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翅片管式换热器除霜方式探讨点击：2076 日期：[ 2014-04-26 22:54:53 ] |
| 翅片管式换热器除霜方式探讨 张 杰 王厚华 摘 要：分析了结霜对制冷换热的影响,对各种不同的除霜方式进行了比较,利用吸风式风洞制冷实验台,进行了新型三对称大直径圆孔翅片管式蒸发器的结霜实验,分析了采用电热除霜的合理性,并探讨了电热除霜方式存在的问题,提出了改进措施,分析了其节能前景。 关键词:人工除霜,电热除霜,除霜效率 中图分类号:TU831.3文献标识码:A 文章编号:1009-6825(2010)02-0183-03 在蒸发器表面温度低于0℃时,蒸发器表面就会出现结霜现象,霜的形成会对蒸发器的换热性能和空气侧压降产生较大的影响。就蒸发器的换热性能而言,霜的影响作用主要体现在几个方面:1)霜的热导率比蒸发器金属材料的热导率小几个数量级,霜在蒸发器表面沉积将会增加热阻;2)蒸发器表面结霜后,内部空气流道截面积缩小,阻力增大从而使得流量减小;3)结霜初期,间断的霜粒使换热表面变得粗糙,换热性能有所改善,但当霜粒形成霜层后,就会影响换热效果;4)霜的积聚会部分填充翅片和管子之间的空隙,从而减小翅片和管子的接触热阻。从上可以看出,霜对蒸发器换热既存在正面影响也存在反面影响,是一个复杂的综合效应作用下的动态过程。 总结相关研究结果可以得到如下结论:1)在结霜初期传热系数逐渐增大,这可归结为霜开始形成时表面粗糙度增大,使传热面积增大,同时气流扰动增强。2)随着霜层逐渐增厚,热阻随之增大,传热系数减小。3)传热系数受相对湿度影响较大,相对湿度高,则传热系数大。当霜层增厚时,传热系数减小。 1·常用除霜方法 1)人工除霜。操作人员手拿清除工具直接在蒸发器的表面上去除凝霜的方法称人工除霜,一般适用于大型冷藏库。人工除霜的特点是落霜不融化,在除霜过程中蒸发器也可照样正常工作,基本不影响库房温度的恒定,所以最适合于冻结物冷藏间的排管除霜。但融霜时人员要进入库内操作,工作条件较差,且要增加人员发热耗冷量和人工费用。 2)水冲霜。将喷水管装于蒸发器的上方,除霜时通过喷水管向霜层表面均匀喷射带有一定压力的水,这种除箱方法称为水冲霜。水冲霜方法只能用于冷风机的除霜,一般和热气融霜结合应用,单独使用时只适合于冷风机结霜速度慢、霜层比较薄的情况,水冲霜的优点是除霜操作简单且易于实现自动控制,缺点是电耗水耗较大,除霜成本较高。 3)热气融霜。由于目前多数食品冷库用氨制冷系统,所以热气融霜又称热氨融霜。该方法是把蒸发器作为冷凝器使用,利用四通阀实现转化。融霜前必须排除蒸发器里原有的低温制冷剂液体,因此热氨融霜的制冷系统需要设置排液设施来承接融霜前蒸发器内的残液和融霜过程中热气凝成的液体。 4)电热融霜。电热除霜是用电加热提供化霜热,多用在翅片管式冷风机上,适合于小型制冷装置或单个库房。电热元件附在翅片上,为了防止融化后的霜水在排出库房之前再次结冰,还必须在接水盘和排水管上系绕带状加热器,融化后的霜水应及时排到库外。电热除霜具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点,在小型装置上广泛采用。主要缺点是耗能,单纯用电热来融化霜层的除霜方法是所有方法中能耗代价最高的。在大中型冷库的制冷系统中一般很少使用纯热电融霜的方法。 5)压缩空气除霜。连续冻结式食品速冻装置在工作期间的中途除霜(一般用热气融霜+水冲霜)会严重影响装置的生产能力,浪费生产资料和提高生产成本(因为除霜期间生产工人要原地待命)。无霜式速冻装置的问世解决了“中途除霜”的各种弊端。这种速冻装置采用压缩空气巡回式喷射蒸发器表面,随时清除蒸发器表面的微小凝霜,使蒸发器表面始终保持“无霜”的状态。这是一种针对特殊生产工艺的除霜方法,它的优势在于保证制冷系统的连续工作,从而提高装置的日产量。但由于需要压缩空气,融霜过程也是比较耗电的,另外装置的价格昂贵也是一大缺点。 2·除霜能耗 2.1 蒸发器除霜时输入的总热量 Q=Q1+Q2+Q3+Q4。 其中,Q1为霜层溶解成0℃的水所需的热量;Q2为蒸发器、水盘、金属框架升温的加热量;Q3为蒸发器盘管内残存制冷剂工质的吸热量;Q4为对周围环境的加热量。 从达到良好的除霜效果和节能的角度考虑,除了Q1是必要的,Q2,Q3,Q4的值应越小越好。因为当库房投入正常运行时,这部分的热量必须要消耗制冷量来抵消,这将付出不必要的能耗。为了降低这部分附加能耗,可以采取一系列相应的措施。 2.2 除霜效率η 除霜效率η为霜层融化成0℃的水所需热量Q1与除霜时所需的总热量Q的比值,即： 电热融霜是由盘管的外部加热,而热气融霜可以从霜层内部加热,霜容易从冷却表面脱落,所以实际上融霜的热量比理论值小得多。同时,霜层融化由内到外,在融霜初期没有水蒸气向蒸发器外逸出。只有当霜融化脱落后,肋管上的热才向外辐射,但此时除霜阶段也趋于结束,因此与库内及周围围护结构的换热量少,其除霜效率比较高,热气除霜操作复杂,只适用于制冷剂直接蒸发系统。 2.3 霜的融化热Q1 Q1=Gf×[Cpf(tf-0)+rf]。 其中,Gf为欲被融化的霜层重量,kg,可根据蒸发器的外表面积、霜层厚度和霜层的平均密度计算得到;Cpf为霜层的平均比热;tf为霜层的平均温度,根据情况在蒸发温度和冷库温度之间取值;rf为霜的融化热。 3 新型三对称大直径圆孔翅片管式蒸发器的结霜实验 3.1 新型翅片的节能情况 经过反复实验的比较,三对称圆孔翅片的强化传热效果最好,主要表现在:1)与平翅片相比较,制冷量最大提高了16.87%,平均提高了9.1%。2)翅片表面传热系数与矩形平翅片相比,最大提高了80.15%,最小提高了49.66%,平均提高了64.29%。3)能效比COP值最大提高30.16%,最小提高14.95%,平均提高22.93%。 3.2 实验目的 通过结霜实验,掌握新型翅片管式换热器的结霜特征。针对其特征对电热除霜方式进行改进。即研究电热除霜管的布置方式及其布置位置,提出高效的除霜方法,这种方法既要节省电能,又要有利于换热。 3.3 新型翅片管式换热器结霜情况 实验中,三对称圆孔翅片管式蒸发器的结霜一开始是沿基管的表面向管的径向方向增厚,同时基管表面的结霜量明显厚于翅片表面,原因如下:制冷剂是下进上出的,下部基管与节流阀相连接,从节流阀流出的氟利昂含气量较低,制冷能力更强;再则由于重力的作用,凝结水从翅片的顶部往下流,汇集到底部上。压缩机运行3 h后,翅片管上的结霜量明显增大,基管中间部分的空气流道有明显的堵塞现象,这部分翅片表面积满了霜,基管上的霜已相互连在一起。另外翅片管表面霜层分布非常不规则。压缩机运行5.5 h后停止时,整个气流通道2/3面积积满了霜,换热效果已严重恶化,同时蒸发器的阻力也很大,必须进行除霜。这时,蒸发器底部的翅片管表面的结霜量明显比其他地方厚,而且越靠近铜管翅片上的霜层越厚。另外由于圆孔对气流的扰动,翅片管中心部位翅片的积霜量也明显增多。整个翅片管的中心和底部部位已被霜层堵塞。 4 结语 实验中,制冷换热器由三排翅片管组成。运行结束后,第一排翅片已结满了霜;第二排翅片结了很少量的霜;第三排翅片未结霜。针对这一结霜特征,电热除霜管只布置在第一排翅片上,而第二、三排翅片因只结了很少量的霜或不结霜而不用布置除霜管。在布置除霜管时,可以采用特定的布置方式,使得除霜管在起到除霜作用的同时还能强化换热效果,进一步提高制冷系统能效比。由于除霜管是针对了制冷换热器的结霜特征进行布置的,只在第一排翅片布置即可节约全部布置2/3的电能。在接下来的试验中,我们将对换热器的结霜规律进行进一步总结,根据结霜的规律提出具体的电热除霜管布置方式。结合结霜和除霜特征,找出最佳除霜点,进行合理配置,从而提高电热除霜的效率。参考文献:[1] 王厚华,高建卫,彭宣伟.圆孔翅片积霜工况下的制冷性能实验[J].重庆大学学报,2007,30(5):69-71.[2] 方赵嵩.圆孔翅片管式制冷换热器的节能性能研究[D].重庆:重庆大学硕士论文,2008.[3] 许东晟,陈汝东.除霜和除霜控制研究[J].流体机械,2006(6):22-24.[4] 庄友明.冷库除霜方法及除霜能耗分析比较[A].第七届海峡两岸制冷空调技术交流会[C].2000.[5] 庄友明.制冷装置设计[M].厦门:厦门大学出版社,1999.[6] 阚 杰,郝 亮,李 涛,等.间接制冷系统中除霜、能耗及温室效应的比较[J].制冷与空调,2005,3(5):34-36.[7] 苏 生.制冷装置除霜研究[D].上海:同济大学硕士学位论文,2001.[8] 杨自强.冷风机结霜特性的试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1997(1):19-22.[9] 童军茂.冷风机自动除霜控制方法分析[J].制冷技术,1994(4):36-39.[10] 朱瑞棋.制冷装置自动化[M].西安:西安交通大学出版社,1995. |
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