结霜工况下风冷热泵翅片管蒸发器传热特性分析

    1 引言

    冬季运行中的风冷热泵蒸发器翅片管的结霜使得蒸发器传热特性发生变化,从而影响整个热泵系统的工作状况。目前对结霜工况下风冷热泵翅片管蒸发器传热特性的理论研究主要是Sanders、Kondepudi提出的结霜工况下翅片效率表达式以及包含析湿系数的翅片效率形式。Sanders推导翅片效率和翅片温度时未明确考虑空气相对湿度的影响;Kondepudi采用了传热传质的综合换热系数α´,实际过程中α´如何得到尚需研究;包含析湿系数的公式认为霜表面温度等于翅基表面温度,事实并非如此。本文拟克服上述不足之处,推导出更符合真实物理现象的翅片温度分布、翅片导热量和翅片效率的公式,以获得结霜工况下风冷热泵翅片管蒸发器更准确的传热特性。

    2 结霜工况下翅片管传热传质公式推导

    2. 1 假设条件

    本文研究的重点是在一定厚度的霜层作用下,蒸发器翅片的传热传质特性。为此,本文作以下假设:

    (1)结霜过程为准静态过程,霜层厚度处处相等,并远小于翅片高度。

    (2)空气及霜层的物性为常数。

    (3)翅片的传热沿翅片方向,霜层的传热垂直于翅片表面。

    (4)翅片顶部绝热。

    2.2 翅片管传热传质

    对图1所示的翅片,霜层传入翅片的热量可作内热源处理,在翅片方向取微元dx,其导热微分方程为:

    式中 tw—翅片表面温度,℃

    ts—霜层外表面温度,℃

    Q)))单位体积霜层传入翅片热量,kJ/m3

    λ—翅片导热系数,W/(m•℃)

   λfr—霜层导热系数,W/(m•℃)

    U—翅片周长,m

   A—翅片截面积,m2

   δfr—霜层厚度,m

    单位面积霜层的能量方程如下:

    式中 α—空气与霜表面换热系数,W/(m•℃)

    t∞—空气温度,℃

    ζ—析湿系数

    由文献[1]可知:

    式中 h∞—空气焓,kJ/kg

    hs—霜表面饱和空气焓,kJ/kg

    cp—空气定压比热,kJ/(kg•℃)

    本文对-20~10℃饱和空气焓与温度的关系进行线性拟合,得:

hs=a+bts(5)

    式中 a=13127,b=1159

    将式(3)~(5)代入式(1)中,令:

    边界条件:

    式中 h—翅片高,m

    翅片表面温度分布:

    翅片传热量:

    翅片效率:

    式中 Q、Q1—翅片传热量、翅片处于翅基温度下的换热量,kJ    以上各式表明:结霜工况下翅片的温度分布、传热量、翅片效率公式形式与干工况相似。不同的是式中m的表达式,且式(7)、(8)中的Φ是空气焓与翅片温度相对应的饱和空气焓之差。说明推动湿空气与翅片进行热、湿交换的动力是焓差,而不是温差。翅片温度分布及传热量除了受霜层厚度、霜层导热系数影响外还与空气焓有关。空气焓是空气温度、相对湿度的函数。翅片效率与霜层厚度、霜层导热系数有关,与空气焓无关。