毕业设计-制冷专业毕业设计外文翻译-结霜工况下强制对流换热器的翅片性能(终稿)

山东建筑大学毕业设计说明书PAGE9-中文译文：结霜工况下强制对流换热器的翅片性能摘要在本文中，经过修改的模拟结霜工况下风机供风翅片式换热器的热交换翅片上霜增长的数值模型已经得到证实。结果发现，制冷换热器上结霜导致翅片热流量、气流速度和翅效率的急剧下降，以及压降的增大。精确地研究显示改变几个设计参数（其中包括风机的型式）的影响。2002年Eldevier科学有限公司和IIR。保留所有权利。1.介绍对制冷系统、空调设备以及空气对空气型热回收系统来说，翅片式热交换器结霜是一个常见问题。在这些系统中，结霜对制冷换热器来说是最重要的性能影响因素。换热器表面结霜对热交换器的热工性能的影响有好几个方面。1.换热器表面结霜增大了翅片与气流间的热阻，从而降低了制冷系统用热交换器的冷却能力。对于气流速度以及气流与翅片表面的温差给定的情况，一定厚度的霜层会降低热流量，这是因为霜层的实际导热系数很小并且霜层间会形成温差。2.热交换器表面结霜使得通过换热器的气体量大大减少、气体压降大大上升。根据风机的特性，在连续结霜数小时后，气流的路径会变短甚至会被完全堵塞。主要符号SKIPIF1<0总表面积，SKIPIF1<0SKIPIF1<0基管表面积，SKIPIF1<0SKIPIF1<0最小流通面面积，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片面积，SKIPIF1<0SKIPIF1<0迎风面面积，SKIPIF1<0SKIPIF1<0压力损失修正系数SKIPIF1<0摩擦系数SKIPIF1<0翅的比热容，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜的比定压热容，SKIPIF1<0SKIPIF1<0空气的比定压热容，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜层实际气体扩散速度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜表面实际气体速度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0管内径，SKIPIF1<0SKIPIF1<0穆迪（或达西）摩擦系数SKIPIF1<0翅高，SKIPIF1<0SKIPIF1<0对流传热系数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0对流传质系数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0升华潜热，SKIPIF1<0SKIPIF1<0无霜对流传热系数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0入口流体收缩损失系数SKIPIF1<0出口气体膨胀损失系数SKIPIF1<0霜的导热系数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片的导热系数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅长，SKIPIF1<0SKIPIF1<0相变速度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片数SKIPIF1<0充分发展流的努塞尔数SKIPIF1<0局部努塞尔数SKIPIF1<0大气压强，SKIPIF1<0SKIPIF1<0普朗特数SKIPIF1<0气体体积流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0光管热流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0单翅片热流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0基面总热流量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0结霜下单翅片热流量,SKIPIF1<0SKIPIF1<0基面总传热量变化，SKIPIF1<0SKIPIF1<0以内径为特征尺度的雷诺数SKIPIF1<0当地舍伍德数SKIPIF1<0方程15、16的源项，SKIPIF1<0SKIPIF1<0时间，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅间距，SKIPIF1<0SKIPIF1<0温度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅间气流平均温度，KSKIPIF1<0翅表面温度，KSKIPIF1<0翅间平均气流温度，℃SKIPIF1<0基面温度，℃SKIPIF1<0入口气流温度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0出口气流温度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅间气体平均速度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0迎风面风速，SKIPIF1<0SKIPIF1<0入口气体湿度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0湿度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片间气体平均湿度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜表面湿度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片入口气体含湿量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0坐标，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片出口气体含湿量，SKIPIF1<0SKIPIF1<0坐标，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜内空气体积分数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0坐标，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜内冰的体积分数，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜层厚度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0平均测量霜层厚度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片霜层平均厚度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0无翅区霜层平均厚度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅厚，SKIPIF1<0SKIPIF1<0空气动力粘度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅效率SKIPIF1<0空气密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0平均测量霜密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0冰密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0蒸汽密度，SKIPIF1<0SKIPIF1<0翅片压降，SKIPIF1<0SKIPIF1<0测得翅间平均压降SKIPIF1<0空气经翅片的温变，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜层厚度变化，SKIPIF1<0SKIPIF1<0沿翅片空气的湿度变化，SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜的密度变化，SKIPIF1<0SKIPIF1<0沿翅片压降的变化，SKIPIF1<0SKIPIF1<0通过基面的总热流量，SKIPIF1<03.为了维持积霜换热器的良好性能，定期或循环融霜来防止霜的累积是必需的。通常情况下，在除霜周期内，制冷系统将被关闭，同时热量将热交换器加热到冰点以上。Niederer指出工质携带的热量中只有15％至20％的用于融霜。其余的热量有的提高了换热器的温度，有的则直接散失到周围的环境中。在融霜周期中蒸发的水通常又会在下一个结霜时间凝结回到热交换器表面。与无霜工况相比，由于结霜的缘故，相同的冷量下，目前工业用制冷系统的尺寸要大50％，同时同一个系统平均要多输入25％的能量。制冷换热器设计人员需要知道霜的累积速度，以及它与气流阻塞、压力损失、热效率的关系。对翅片管换热器结霜过程的研究表明，结霜过程随空间与时间有较大的变化，这些变化由换热器的设计参数与运行工况而决定。在过去超过50年间，发表的关于换热器表面结霜的研究论文近150篇。O′Neal、Tree和Padki总结了许多的这类文献。以前的研究大多不涉及表面结霜模型的发展，而是致力于金属平板表面结霜的简单的不变的特性模型，或是监测典型换热器的结霜特性。很少有研究涉及结霜时的压降与气流变化。过去关于热交换器与传热表面结霜的研究为结霜热交换器的设计起到了指导作用，但是不能为设计效果提供详细预测。没有任何一个研究是关于发展翅片表面精确结霜模型的。数字模型是很重要的，因为它们不仅能模拟一个广泛的运行工况，而且能很好的解释实践中很普遍但实验研究中不切实际的时间因素对运行工况的影响。一经验证，数字模型对于热交换器运行工况设计与优化很有作用。最近，学者们对结霜工况下热交换器得性能做了更多的研究。一个用于预测热交换器翅片结霜的数学模型已经在Chen等人的研究中被提到。该模型已经经过实验数据证实并且在Thonas与Chen等人发表的文献中也被提到。在这些实验与数值研究中，每次实验时都保持气流速度恒定。这种恒定气流速度的条件在风机驱动的热交换器中是不可能的。本文中，对于相同布置的热交换器，由Chen发展的数值模型经过修改后比以前的更加符合事实情况。因此，正如Chen的研究中所讨论的那样，这种模拟结果的精确度更高。根据对一种典型风机曲线的研究，恒定的气流经过热交换器后变得各式各样。从而，这种对结霜工况下热交换器特性的模拟结果仍有待保留与商榷。2.数值模拟2.1问题陈述与分析图1显示了系统布置简图。风机布置在热交换器翅侧表面之前，驱动气流穿过结霜的热交换器。图2为低温环境中冷基面（即﹣40℃左右）、供冷空气﹙即﹣20℃左右﹚以及高相对湿度﹙即90％左右该处呈现的热交换器的布置与翅片管式热交换器的不同，这是因为翅片安装在冷平板基面（如图2所示）。正如Thomas在论文中解释的那样，对于每一个热交换器翅上霜的高度高确定性的的实验测量，这种型式的布置最为方便。这是唯一一种现存的已经证实的结霜数值模型的翅片热交换器布置方式。为了适应与验证复杂几何形状翅片管式热交换器的模型，就需要进行更多的实验与理论模拟研究。同时，验证过的模型能够用于显示结霜工况下典型热交换器的一些重要的特性。如图2所示，模拟平翅片热交换器的数值模型包括两部分：一个是用于描述翅化表面与非翅化基面上结霜情况的结霜模型；另一个是用于描述每一个铝翅片传热情况的二维热传导模型。读者可以参考附录5、8来了解该模型的所有细节，以及用于该模型的精确实验数据验证、不稳定性数据与特性的分析讨论。该模型的关键部分在于模拟了流动区域。2.2结霜模型应用于寒冷翅片上每一点的结霜模型都是一维的，并模拟了霜层内传热传质的瞬态情况。结霜模型的核心方程与边界条件是：能量方程：SKIPIF1<0（1）水蒸气扩散方程：SKIPIF1<0（2）冰相连续型方程：SKIPIF1<0（3）霜与气流界面的传质边界条件：SKIPIF1<0（4）传热边界条件：SKIPIF1<0（5）SKIPIF1<0（6）式中，SKIPIF1<0是来自于翅的二维热传导模型的翅表面温度。2.3霜与气流间的传热传质Gnielinski相关用来评估对流传热传质系数，SKIPIF1<0与SKIPIF1<0。为了用Gnielinski相关进一步简化SKIPIF1<0与SKIPIF1<0的计算，假设翅表面霜层增长均匀，即霜层高度SKIPIF1<0相等。同时还假设SKIPIF1<0与SKIPIF1<0只沿气流的y方向变化。对流传热的Gnielinski相关适用于管内雷诺数在3000到10000之间的管内充分发展紊流。SKIPIF1<0（7）雷诺数为：SKIPIF1<0（8）式中，SKIPIF1<0翅间霜自由区域的水力直径。SKIPIF1<0的计算：SKIPIF1<0（9）平均气流速度SKIPIF1<0的计算：SKIPIF1<0（10）SKIPIF1<0翅前来流速度。SKIPIF1<0（11）式中，SKIPIF1<0为翅的来流横截面积。在Kays与Crawford的论文中，图14-7就是用来确定紊流气流流过翅片区而引起的当地努塞尔数SKIPIF1<0的增强程度。假定随传热传质过程的缓慢变化，传热传质的变化趋势相似SKIPIF1<0（12）式中，SKIPIF1<0是当地舍伍德数。因此，SKIPIF1<0与SKIPIF1<0是从SKIPIF1<0与SKIPIF1<0的定义中得到的。SKIPIF1<0（13）SKIPIF1<0（14）2.4翅的导热由边界条件可以看出，霜层内传热的模型与翅的导热模型是相似的。翅内传热的核心方程为，SKIPIF1<0（15）式中，SKIPIF1<0是源项，由结霜模型参数决定，例如从霜层到翅表面的热流量。SKIPIF1<0（16）2.5压降与热流量的计算由热交换器翅表面结霜而引起的堵塞，会导致沿翅片的气体压降增大。假定气体密度恒定，沿翅的气体压降SKIPIF1<0可由下式计算，SKIPIF1<0（17）式中，SKIPIF1<0是考虑由结霜引起的入口与出口压力损失的实验观测系数。沿每一个结霜翅片的热流密度由下式计算，SKIPIF1<0（18）翅间基平面的热流量由结霜模型得出，由下式计算，SKIPIF1<0（19）式中，SKIPIF1<0是非翅化区基平面总面积SKIPIF1<0。那么，总热流密度为：SKIPIF1<0（20）此处，SKIPIF1<0为翅片总数。2.6气体的平均温度SKIPIF1<0和湿度SKIPIF1<0的计算方程（4）和（5）中气流温度SKIPIF1<0和湿度SKIPIF1<0定义为：翅化区气体平均温度与湿度。也就是：SKIPIF1<0（21）SKIPIF1<0（22）对翅化区用能量与质量守恒，SKIPIF1<0（23）SKIPIF1<0（24）此处，SKIPIF1<0SKIPIF1<0空气与翅间的总热流量SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0霜表面湿度随着翅片间气流温度的降低，根据方程(21)-(24)的计算湿度SKIPIF1<0的方法，表明气体会达到与气流温度SKIPIF1<0（即伴随着空气中的小水滴或冰晶，相对湿度达到100％）相对应的超饱和状态。气流通过翅间的时间非常短（约0.02秒），因此若仅考虑热交换器上的超饱和空气，气流可望保持0.02秒内不在微小尘埃颗粒上凝结与升华。正如Mao等在论文（附录12）及Chen等在论文（附录13）中所观测的一种特殊情况，即当进入翅间的气源为含霜晶和雾滴的超饱和状态，该状态气体的结霜过程与水蒸气的明显不一样。当气源内含有冰晶时，结霜过程主要受扩散的霜晶以及它们在霜层外边缘积累的影响，这种霜层外边缘除了霜层内水蒸气的扩散外没有其他的扩散。而我们的霜层扩散模型并不适应与这种特殊的物理现象。在这种超饱和情况中，依赖于空气扩散动力的结霜预计进行的将非常的快并且会非常粗糙。因此为了发展超饱和气源结霜的数字模型，研究者们需要进行进一步的实验与理论研究工作。2.7恒定气流速度模型的验证Chen等通过精确地数据把这种模型的霜层高度分布与一种典型翅片的进行了比较，如恒定流气流速度模型的沿流动方向的霜冻密度的分布，翅面的总热流量及气流的压降等。这些模拟结果与实测数据比较得出的平均差异列于表2。表中的这些数据来源于一系列不同运行工况（如不同的霜厚SKIPIF1<0，霜密度SKIPIF1<0，总热流量SKIPIF1<0，沿翅的压降SKIPIF1<0）的大量的实验数据。上述数据唯一的不确定性源于实验的平均偏差以及平均模拟数据与测量数据的平均差异。考虑到每一种工况的每一组独立数据之间最大的偏差大约增加一倍，而实验的偏差几乎保持不变。这些验证研究结果与物理、数学模型非常接近，因此现在该模型可以用于模拟与该模型相似物理现象的不同运行工况。2.8风扇供风情况的解决方法结霜工况下风扇供风热交换器的模拟仿真过程与Chen等在在附录5、8中提出的情况很相似；只是，现在的气流速度是随积霜翅间的压降而变化的。图3示出了用于测量翅间气流速度与压降的轴流风机与离心式风机的共同的典型特性曲线。图3中A点为热交换器表面结霜之前的气流速度状态点。B点为由于热交换器表面结霜气流速度降到最初的50％的轴流风机状态点。对于离心风机，B′点为风机气流停止不前而气流速度明显下降即将接近到零的状态点。B点和B′点为除霜预期的起点。为了简化模型，可以假设翅间空气压降为主导因素。气流循环的其他压降可以忽略。该模型是有气流速度与不同类型风机压降的关系再加上其他的模型来完成的。图3还显示了该热交换器翅片表面与基表面持续结霜过程的三个不同时间点t1、t2和t3（t3＞t2＞t1）的压力流量特性的系统压降曲线。风机特性曲线与系统P-Q特性曲线之间的状态点就是风机特定时间的工作点。这交汇区给出了翅间气流速度与压降。整个数据模型的求解方法：（1）使用最后时间的翅片表面温度分布，如SKIPIF1<0，对流传热传质系数，如SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，及平均气流湿度和温度，如SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，作为边界条件解决翅片表面上每个格点的结霜模型。翅片表面霜层高度SKIPIF1<0是随霜的其他特性而得到的。（2）解决非翅片基表面结霜模型。进而得出霜高，SKIPIF1<0。（3）解决翅片热传导模型，其中源项SKIPIF1<0从第一步得出。（4）运用已知的SKIPIF1<0计算平均霜高SKIPIF1<0。（5）用方程（11）和（17）求得系统P-Q特性关系。（6）运用风机曲线与系统P-Q关系计算翅间气流速度的与压降。（7）运用Gnielinski相关计算传热传质系数。（8）运用方程（18）、（19）和（20）计算翅片与非翅基面的热流量和总热流量。（9）运用方程（21）—(24)计算平均气流温度与湿度，SKIPIF1<0和SKIPIF1<0。（10）重复第一至第九步，直至结霜过程结束。3.模拟结果与讨论模拟结果是建立在表1示出的数据为运行工况的基础之上。图4示出了轴流风机的瞬间压力损失与气流入口速度。图4显示出，在5.5h的时间内，由于热交换器翅表面结霜的缘故，气流速度降低到最初的50％，同时压降增加到初始的3.2倍。这些数据意味着随着时间的增长，气流速度与压降间的近似线性的变化关系。附录5、8中Chen等研究了在他们假设的恒定气流速度条件下，压降随时间趋于变快的情况。图5中部分翅化气流区被霜完全堵塞同时总的翅化气流区无霜的情况被称作霜堵比点。图中显示出，在运行5.5小时后，多余50％的翅间气流区被霜层堵塞。Chen等在附录5、8中指出，翅间气流通路的这种堵塞情况主要发生在冷基表面，这种冷基表面可能会被完全的堵塞并且随时间的增长会从基表面向翅尖发展。图6显示了轴流风机供风的热交换器的每个翅片各个侧面的瞬态热流量。在结霜的最初时刻（t＜30s），可以观察到热流量的缓慢增长（从3.9-4.1W／