板翅式换热器热通道是如何结霜的？

结霜是制冷与低温领域常见的一种现象，往往发生于湿空气中的冷表面上。换热器的换热效果随着霜层厚度的生长逐渐变差，间接影响了系统换热性能，所以掌握不同换热器表面结霜过程的规律，对于提高系统换热性能和除水特性极为重要。大多数结霜研究集中于采用数值方法预测霜层特征参数如厚度、密度、导热系数等，并不断扩充其适用范围，以及通过实验方法研究了霜层生长的影响参数。

    本文基于热质交换的Lewis类比理论，将板翅式换热器的非稳态传热特性和结霜过程的热质交换相结合，通过数值方法确立了板翅式换热器热通道非稳态结霜的数学模型。针对空气制冷机开式循环中工质空气含湿的特点，对板翅式换热器热通道内非稳态复杂边界条件下霜层的生长过程、霜层厚度和结霜区域变化特征以及结霜对板翅式换热器非稳态性能的影响进行了分析。

1、结霜模型的建立

为了简化模型，本文做出如下假设：

①结霜仅发生在板翅式换热器翅片的一次表面上，霜层充满整个翅片间距，且在同一个控制容积内霜层厚度均匀分布；

②结霜过程是准稳态的；

③霜层的物性如密度和导热系数用平均值来表征；

④霜层内的热量传递是沿厚度方向的一维导热。

结霜过程的传热传质方程结霜过程中，由于空气中的水蒸气在传递压力的作用下不断向冷表面移动并凝结，表面霜层能够得到不断的生长。 根据对流传质特点，结霜过程的质量传递速率为：

式中：ｈ _ｍ 为对流传质系数；Ｃ _ｈ 、Ｃ _ｓ 为水蒸气的体积分数。

计算对流传质速率的关键在于确定对流传质系数，其与流体的性质、流速、壁面的几何形状和粗糙度等都有关。热质传输的类比理论认为，流体流经物体表面、与物体表面有质量和热量交换时，可由传热系数计算传质系数。Lewis关系式为：

式中：ｈ为对流换热系数；Ｌ _ｅ 为Lewis数；ρ为空气密度；ｃ _ｐ 为空气比热容；ａ为热扩散系数；Ｄ为质扩散系数。

根据式（１）（２），忽略霜层表面湿空气中的水蒸气，并引入理想气体状态方程，可得：

式中：ｐ为空气压力；Ｔ _ｈ 为空气温度。湿空气和霜层之间的热交换量由两部分组成：一部分是显热，即湿空气和霜层之间的对流换热引起的热量传递；一部分是潜热，即由质传递水分凝华所释放的热量。引入扩散传热系数来计算潜热流的大小，总的热交换量为：

式中：ｑ为换热量；Ｔ _ｆｒ 为霜层表面温度；γ _ｆｒ 为水蒸气的凝华潜热；ｈ _ｓ 为扩散传热系数。

2、影响分析

2.1 来流湿空气流速的影响

 

换热器入口通道截面积固定不变，所以设定不同的来流湿空气流速可以得到不同的质量流量。在分析来流湿空气流速的影响时，热通道进口湿空气相对湿度设定为60％，流速分别设定为0.8、1.2、2.0ｍ/s。下图给出了不同来流湿空气流速时，霜层在换热器热通道内的生长情况。由图可知，60min时结霜区域霜层的最大厚度分别为2.4、2.5、2.6ｍｍ，平均厚度分别为1.67、1.86、2.07ｍｍ，随着流速、流量的增大，相同时间内的结霜区域变小、霜层厚度增加。流速增大时，虽然对流换热增强，但是质量流量也同时增加，由于流速增大所引起的对流换热增强产生的影响不及因流量变化产生的影响大，热空气降温变缓，稍晚达到结霜条件，所以结霜区域变小。同时，根据热质交换的类比理论，对流换热增强，传质系数也会增大，使水蒸气的沉降量增加。但是， 由于随着流速增大，霜层平均密度也增大，所以霜层最大厚度变化不明显。流量越大，湿空气所含水蒸气的绝对数量越多，越有利于霜层的形成与生长。

2.2 霜层生长对换热器效率影响的理论分析

设定入口相对湿度为60％、进口风速为0.8ｍ/s来研究霜层生长对换热器的影响。通道各单元温度随霜层生长的变化趋势如下图所示。由图可知，随着时间变化，霜层厚度增加，换热器热端出口温度持续上升，而冷端出口温度持续下降，霜层表面与隔板的温差也越来越大。

用有霜层时的换热量跟无霜情况下换热量的比值来表征换热器的效率，换热器的换热效率及通道压降随着霜层厚度的变化趋势如下图所示。由 于霜层会占据部分空间，所以随着霜层厚度的逐渐增长，热通道的流通截面积减小，空气流速上升，使得对流换热稍有增强，但同时霜层热阻也增大，大大减弱了冷热通道的换热量，因此整体上表现为换热效率降低。 此外，霜层使得流动阻力明显增大，降低了气流出口压力，更为严重时会堵塞换热器流道，系统彻底无法运行。

3、结论

本文对板翅式换热器热通道的结霜特性进行了数值分析， 主要结论如下:

（1）基于建立的数值模型，分析了影响霜层生长的主要因素：流速越大，相应流量越大，霜层增长的速率越大，结霜区域越小。

 

（2）随着霜层厚度增长，板翅式换热器热端出口温度和霜层表面温度上升，冷端出口温度和隔板温度下降，当热通道内霜层平均厚度累积到1.5ｍｍ时换热器效率下降约10％。

 

版权声明：本文内容参考《板翅式换热器热通道结霜过程的数值模拟》，作者：任政,张兴群,邵致远,龚建英,赖天伟,侯予，由制冷空调换热器技术联盟编辑整理，转载请注明来源。