风量对空气源热泵换热器结霜影响的分析

点击：2180 日期：[ 2014-04-26 22:14:23 ]

风量对空气源热泵换热器结霜影响的分析郑钢　宋吉 (上海通惠开利空调设备有限公司) 摘要:关于风量变化对结霜量影响的研究目前一直存在一定的分歧。本文通过对前人仿真方法和结论的分析,在保证翅片表面温度低于0℃的条件下,用凝水量来反映结霜量的大小,从而将动态模型简化为稳态模型,并在风量变化的同时考虑环境参数的变化以及换热器结构的变化。仿真结果表明风量对结霜量的影响与环境参数密切相关。干球温度的变化虽然影响结霜量的大小,但结霜量最大时对应的风量却不受空气干球温度的影响,临界风量随着相对湿度的增加而增加。另外换热器回路等结构参数也会一定程度地改变风量的影响作用。关键词:风量　结霜量　空气源热泵结霜会对空气源热泵运行产生不利影响:一方面导致传热热阻增加;另一方面导致空气流量减小,使得系统能效比下降。国内外的大量学者对结霜和除霜问题进行了大量的研究,取得了很多共识。但笔者发现关于空气流量对结霜量的影响还存在一定的分歧:有些研究人员[1 5]认为风量的增加提高了单位时间内流过换热器表面水蒸气的量,因而增大了结霜的可能性;还有一些研究人员[6 8]认为空气流量的增加提高了换热器的蒸发温度,从而降低了冷热表面的温度差,因此减少了结霜的可能性。可见,空气流量的改变会从正反两个方面影响换热器的换热性能,从而影响结霜量,这两种因素作用的强弱对比将导致宏观上表现结果的差异。相对于制冷制热稳态工况的研究,结霜的研究工作是相对复杂的:一方面结霜运行是动态的,换热条件时刻变化;另一方面结霜机制、霜层的物性、测量工作也都非常复杂。所有这些都给试验研究带来很大的困难。随着计算机技术和计算数学等学科的发展,通过建模利用计算机分析结霜过程是一种相对简单、经济且高效的方法,很多研究人员均采用这种方法。他们提出了一些建模方法,并获得了相关换热关联式。为此,笔者在分析这些研究方法和研究成果的基础上,采用一种新的建模方法,论述风量对换热器结霜的影响。 1　前人仿真研究成果的分析结霜过程是一个动态过程,采用动态模型的仿真方法是正确而必要的。为了探讨各种环境变量和结构参数对结霜过程的影响,试验或仿真过程均采用固定其他变量而对某个观察变量作不同水平的测试,从而得到了结霜量、制热量、ＣＯＰ等系统变量随观察变量的关系,通常的形式如图1所示。前人的研究结果表明,结霜量均随时间变化而单调上升,没有图线交叉现象,因此时间的变化在研究风量对结霜量的影响方面是不起作用的,可以不考虑时间变量的变化,从而将动态模型简化为稳态模型来研究。前人的研究结果还表明,除风量之外,结霜量还受到多种其他因素的影响,如空气干球温度、相对湿度、换热器结构等。那么,风量对结霜量的影响是否会与这些因素关联起来共同起作用呢?从国内外的研究文献来看,还未曾有这方面的报道。因此,笔者将针对这个问题进行初步的探讨。从建模方法来看,为了简化模型,前人的研究往往基于下列假设:1)准静态假设;2)霜层在整个翅片上是均匀的;3)不考虑风吹走的冰晶。这3条假设说明,只要在结霜过程中翅片表面温度低于0℃,所有的冷凝水都会变成霜层,并且霜层在翅片上是均匀分布的,因此凝水量的大小间接地反映了结霜量。通过上述分析,笔者在保证翅片表面温度低于0℃的条件下,用冷凝水量反映结霜量的大小,并考虑环境变量的作用,用稳态模型来研究风量对结霜量的影响。 2　稳态模型的建立选取的仿真对象是某型号的空气源热泵,压缩机为谷轮公司的ＺＲ48压缩机,制冷剂为Ｒ22。翅片管换热器的结构为:2排管,每排48根管,叉排排列,铝翅片为人字形波纹片,铜管为内螺纹管,外径为9.52ｍｍ。节流机构为限流器。板式换热器采用阿法拉阀公司的ＡＣ50型,板片数为20片。 2.1　压缩机模型压缩机模型作为系统模型的一部分,其重要的2个参数是压缩机的功耗和制冷剂流量。对于压缩机功耗的计算,采用计算理论功耗并通过压缩机厂商提供的试验数据回归压缩机效率。其中,Ｍｒ为制冷剂质量流量(ｋｇ/ｈ),Ｖｔｈｅｏｒｙ为理论排气量(ｍ3/ｈ),ｖ为制冷剂比容(ｍ3/ｋｇ),ηｖｏｌ为容积效率,是实际输气量与理论输气量之比,ｃｐ和ｃｖ分别为制冷剂等压比热容和等容比热容(ｋＪ/(ｋｇ·Ｋ))。 2.2　翅片管模型在分布参数模型中,需要将传热管划分成若干个微元段,每个微元段的结构如图2所示。建模时假设:1)制冷剂在管内作一维轴向流动;2)只考虑制冷剂与管壁和空气之间的径向热交换,不计轴向的热传递;3)冷凝器管壁热容忽略不计;4)两相区,制冷剂气体和液体混合均匀;5)制冷剂气液看作不可压缩;6)空气和制冷剂在各点的参数和流量不随时间变化。其中,ρ为密度(ｋｇ/ｍ3),ｕ为速度(ｍ/ｓ),Ｍ为质量流量(ｋｇ/ｓ),Ｄｉ和Ｄｏ分别为管的内径、外径(ｍ),ｐ为压力(Ｐａ),ｆ为摩擦系数,ｈ为焓(ｋＪ/ｋｇ),ΔＬ为微元段长度(ｍ),Ｑ为热量(ｋＪ),下标1和2表示控制体入口和出口。制冷剂管内蒸发传热系数和压降的计算,选择Ｃａｖａｌｌｉｎｉ[9]总结的公式;对于空气侧人字形波纹片的换热系数,选择Ｃ.Ｃ.Ｗａｎｇ[10]总结的公式。 2.3　板式换热器模型在板式换热器的制冷剂和水侧进口处取一微元作为控制体,建立制冷剂和水的质量、动量和能量守恒方程。其中,ρ为密度(ｋｇ/ｍ3),ｗ为速度(ｍ/ｓ),ｆ为摩擦系数,ｈ为焓(ｋＪ/ｋｇ),Ａ为换热面积(ｍ2),ｍ为质量(ｋｇ),Δｘ为微元段长度(ｍ),ｑＲ为内部热量(ｋＪ),下标1和2表示控制体入口和出口。对于板式换热器制冷剂和水侧的换热和压降采用Ｍｕｌｅｙ[11]和ＹＡＮ[12]的公式。 3　仿真结果讨论在上述仿真模型的基础上,通过改变风量,同时调整干球温度、相对湿度,以及回路的连接方式等变量,仿真计算凝水量的变化,结果如表1～6所示。表1所示为相对湿度为90%,换热器逆流排列时,凝水量随风量的变化。随着风量的增加,凝水量先增加后减少,呈抛物线状,这种趋势不随干球温度的改变而改变。当风量为2.25ｍ3/ｓ时(对应的迎面风速为2.5ｍ/ｓ)时,凝水量达到最大值(表中灰色标识位置,定义为临界风量)。这说明风量对凝水量的影响应该与干球温度无关,虽然干球温度的改变能改变凝水量的绝对值。表2与表1的差别在于相对湿度从90%变为70%,干球温度依然不对凝水量的变化趋势产生影响,但临界风量从2.25ｍ3/ｓ减小到0.9ｍ3/ｓ(对应的迎面风速为1ｍ/ｓ)。宏观上的表现形式为凝水量随风量的增加递减,风量的增加有利于减少节霜。结合表1可以发现,风量对凝水量的影响应该受相对湿度的影响很大,因此表3讨论了相对湿度改变时风量对凝水量的影响。相对湿度的影响在表3中非常明显。相对湿度降低,最大凝水量对应的临界风量也降低,上述观点得到了证实。表4相对于表3的差别在于换热器回路形式从逆流变为顺流。相对湿度的影响依然很大,不过临界风量在顺流回路时会增加,凝水量的绝对值则降低一些。可见,换热器的回路连接形式也会改变风量对结霜量的影响。将表5和表6与表1和表2作比较,也证明了顺流回路对应的临界风量比逆流回路大。 4　结　论通过对仿真方法和结论进行分析,采用稳态模型替代动态模型,凝水量代替结霜量,同时考虑在不同的干球温度、相对湿度的条件下,针对风量变化对结霜量的影响进行了计算机建模仿真。仿真结果表明,结霜量最大值对应的临界风量不受空气干球温度的影响,但与相对湿度有很大的关系:相对湿度较低时,风量增加对提高蒸发温度的正面影响要大于空气中水分增加的负面影响,宏观上表现为风量的增加能减少结霜量;相对湿度很大时,负面作用在低风量时作用更加明显,而正面作用在高风量时则更加明显,风量增加时结霜速度是先增加后减小。另外换热器回路安排发生变化时,也会改变临界风量。因此,风量变化对结霜量的影响还与其他因素相关,如相对湿度、换热器结构等。以往的研究大多都是在某个特定的工况条件下,针对某个特定的换热器,改变风量来研究结霜量的影响,不同的工况条件以及换热器结构将得到不同的结论,这大概就是产生分歧的原因。

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