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      翅片管式蒸發器結霜性能的仿真與實驗研究

      點擊:1552 日期:[ 2014-04-26 22:00:54 ]
                                  翅片管式蒸發器結霜性能的仿真與實驗研究                                         羅超 黃興華                        (上海交通大學制冷與低溫工程研究所,上?!?00240)     摘要:建立了結霜條件下翅片管蒸發器空氣側流動和換熱的分布參數仿真模型,模型考慮了蒸發器結構、霜 層厚度以及濕空氣狀態等參數在氣流方向的沿程變化。對冰箱冷凍室蒸發器結霜條件下的動態性能進行了 試驗研究和數值模擬。結果表明,蒸發器結霜過程中的結霜量、能量傳遞系數和空氣側壓降的計算值和試驗值 吻合良好,證明模型可以應用于翅片管蒸發器結霜性能的正確預測和優化設計分析。     關鍵詞:結霜;翅片管蒸發器;模型;實驗     中圖分類號:TK124文獻標識碼:A     0 引 言     小型間冷式制冷裝置中翅片管蒸發器的結霜 是很常見的現象。結霜一方面減少了通流面積, 另一方面霜層的熱阻惡化了蒸發器的傳熱效果。 由于霜層的形成和增長對低溫條件下蒸發器的性 能有很大影響,建立準確通用的仿真模型來預測 霜層的生長就顯得非常重要。     對于翅片管換熱器結霜條件下的性能,國內 外學者進行了一些實驗和理論研究,包括表面處 理對結霜的影響以及不同環境和換熱結構對結霜 的影響等[1-3]。Rite和Crawford[1]研究了不同環 境參數對霜層形成的影響,得出結霜速度會隨著 空氣流速和相對濕度的增加而增加的結論。     Thomas等[2]采用激光掃描技術測量了霜層厚度 和翅片上霜層的分布。在仿真模擬方面[4-8],大多 數研究是從集中參數模型出發的[4-5],即不考慮換 熱器翅片間距、管排布置的變化,也不考慮結霜量 和結霜厚度的沿程變化,將換熱器作為一個整體 對待,計算總體的換熱性能和結霜性能,因而計算 結果僅適用于特定的換熱器,不具有通用性。 Tsokao等[6]考慮了霜層厚度沿空氣流向的變化 建立了分布參數模型,但模型沒有考慮蒸發器的 結構變化。Dong等[7]對翅片管換熱器結霜建立了 動態模型,考慮了濕空氣沿程的狀態變化并進行 了實驗驗證。姚楊等[8]也建立了空氣源熱泵換熱 器空氣側結霜條件下的分布參數模型,耦合了換熱器子模型和霜層子模型,分相考慮了管內流體 以及管外空氣傳熱傳質,模型有一定的精確性,但 計算量比較大。     應用熱質傳遞理論,本文建立翅片管蒸發器 空氣側傳熱流動的分布參數模型,考慮了換熱器 結構和霜層厚度、濕空氣狀態的沿程變化。并對一 臺冰箱蒸發器進行了仿真和試驗研究。     1 結霜動態分布參數模型的建立     采用能量和質量傳遞方程模擬翅片管蒸發器 空氣側結霜過程的傳熱傳質。模擬時假設:     1)結霜過程是準穩態過程,即在一個時間步 長內為穩態;     2)每一個微元體內各熱物性參數為常量;     3)霜的熱傳導率只與霜密度有關;     4)在凝露、結霜時,認為與霜層表面接觸的 空氣處于飽和狀態;     5)空氣在管排間不混合,在一個微元體內認 為霜層厚度均勻;     6)由于翅片和管壁的熱阻遠小于霜的熱阻 (一般要小2~3個數量級),因而管壁和翅片在 厚度方向上的導熱忽略不計。     1.1 換熱模型     沿氣流方向將蒸發器按管排分成各個控制 體,每一排管及其翅片作為一個控制單元,上一控 制單元的空氣出口狀態作為下一控制單元空氣進 口狀態,如圖1所示。這樣劃分控制體后,模型就   
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