热泵蒸发器结霜过程的理论研究

    1 前 言

    风冷热泵在冬季制热运行时所遇到的主要问题是热泵室外侧蒸发器结霜,蒸发器结霜使制冷剂与空气之间的传热热阻增大,使得蒸发器的换热量减小,与此同时蒸发器也会逐渐被霜所堵塞,使得通过蒸发器的风量越来越小,这都会使热泵的制热量大大减少[1],风机功耗增加,工作状况恶化同时也有可能发生事故。因此有必要对热泵结霜进行仔细的研究。热泵蒸发器主要是翅片管蒸发器,对于翅片管蒸发器结霜的研究却相对比较少,而且大部分学者仅进行实验研究[2,3],很少进行理论研究,即使进行理论研究也很少建立蒸发器结霜的数学模型。因此建立一个翅片管蒸发器结霜的数学模型是十分必要的,对我们设计生产蒸发器有很大的现实指导意义。

    2 结霜工况下蒸发器数学模型

    2.1 蒸发器的物理模型

    本文研究的翅片管蒸发器为一般的热泵空调机所采用的翅片管式蒸发器。蒸发器管子由传热性能良好的紫铜管(φ10 mm)制成,肋片(214 mm间距)采用铝制整体肋片,肋片与铜管通过机械管径扩张方法连接,使肋片与铜管良好接触,如图1所示。

    2.2 简化假设

    1.空气在翅片管外与制冷剂形成交叉流动,是沿着流动方向的一维变量;

    2.空气进口参数均匀,在排间不混合;

    3.当壁温低于露点温度且壁温低于0℃时,即出现结霜;

    4.结霜出现时,空气与管翅接触的表面湿空气为饱和状态;

    2.3 结霜过程有关参数的确定

    湿空气的Pr,K,L等参数用于空气的相应值代替。

    空气质量流量Ga:

    式中,F为风量, m³/min;va为空气比容, m³/kg;Ga单位为kg/m³。

    霜的密度ρf:

  ρf=340|ts|-0.455+25U

    式中,ts为霜表面温度,℃;U为最小截面处风速, m/s;ρf单位为kg/m³。

    霜的导热系数λf:

λf=01029 (1+Q2f/10000)

    式中,ρf的单位为kg/m3,λf单位为W/ (m•K)。

    霜的质量Mf:

Mf=τ•Ga(Dai-Dao) /1000

    式中, Dai, Dao为空气进出口含湿量, g/kg;Mf单位为kg。

    霜层厚度δf:

    式中,δf单位为m。

    最大风速U:

    式中,Dai,Dao为空气进出口含湿量, g/kg;U的单位为m/s。

    结霜工况下析湿系数F:

    霜层热阻

    霜表面温度:Ts(K):Ts=Tb+QaRf

    空气侧热交换量Qa(W):Qa=Ga(hin-hout)

    空气侧压降ΔP:

    式中,f为摩擦系数;N为管排数。

    3 计算结果及分析

    3.1 环境相对湿度和温度对结霜的影响