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1、空調換熱器結霜管理
摘要采用空氣源熱泵冷熱水機組的動態(tài)數(shù)學模型對空氣側換熱器的結霜工況進行了模擬。模擬中同時考慮了結霜的密度和厚度隨時間的變化，首次提出了結霜密度隨時間的變化關系式。計算了不同工況下的結霜速度、霜的密度、霜的厚度隨時間的變化。將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，進一步驗證了所建模型的正確性。
關鍵詞空氣源熱泵冷熱水機組結霜動態(tài)模擬
1前言
空氣源熱泵冷熱水機組作業(yè)中央空調的冷熱源有很多優(yōu)勢，如冬夏共用，設備利用率高；省去了鍋爐房和一套冷卻水系統(tǒng)；機組可安裝在室外，節(jié)省了機房的建筑面積；不污染環(huán)境等。因此該機組在氣候適宜地區(qū)的中小型建筑中得到了廣泛地應用。但機組在冬季運行時，
2、當空氣側換熱器表面溫度低于周圍空氣的露點溫度且低于0℃時，換熱器表面就會結霜。結霜后換熱器的傳熱效果急劇惡化，嚴重時機組會停止運行。因此換熱器結霜是影響機組應用和發(fā)展的主要問題，研究機組在結霜工況下的工作性能具有十分重要的意義。
2．結霜模型的建立
霜的積累速率是由進出室外換熱器空氣濕度的變化決定的：
式中：----空氣的質量流量，kg/s；
di，d0----分別為空氣進、出換熱器的含濕量，kg/kg。
由于霜的多孔性和分子擴散作用，在表面溫度低于0℃的換熱器上沉降為霜的水分一部分用以提高霜層的厚度，一部分用以增加霜的密度【1】，即
式中用于霜密度變化的結霜量變化率由下式確定【2
3、】：
式中：----換熱器的全熱交換量，W；
iSV----水蒸氣的升華潛熱，J/kg；
λfr----霜的導熱系數(shù)，W/對于每一個時間步長Δt，霜密度的變化和厚度的變化為：
式中：At----換熱器的總換熱面積，m2；
δt----霜層的厚度，m。
3模型的求解
我們對空氣側換熱器后個換熱單元在不同工況下的結霜情況進行了模擬計算，該單元的結霜情況可以反映出整個換熱器的結霜情況?？諝鈧葥Q熱器由160個這種換熱單元組成。計算的換熱器單元結構參數(shù)見表1，計算工況見表2。
換熱器單元的結構參數(shù)表1
管材銅管徑Φ0.15風向管排數(shù)4
迎風管排數(shù)20管間距S125.4管間距S222m
4、m
翅片材料鋁片型波紋片片厚0.2mm
片間距2.0mm翅化系數(shù)17.8單根管長16m
分液路數(shù)10
在求解結霜的動態(tài)模型時，必須考慮結霜的密度和厚度隨時間的變化，但在以往的結霜量計算中，均未同時考慮結霜的密度和厚度隨時間的變化。如Д.А.Чирен-ко【3】建立了空冷器上結霜的數(shù)學模型，并將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。由于假設霜層均勻分布，且霜的厚度隨時間線性增加，而霜的密度不隨時間變化，使得模擬霜的厚度比實驗值大20%～30%。
計算工況表2
工況編號空氣溫度
1A0651062-1355050.0096
B0751062-1355050.0096
C0851062-
5、1355050.0096
2D-4651062-1355050.00816
E-4751062-1355050.00816
F-4851062-1355050.00816
本文根據(jù)一些實驗數(shù)據(jù)和結霜密度的變化規(guī)律，首次提出了結霜密度隨時間的變化關系式，并認為在剛開始結霜時，結霜量度要是增加霜的厚度，而密度變化很小。隨著時間的推移，霜厚度的增加變緩，而密度變化增加，而且霜的密度隨時間呈拋物線規(guī)律變化。
由穩(wěn)態(tài)模型和公式式中為結霜的時間，min。
為驗證所建的換熱器結霜模型正確性，將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，我們采用文獻【4】中的實驗數(shù)據(jù)。實驗是日本工業(yè)標準實驗工況1.585-7.
6、53.3
模擬工況085-132.5
由于實驗工況與模擬工況換熱器的換熱面積不同，因此單純地比較結霜量的變化是沒有實際意義的。為此提出了單位換熱面積結霜量的概念，即結霜量與總換熱面積之比。實驗工況與模擬工況的單位換熱面積結霜量變化見圖1。由圖可見，模擬值與實驗工況的條件略有差異造成的，因為模擬工況的蒸發(fā)溫度比實驗工況低，且迎面風速小，而蒸發(fā)溫度越低，結霜量越多；迎面風速越低，結霜量也越多。這兩方面的因素造成了模擬值略大于實驗值。通過比較進一步驗證了所建模型的正確性。
圖2為空氣溫度一定3T.Senshu,H.Yasuda.HeatPumpPerformanceunderFrostingConditions:partI:-HeatandMassTransferonCross-finnedTubeHeatExchangersunderFrostingConditions.ASHRAETrans,1990,96(1):324-329
4T.S.Gatchilov.翅片式空氣冷卻器表面結霜的特性，第十五屆國際制冷大會論文譯叢（中冊），制冷學報編輯部，1981：356～362。
空調換熱器結霜管理
