結(jié)霜工況下熱泵機(jī)組翅片管換熱器的傳熱特性研究.doc

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1、結(jié)霜工況下熱泵機(jī)組翅片管換熱器的傳熱特性研究摘要：在冬季制熱工況下，熱泵機(jī)組的室外換熱器溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，翅片表面就會(huì)產(chǎn)生冷凝水；如果溫度進(jìn)一步低于0℃就會(huì)結(jié)霜，由此導(dǎo)致傳熱情況惡化，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組無法正常運(yùn)行。為了確保機(jī)組正常運(yùn)行，除霜必不可少，但又消耗了額外的能量，這些甚至影響了熱泵的推廣應(yīng)用。所以在保證換熱器的傳熱性能不惡化的前提下，除霜周期的延長對(duì)于節(jié)約能量的實(shí)際意義是明顯的。因而對(duì)結(jié)霜工況下熱泵機(jī)組常用的翅片管換熱器的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有極大的實(shí)際意義。本文應(yīng)用正則攝動(dòng)方

2、法，研究結(jié)霜工況下等厚度環(huán)肋的傳熱傳質(zhì)問題，探索在一定體積條件下產(chǎn)生最大傳熱量的最優(yōu)幾何尺寸。關(guān)鍵詞：結(jié)霜工況熱泵翅片管換熱器正則攝動(dòng)方法最優(yōu)化1引言目前，熱泵的應(yīng)用越來越廣泛。在冬季制熱工況下，當(dāng)室外換熱器的溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，翅片表面就會(huì)產(chǎn)生冷凝水。如果溫度進(jìn)一步低于0℃就會(huì)結(jié)霜，由此導(dǎo)致傳熱情況惡化，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組無法正常運(yùn)行。為了確保機(jī)組正常運(yùn)行，除霜所以必不可少，而除霜又消耗了額外的能量，這些甚至影響了熱泵的推廣應(yīng)用。所以在保證換熱器的傳熱性能不惡化的前提下，除霜周期的延長對(duì)于節(jié)約能量的實(shí)

3、際意義是明顯的。因而對(duì)結(jié)霜工況下熱泵機(jī)組的翅片管換熱器的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有極大的實(shí)際意義。由于霜對(duì)換熱的影響明顯，國內(nèi)外對(duì)于翅片管換熱器的結(jié)霜的研究相當(dāng)活躍，但主要集中在除霜控制[1][2]、對(duì)霜的形成機(jī)理、霜及霜的特性的分析[3]和換熱器結(jié)霜特性的模擬[4]的研究上。對(duì)于換熱器自身的結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)霜的影響，則主要集中翅片變間距的研究[5]。鄧東泉[6]等通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同材料的翅片的傳熱特性進(jìn)行了比較。在變片距設(shè)計(jì)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員和研究人員的共識(shí)的情況下，對(duì)于翅片自身尺寸的設(shè)定往往由干工況下的經(jīng)

4、驗(yàn)而定，充分考慮結(jié)霜的影響方面的研究未見公開報(bào)道。熱泵機(jī)組的換熱器，多用等厚度環(huán)型肋片來強(qiáng)化換熱效率。魏琪[7][8]等人對(duì)變熱力參數(shù)和濕工況下的等厚度環(huán)肋的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究,得到了相應(yīng)工況下的一些有意義的結(jié)論。本文基于等厚度環(huán)肋的基本模型，探索結(jié)霜工況一定體積下最大換熱量時(shí)的優(yōu)化尺寸。由于霜層的影響因素眾多，對(duì)結(jié)霜工況下的換熱器的換熱計(jì)算，Sanders將飽和空氣的焓做線性處理[9]，Kondepudi則將傳熱傳質(zhì)影響直接表示為綜合換熱系數(shù)[4]；Barrow則認(rèn)為結(jié)霜導(dǎo)致的流道阻力升高是主要因素，霜

5、層熱阻僅為次要因素[10]。本文則根據(jù)能量守恒，應(yīng)用正則攝動(dòng)方法[11]，分析在無量綱量2αr1/λ〈〈51的情況，結(jié)霜工況下翅片管換熱器上的傳熱傳質(zhì)，利用所得到的結(jié)論，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化分析。2本模型及簡(jiǎn)化條件用于圓柱表面肋化的等厚度環(huán)肋的結(jié)構(gòu)如圖1所示，給定肋的內(nèi)半徑r1，外半徑r2和肋厚δ，肋片材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ，為研究方便，假設(shè)肋片導(dǎo)熱系數(shù)沿肋高方向?yàn)槌?shù)。圖2為一環(huán)形肋片的表面覆蓋一層霜的工況下的剖面圖。假設(shè)霜層的厚度為，霜層的導(dǎo)熱系數(shù)為，肋片厚度與霜層厚度為同一數(shù)量級(jí)。為研究方便，假設(shè)：（1）

6、霜層熱阻為影響傳熱的主要因素；（2）結(jié)霜過程視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程；（3）各處霜厚相等；（4）翅片傳熱沿翅片方向，霜層內(nèi)部傳熱垂直于翅片表面；（5）肋片表面的對(duì)流換熱系數(shù)α沿肋周為常數(shù)；（6）忽略肋表面發(fā)出和接受的輻射熱量和肋端散熱。　　圖1等厚環(huán)肋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖　　　　　圖2結(jié)霜工況下肋片剖面圖3方程的建立取未受肋片散熱影響的流體溫度t∞為為溫度起算基準(zhǔn)，對(duì)于翅片表面溫度tw，令過余溫度為=t∞-tw。相應(yīng)的肋根的過余溫度為1=t∞-t1，其中t1為肋根的溫度。從距肋基r處選取長度為dr的微元體，如圖2所示，霜層導(dǎo)

7、入的熱量作為內(nèi)熱源處理，根據(jù)能量守恒定律有：　?。?）?。?）其中：－霜層外表面的溫度，℃、－肋片、霜層的導(dǎo)熱系數(shù)，•℃）、—肋片、霜層的厚度，—析濕系數(shù)，即傳熱時(shí)總熱量與顯熱量之比。整理，可得?。ǎ常┮胂铝袩o因次量，ζ=，L=，ε=相應(yīng)的無因次方程及邊界條件為：5定義肋片的無因次體積為U=（6）肋片的無因次散熱量為===（7）不考慮霜層很薄或無霜，問題就化為在一定U下求的最大值問題。4方程的求解熱泵機(jī)組制熱工況下的無因次量，很明顯，這時(shí)的ε也很小，可以用正則攝動(dòng)方法求解上述問題。將無因次過

8、余溫度展開為（，）=0（）+1（）+22（）(8)將式（8）代入（4），并對(duì)各階小量進(jìn)行比較，得到關(guān)于0（）、1（）、2（）的常微分方程(9)(10)(11)依次解上述方程及其邊值問題，得到肋片的無因次傳熱量為==（13）引入式（5）所定義的無因次體積，上式化為=（14）將對(duì)L求導(dǎo)，并令其等于0：簡(jiǎn)化后得到在肋片體積一定的條件下，肋片傳熱量達(dá)到最大應(yīng)該滿足的條件為U=（15）根據(jù)上式，可以求出各種不同的肋片體積下使肋片的傳熱量