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霜形成對翅片管換熱器空氣側表面傳熱系數影響的實驗研究

點擊:1448 日期:[ 2014-04-26 21:35:44 ]
          霜形成對翅片管換熱器空氣側表面傳熱系數影響的實驗研究                             陳瑞球1,周廣2     (1.天津商學大學天津市制冷技術重點實驗室,天津300134;2.廣東技術師范學院天河學院,廣州510540)     摘要:在空冷系統中,換熱器空氣側的表面結霜問題是影響其應用和發展的主要問題。通過對結霜條件下翅片管換熱器空氣側換熱性能的實驗研究,得出了空氣濕度、翅片間距、風速等參數變化對空氣側當量表面傳熱系數的影響;結果表明在一定的范圍內,結霜前期h0值隨結霜時間τ急劇下降,在結霜后期,這些參數對h0值的影響大為削弱。     關鍵詞:換熱器;翅片管;結霜;當量表面傳熱系數     1 引言     在低溫環境中,換熱器表面結霜問題是冷卻設備的設計和運行階段必須考慮的一個主要因素。當換熱器空氣側的表面溫度低于周圍濕空氣的露點溫度且低于0℃時,霜就會在換熱器空氣側的表面上形成。霜的出現和不斷增長將會使濕空氣流道逐漸變窄,風量不斷減少,從而直接使換熱器空氣側的表面傳熱系數降低,導致換熱器傳熱效果變差。因此,在空冷系統中,結霜對換熱器傳熱性能的影響得到了各國學者廣泛和深入的研究,并獲得了許多理論和實驗成果[1-5]。但由于在霜形成過程中,空氣流動與霜形成之間是相互影響的,目前關于霜形成對換熱器空氣側表面傳熱系數影響的研究較少。因此,本文把研究的重點放在空氣側。     2 實驗裝置及實驗內容     整個實驗裝置是由吸風式低溫風洞、供冷系統及測試系統三部分組成。低溫風洞中設有送風系統、輔助換熱器、加熱加濕處理器和試件等設備,如圖1所示。供冷系統采用主供冷系統和輔助供冷系統,為了得到比較穩定的溫度值,供冷系統全部采用質量濃度為50%的乙二醇水溶液作為冷媒,向試件和輔助換熱器供冷。測試系統中主要有對溫度、風速、流量、濕度和霜厚度等參數的測量。具體的測量方法和使用的儀表見文獻[6]。                    實驗所用試件為盤管-套片式換熱器,由紫銅管和鋁質平翅片經機械脹管構成,外形尺寸為300×80×270mm。其具體結構參數如下:管排數(叉排,沿氣流方向): 3排;面管數(垂直氣流方向): 10個;橫向管間距: 21. 5mm;縱向管間距25mm;翅片間距:δ=4, 6, 8mm;翅片厚度: 0. 3mm光滑管外經:d0=10mm;光滑管內徑di=8.5mm。     實驗過程中先通過輔助供冷系統向輔助換熱器供冷,待風洞中如溫度、濕度等控制參數達到設定值后,啟動主供冷系統向試件開始供冷進行實驗,此時風洞中的空氣在風機的作用下,依次流過輔助換熱器、加熱加濕器、回風道和整流穩定段后,掠過翅片管換熱器,與之進行熱質交換后,流回風機,完成一個循環。在保證試件入口空氣溫度基本穩定的條件下,通過依次改變空氣的速度va,空氣的入口相對濕度ψ和翅片間距δ來研究結霜對翅片管換熱器空氣側表面傳熱系數的影響。     根據換熱器傳熱過程的特點,冷媒流過換熱器時吸收的熱量為:                               但是,對于一個封閉系統,根據質量守恒原理,Mf也為在Δτ時間內向空氣中的直接加濕量。當兩者之間的偏差小于±5%以內時,其測量數據有效,可取兩者的算術平均值作為最后結果。     3·實驗結果和討論     實驗過程中,在保證其它參數基本不變的條件下,依次通過空氣相對濕度ψ、片距δ和風速va的變化,來討論它們對換熱器空氣側當量表面傳熱系數h0的影響。其整理后的實驗結果如圖2~4所示。                               3. 1空氣相對濕度ψ對h0的影響     圖2為片距8mm,在三個不同ψ值條件下換熱器h0值隨時間的變化曲線。從圖中可以看出,在實驗時間段內,小ψ值時的h0最大;且在結霜的初始期,由于ψ值越高,質量傳遞能力越強,霜的生長速度越快,霜厚增長迅速,霜的導熱熱阻快速提高,因而導致h0值隨時間急速下降;在相同的結霜時間點,不同ψ值條件下h0值彼此相差較大。但在結霜時間τ>100min后,隨著時間的增長,霜的生成速率減緩,其霜厚增加形成的導熱熱阻增長速率下降,因而h0值的下降較緩慢,彼此之間的差值較小。     3. 2 片距對h0的影響     圖3所示為片距變化對h0的影響曲線,其結果表明,在其它參數基本相同的條件下,在結霜80min以內時,由于結霜厚度的迅速增加,而使h0值隨時間迅速下降,且在某一時間段內,h0片距8mm>h0片距6mm>h0片距4mm,這表明在結霜初期大片距有利于熱、質的傳遞過程。但在τ>80min以后,片距分別為6mm和8mm的換熱器的h0值非常接近,其主要原因在于,由于結霜初期片距越大其結霜速率越大,以致于在τ>80min以后,兩者由于前期霜厚的增長速率不同而使凈的空氣流通截面相差不大,因而使h0值比較接近;這說明在一定的片距范圍內,結霜后期片距對h0值影響不大。     3. 3 風速對h0的影響     關于風速對h0值的影響,圖4的實驗結果表明,在開始結霜的20min內,h0值隨風速的提高而增大,隨著霜厚的快速增長而急劇下降;在結霜20min以后,由于風速越大其霜厚度增加越多,使空氣流通凈面積減少越大,空氣側的壓力降增加得越快,因而造成在某一時間段內風速越大h0值越小的結果,但彼此間差距不大。在結霜160min以后,風速對h0值的影響已經很小。     4·結論     關于結霜對翅片管換熱器空氣側當量表面傳熱系數h0的影響,上述的實驗結果表明:在結霜時間τ≤80min內,低濕度、高風速,大片距的h0值較大;且在這一時間段內,由于結霜速率較快,結霜厚度增長較多,使導熱熱阻較快增加,因而使h0值隨結霜時間快速下降。在結霜時間τ>80min以后,隨著換熱器中空氣流通凈面積的不斷減少,在某一片距,濕度范圍內,其片距、濕度和風速對h0值的影響已很小。     參考文獻:略
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