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霜形成对翅片管换热器空气侧表面传热系数影响的实验研究点击：1879 日期：[ 2014-04-26 21:35:44 ] |
| 霜形成对翅片管换热器空气侧表面传热系数影响的实验研究 陈瑞球1,周广2 (1.天津商学大学天津市制冷技术重点实验室,天津300134;2.广东技术师范学院天河学院,广州510540) 摘要:在空冷系统中,换热器空气侧的表面结霜问题是影响其应用和发展的主要问题。通过对结霜条件下翅片管换热器空气侧换热性能的实验研究,得出了空气湿度、翅片间距、风速等参数变化对空气侧当量表面传热系数的影响;结果表明在一定的范围内,结霜前期h0值随结霜时间τ急剧下降,在结霜后期,这些参数对h0值的影响大为削弱。 关键词:换热器;翅片管;结霜;当量表面传热系数 1 引言 在低温环境中,换热器表面结霜问题是冷却设备的设计和运行阶段必须考虑的一个主要因素。当换热器空气侧的表面温度低于周围湿空气的露点温度且低于0℃时,霜就会在换热器空气侧的表面上形成。霜的出现和不断增长将会使湿空气流道逐渐变窄,风量不断减少,从而直接使换热器空气侧的表面传热系数降低,导致换热器传热效果变差。因此,在空冷系统中,结霜对换热器传热性能的影响得到了各国学者广泛和深入的研究,并获得了许多理论和实验成果[1-5]。但由于在霜形成过程中,空气流动与霜形成之间是相互影响的,目前关于霜形成对换热器空气侧表面传热系数影响的研究较少。因此,本文把研究的重点放在空气侧。 2 实验装置及实验内容 整个实验装置是由吸风式低温风洞、供冷系统及测试系统三部分组成。低温风洞中设有送风系统、辅助换热器、加热加湿处理器和试件等设备,如图1所示。供冷系统采用主供冷系统和辅助供冷系统,为了得到比较稳定的温度值,供冷系统全部采用质量浓度为50%的乙二醇水溶液作为冷媒,向试件和辅助换热器供冷。测试系统中主要有对温度、风速、流量、湿度和霜厚度等参数的测量。具体的测量方法和使用的仪表见文献[6]。 实验所用试件为盘管-套片式换热器,由紫铜管和铝质平翅片经机械胀管构成,外形尺寸为300×80×270mm。其具体结构参数如下:管排数(叉排,沿气流方向): 3排;面管数(垂直气流方向): 10个;横向管间距: 21. 5mm;纵向管间距25mm;翅片间距:δ=4, 6, 8mm;翅片厚度: 0. 3mm光滑管外经:d0=10mm;光滑管内径di=8.5mm。 实验过程中先通过辅助供冷系统向辅助换热器供冷,待风洞中如温度、湿度等控制参数达到设定值后,启动主供冷系统向试件开始供冷进行实验,此时风洞中的空气在风机的作用下,依次流过辅助换热器、加热加湿器、回风道和整流稳定段后,掠过翅片管换热器,与之进行热质交换后,流回风机,完成一个循环。在保证试件入口空气温度基本稳定的条件下,通过依次改变空气的速度va,空气的入口相对湿度ψ和翅片间距δ来研究结霜对翅片管换热器空气侧表面传热系数的影响。 根据换热器传热过程的特点,冷媒流过换热器时吸收的热量为： 但是,对于一个封闭系统,根据质量守恒原理,Mf也为在Δτ时间内向空气中的直接加湿量。当两者之间的偏差小于±5%以内时,其测量数据有效,可取两者的算术平均值作为最后结果。 3·实验结果和讨论 实验过程中,在保证其它参数基本不变的条件下,依次通过空气相对湿度ψ、片距δ和风速va的变化,来讨论它们对换热器空气侧当量表面传热系数h0的影响。其整理后的实验结果如图2~4所示。 3. 1空气相对湿度ψ对h0的影响 图2为片距8mm,在三个不同ψ值条件下换热器h0值随时间的变化曲线。从图中可以看出,在实验时间段内,小ψ值时的h0最大;且在结霜的初始期,由于ψ值越高,质量传递能力越强,霜的生长速度越快,霜厚增长迅速,霜的导热热阻快速提高,因而导致h0值随时间急速下降;在相同的结霜时间点,不同ψ值条件下h0值彼此相差较大。但在结霜时间τ>100min后,随着时间的增长,霜的生成速率减缓,其霜厚增加形成的导热热阻增长速率下降,因而h0值的下降较缓慢,彼此之间的差值较小。 3. 2 片距对h0的影响 图3所示为片距变化对h0的影响曲线,其结果表明,在其它参数基本相同的条件下,在结霜80min以内时,由于结霜厚度的迅速增加,而使h0值随时间迅速下降,且在某一时间段内,h0片距8mm>h0片距6mm>h0片距4mm,这表明在结霜初期大片距有利于热、质的传递过程。但在τ>80min以后,片距分别为6mm和8mm的换热器的h0值非常接近,其主要原因在于,由于结霜初期片距越大其结霜速率越大,以致于在τ>80min以后,两者由于前期霜厚的增长速率不同而使净的空气流通截面相差不大,因而使h0值比较接近;这说明在一定的片距范围内,结霜后期片距对h0值影响不大。 3. 3 风速对h0的影响 关于风速对h0值的影响,图4的实验结果表明,在开始结霜的20min内,h0值随风速的提高而增大,随着霜厚的快速增长而急剧下降;在结霜20min以后,由于风速越大其霜厚度增加越多,使空气流通净面积减少越大,空气侧的压力降增加得越快,因而造成在某一时间段内风速越大h0值越小的结果,但彼此间差距不大。在结霜160min以后,风速对h0值的影响已经很小。 4·结论 关于结霜对翅片管换热器空气侧当量表面传热系数h0的影响,上述的实验结果表明:在结霜时间τ≤80min内,低湿度、高风速,大片距的h0值较大;且在这一时间段内,由于结霜速率较快,结霜厚度增长较多,使导热热阻较快增加,因而使h0值随结霜时间快速下降。在结霜时间τ>80min以后,随着换热器中空气流通净面积的不断减少,在某一片距,湿度范围内,其片距、湿度和风速对h0值的影响已很小。 参考文献：略 |
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