量有所提升,相对于A组,J组的换热量提升了约4.85%

    图2 各组蒸发器60 min平均换热量

    2.2 变片距对蒸发器结霜量的影响

    各组蒸发器数值模拟 60 min 后结霜量如图 3 所示,从 B-E-H 组和D-G-J 组可以看出,在第二、三管排翅片间距相同的情况下,第一管排翅片间距减小,结霜量呈先增后减的非线性关系,但 C-F-I组是随第一管排翅片间距的减小,结霜量呈先减后增的关系。从B-C-D 组(或 E-F-G、H -I-J 组)可以看出,在蒸发器第一管排间距一样的情况下,减小第三排翅片间距会明显增大蒸发器的结霜量,结霜量最高的G 组与A组相比,结霜量增加20 g,增加了约 7.27%。可见虽然减小第三排翅片间距会增大蒸发器整体换热量,但翅片数量增多也会增加翅片表面的霜层附着。

    图3 各组蒸发器60 min结霜量

    2.3 变片距蒸发器结霜厚度变化

    2.3.1 对第一排结霜厚度的影响

    为了研究改变三排蒸发器第一排翅片间距对第一排结霜厚度的影响,选取对照组 A 组和B/E/H 组蒸发器。图4为在所示工况下A/B/E/H组蒸发器第一排结霜厚度增长图,可以看出,在第一个步长内即 0~ 5 min内各组蒸发器的结霜厚度增加最快,这是由于初始状态蒸发器翅片表面无结霜,结霜增长率最快,接下来的步长各组蒸发器的结霜厚度呈线性增长。从最后的结果看,增大蒸发器第一排翅片间距并不一定会减小翅片表面结霜厚度,B 组蒸发器第一排的结霜厚度稍大于A组,但B组的翅片间距增加幅度更多,可以扩大第一排的剩余空气流通通道。

    图4 A/B/E/H组蒸发器第一排结霜厚度变化

    2.3.2 对每排结霜厚度的影响

    选取换热量相对较高、结霜量相对较少的变片距H 组与固定片距 A 组对比,图 5、图 6 分别是 A 组和H组蒸发器随时间变化每排结霜厚度对比。60 min后,固定片距的A组前两排结霜厚度较大,A 组每排的结霜厚度分别占了翅片间距(2 mm)的 47%、41%、35%,A组各排翅片间剩余厚度点较分散,结霜不均匀。相对A组,60 min后变片距的H 组每排的结霜厚度分别占翅片间距的44%、42%、40%,相差不超过 4%,H组各排翅片间剩余厚度点更加集中,H 组各排的结霜厚度更接近,各排之间的结霜均匀性更好。可见固定片距蒸发器在结霜工况下运行容易造成迎风面管排结霜堵塞,迎风面管排霜层堵塞会造成第二、三排进风量减少,前后排结霜不均匀,影响热泵正常制热,前后结霜不均也会造成除霜的不合理。第二、三排的除霜周期明显长于第一排的除霜周期,频繁的除霜也会影响热泵机组的效率。适当的改变翅片片距能改善结霜不均匀的问题,有利于延长除霜周期,使系统更加稳定运行。

    图5 A组蒸发器每排结霜厚度变化

    图6 H组蒸发器每排结霜厚度变化

    2.4 对除霜间隔时间的影响

    运行 45 min 后 A 组蒸发器第一排风速降至约1.19 m/s,翅片间结霜厚度约为 0.82 mm,占翅片间距的40.8%左右,此时第一排结霜已经较严重,空气流通通道减少,结霜厚度占翅片间距比较大时会增加空气流通阻力,因此有必要进行除霜。假定各组蒸发器在第一排风速降至约1.19 m/s且结霜厚度占翅片间距比超过40%需进行除霜,各组的除霜间隔如图7所示,G组和 J 组的结霜量较大,相对于A 组除霜间隔更短。提高第一排的翅片间距有利于延长除霜间隔,B、E 组的除霜间隔相对于A组延长了10 min左右,延长除霜间隔有利于提高热泵供热的稳定性。但在相同运行时间内B、E两组的换热能力相对于A组更低,为了在不影响换热量的情况下提高除霜间隔可以参考 H 和 I组,除霜间隔分别延长了15.5%和11.1%左右。

    图7 各组蒸发器除霜间隔

    本文建立了在结霜工况下三排蒸发器数值仿真模型,通过计算分析计算结果符合实际状况下变化趋势,为低环温工况下的多排变片距蒸发器设计提供参考依据。分析计算数据得出以下结论:

    1)通过合理的翅片间距组合,变片距蒸发器能有效改进蒸发器在结霜工况下的迎风面管排霜层堵塞的问题,使各管排结霜更加均匀,提高了整体换热能力,并且延长除霜周期,使供暖系统更加稳定,更适用于低温地区。以变片距I 组为例,与固定片距 A 组相比,在相同运行时间和运行条件下,I 组的换热量增加了2.86%,除霜间隔延长了11.1%。

    2)通过分析计算结果可以看出,变片距蒸发器对于提高各排结霜量的均匀性和延长除霜间隔有明显的作用,H 组蒸发器的各排结霜厚度占翅片间距比值相差不超过 4%,除霜间隔相对于固定片距组延长了约15.5%。同时可以提高整体的平均换热量,G 组和 J组蒸发器的平均换热量分别提高了3.04%和4.85%。

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