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肋片管式换热器过饱和假设下结霜数学模型的建立点击：1701 日期：[ 2014-04-26 22:21:21 ] |
| 肋片管式换热器过饱和假设下结霜数学模型的建立 王芬芬 王长庆 (同济大学供热、供燃气、通风及空调工程 上海201804) 摘要:在空气和霜层之间为过饱和空气假设的基础上,针对平肋肋片管式换热器的结霜过程,建立了数学模型,考虑了霜层密度变化和霜层阻力引起空气流量减小等因素,并将结霜模型与换热器传热特性模型有机地结合起来。 关键词:过饱和;数学模型;霜密度;换热器特性 中图分类号:ＴＫ124 文献标识码:Ａ 文章编号:1005 7439(2007)03 0160 03 由于空调在冬季运行时,蒸发器的表面往往会结霜,其多孔疏松结构的热阻严重阻碍蒸发器与空气之间的传热,当霜层较厚时,还会阻碍气流的流通,导致空气压降的增大,风机的气流量减少。霜层引起的这种导热能力下降、气流量减小和蒸发器的性能的下降,可以用数学模拟的方法进行研究,前人也已经作了一些有益的尝试,其中霜层中的空气饱和性是关键因素之一。 Ｂｒａｉｎ等[1]在计算空气与霜层之间质量流量时作了霜层表面水蒸气为饱和的假设,然后在此基础上根据饱和曲线决定霜层表面水蒸气的饱和压力从而作为霜上水蒸气的压力,这一假设已被许多学者采用。Ｍａｏ等找出了霜增长过程中质交换系数的经验关系式,可是这个关联系数建立在冷表面而不是霜层表面基础上的。Ｎａ和Ｗｅｂｂ[2]在把饱和模型与试验数据进行比较后,指出采用饱和模型假设计算出来的空气进入霜表面的质通量偏差很大,因此提出过饱和的假设,并利用边界层分析法,得到过饱和度的简化公式;吴小敏[3]等通过实验也发现冷面上湿空气中水蒸汽分压远高于冷面温度所对应的饱和蒸汽压力;这些都印证了过饱和假设的正确性。本文准备在前人霜层表面与主流空气间为过饱和空气假设的基础上,考虑霜层密度变化和霜层阻力引起空气流量减小等因素,并与换热器特性研究结合起来,建立肋片管换热器的结霜数学模型,以便今后可以对结霜量随时间的变化和霜层密度的变化及换热器特性进行模拟和研究。 1 结霜的物理模型和假设 根据动量、能量和质量传递原理,模拟肋片管式换热器空气侧结霜时传热传质的过程。模拟时作了如下假设:①霜层表面与空气间为过饱和空气,并用过饱和度Ｓ≡(Ｐｖ-Ｐｖｓ)/Ｐｖｓ[2]来度量过饱和状态,Ｐｖ和Ｐｖｓ分别为空气与霜层之间水蒸气分压力及对应温度的饱和水蒸气压力;②结霜过程视为准稳态过程,即在时间内空气流动稳定,空气及霜层的物性也视为常数;③由于肋片和管壁的热阻远小于霜的热阻,故管壁和肋片在厚度方向上的导热可忽略不计,由霜层传入肋片的热量当作内热源来处理,并且结霜过程中,蒸发温度恒定;④忽略霜与空气之间的辐射换热。霜层生长的物理模型见图1。 如图1所示:空气传到霜表面的显热是它们的温差作为动力的,空气传到霜层的水蒸气量是以它们的浓度差为动力的。空气中的部分水蒸气沉积在霜的表面转化为固态,并使霜层生长,同时相变释放的热量通过霜层传递;其余部分水蒸气向霜层内部扩散,在霜层内改变相态,潜热在霜层内部通过导热进行传递,霜层内部的密度也因此增加。 2.2 换热器结霜时的能量方程 能量方程考虑在控制容积内的能量守恒,包括通过霜层的显热传递的和水蒸气相变的潜热传递的过程中的平衡。霜层表面传递的显热为: 方程(12)要求的霜温度边界条件分别为冷表面温度和霜表面温度,并与霜表面的热质交换有关。 2.3 霜的导热系数 根据两种有限的模型(平行模型和系列模型[5])按下式计算导热系数: 式(1)～(19)为肋片管式换热器过饱和假设下结霜数学模型的建立。对上述偏微分方程进行离散求解,便可以对空气源热泵冷热水机组室外换热器结霜过程进行分析。 4 结论 本文在分析结霜机理的基础上,根据霜层内的空气过饱和的假设和根据质量、能量守恒方程,建立了肋片管式换热器结霜的数学模型,可以用来对霜层特性和肋片管式换热器特性的进行模拟分析,该模型精确度相对较高,计算结果分析将另文论述。 |
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