间冷式冰箱蒸发器结霜模拟

间冷式冰箱蒸发器结霜模拟 第28卷第6期2007年12月间冷式冰箱蒸发器结霜模拟o1.28.No.6 December.2007 文章编号:0253—4339(2007)06—0007-06 间冷式冰箱蒸发器结霜模拟 廖云虎丁国良林恩新黄兴华 (上海交通大学制冷与低m'r程研究所上海200240) 摘要针对间冷式冰箱蒸发器的结霜工况进行了模拟.在改进现有的计算霜表面水蒸气过饱和度公式的基础上,建立了适 用于间冷式冰箱蒸发器的霜层生长模型,并模拟出结霜过程中的结霜量,空气侧压降,霜的密度和厚度随时问的变化.通 过与实验数据的比较,结霜量的误差在10%以内,空气侧压降在25%以内,该模型能够有效的模拟问冷式冰箱蒸发器的结 霜过程. 关键词工程热物理;间冷式冰箱;蒸发器;结霜;模拟 中图分类号:TK124文献标识码:A SimulationofEvaporatorforIndirectCooling RefrigeratorunderFrostingConditions LiaoYunhu?DingGuoliangLinEnxinHuangXinghua ? InstituteofRefrigerant&Cryogenics,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,20024 0,China AbstractTheexistingequationforcalculatingwatervaporsupersaturationdegreeatfrostsurf aceswasimproved.Ananalytical modeltosimulatetheperformanceofevaporatorsforindirectcoolingrefrigeratorsunderfros tingconditionswasestablished.The massoffrostaccumulatingontheevaporatorsurface,theairsidepressuredrop,thefrostdensit yandthicknesswerecalculated.In addition,thecomputingresultswerecomparedwiththeexperimentaldata.Itappearsthatthep resentmodelhasgoodabilityto simulatetheperformanceofevaporatorsforindirectcoolingrefrigerators. KeywordsEngineeringthermophysics;Indirectcoolingrefrigerator;Evaporator;Frost;Si mulation 随着人们生活方式的现代化,追求现代,舒 适,合理,营养,家用冰箱也将日益向大型,多功 能,多用途的方向发展.对比于直冷式冰箱,一问冷 式电冰箱在实现这几点上有着明显的优势,多门大 容量,包含冷藏,冷冻,冷却,速冻等多功能,间 冷式冰箱的应用也越来越广泛.间冷式冰箱中存在 的一个比较典型的问题是蒸发器结霜对冰箱工作性 能的影响.结霜的出现会致使冰箱运行工况恶化, 迫使冰箱进行周期性化霜.这种附加的化霜工作不 仅中断了制冷循环还需增加能耗使霜消除.因此, 对问冷式冰箱蒸发器结霜状况进行研究是必要的. 间冷式冰箱一般有一个蒸发器或是两个蒸发 器.对于只采用一个蒸发器的间冷式冰箱,其蒸发 器结霜时空气进口温度与霜表面的温度相差较大 (一般大于14?小于20?);而对于采用两个蒸发器 分别是冷藏室蒸发器(R一蒸发器)和冷冻室蒸发器 收稿日期:2007年6月11日 (F一蒸发器)的间冷式冰箱,蒸发器结霜时空气进 口温度与霜表面温度相差较小(一般小于14~C).要 对间冷式冰箱蒸发器结霜进行准确地模拟,需要寻 求适合其结霜工况的模型. 针对间冷式冰箱蒸发器结霜工况,国内学者 于兵等人[1-31采用焓差法结霜模型做出了研究,该 模型认为结霜是个动态过程,新生成的霜将直接覆 盖在原有霜层上,且对原有霜层的各物性不产生影 响,并且认为在霜层内部霜层的导热量应等于霜层 表面与空气之间的总换热量.但是,在霜层内部, 由于霜的密度不断变化,霜层的导热量与凝华热之 和才等于霜层表面与空气间的总换热量;并且其假 设霜表面的水蒸气是处于饱和状态的,与实际霜表 面的水蒸气为过饱和状态相矛盾【6,],因此这种模 型是与实际不相符合的.而对于一般的蒸发器结霜 工况,比较成熟是分子扩散模型[4】,这种模型从 第28卷第6期 2007年12月 制冷 JournalofRefrigeration Vo1.2&No.6 December.2007 分子扩散原理出发,将化为霜的水蒸气分为两部分 考虑,一咭分相变成霜层表面的霜以增大霜厚,另 一 部分进入霜层内部增加霜层密度.但是文献[4,5】 中的模型假设霜表面的水蒸气是饱和状态,与实际 的霜表面为过饱和状态-7相矛盾;文献[6'7】的模 型中用来计算霜表面水蒸气过饱和度的经验公式只 适用于温差相差较大工况(14?~20~C),并不完全 适用于间冷式冰箱的结霜工况. 因此,文章首先改进现有的计算霜表面水蒸 气过饱和度的公式,并建立适用于问冷式冰箱蒸发 器的结霜模型,对间冷式冰箱蒸发器的结霜过程进 行模拟. 1改进的霜表面水蒸气过饱和度的计 算公式 引入过饱和度的概念: S三(Jp一)/P(1) 式中,为过饱和度;为水蒸气分压力; 为饱和压力. Na~DWebbE'提出采用下面的公式来计算霜表 面的水蒸气的过饱和度: S=0I8os(Pv, / , )(, / , )-0.657_1 +14.C<<+20~C~1--40~C<<O~C (2) 其中,为进L1蒸汽温度,7为霜表面水蒸 气的温度,,..为进口蒸汽分压力,,为进口饱和 蒸汽压力,,为霜表面温度所对应的饱和蒸汽压 力. 公式(2)的使用范围为空气进口温度与霜表面 温度之间相差14~C到20?.对于其它:L况,如空气 进口温度与霜表面温度低于14~C,就无法采用面 的公式来计算霜表面过饱和度,因为如果继续采用 上面的公式计算霜表面过饱和度会得到过饱和度小 于零,这就意味着霜表面蒸汽压力要小于其饱和蒸 汽压力,显然这是不符合实际的,因为正是由于霜 表面水蒸气处于过饱和状态才会使得霜层增加,如 果霜表面蒸汽压力要小于其饱和蒸汽压力那么就不 会有水蒸气从空气中进入霜层.因此需要将其公式 推广使其能够适用于其它工况.对于公式(2),在 空气进口温度与霜表面温度之问相差14?到20? 时,过饱和度与温差基本l:符合线性分布,当空气 温度与霜表面的温度无限接近时,可以认为其过饱 和度为0,因此可以采用线性差值的方法来求空气 温度与霜表面温度相差较小时的过饱和度的值.其 如下: S= o.8o8(Pv,../,..)(/)-0.657-1 +14*C<<+20*C c ?+14~C (3) 式中,Sfrr~:ro_l4为空气进口温度与霜表面温 度之间相差14~C时,采用式(2)计算所得到的霜表 面的过饱和度. 式(3)可以根据霜表面的温度用来确定霜表面 水蒸气的过饱和度和含湿量,并可以计算霜的质量 变化率. 2霜层生长模型 (a) QPQlafmir 图1霜层生长模型:(a)物理模型(b)数学模型 Fig.1Frostgrowthmodel: (a)physicalmodel,(b)mathematicalmodel 第28卷第6期2007年12月间冷式冰箱蒸发器结霜模拟VoL2&No.6 December.2007 图1给出了霜生长过程中发生的传热和传质现 象.由于空气与霜表面的温差不同,显热量就会从 空气传递到霜的表面.同时由密度差引起的驱动力 使得水蒸气由空气中进入霜层.一部分水蒸气凝结 于霜的表面,增加霜层厚度,另一部分水蒸气渗入 霜层内部.由相变造成的凝华热量通过霜层传递. 从空气中传递来的显热和潜热在霜层中通过导热来 传递.进入霜层中的水蒸气在霜层中发生相变,同 时将潜热留在霜层内部,而这部分潜热通过导热在 霜层中传递,从而使霜的密度增加. 为了简化研究,做出以下假设: 1)结霜过程是准稳态过程,在时间步长内为 稳态. 2)换热器翅片表面霜均匀分布,不考虑换热 器管壁对流动的影响. 3)湿空气与霜层之间的辐射散热忽略不计. 4)霜层特性表现为平均值,霜的热传导率只 与霜密度有关. 空气一霜表面的显热和潜热量为: Q=oc.f,4(,一)+AT7(,i一)(4) 其中,oc. 霜层内部能量方程为: 丢cAT)Lfr+AT~v=Ar .(5) 考虑到和鲁o有. dTm口 (6) 上式的边界条件是:T=在X=0及 dTQ—msv— dx—在.积分上式得到霜表面的 温度为: (7)zr7, 转化为霜的水蒸气质量流量为,则有: O~mAT(da, 厂)(8) 其中一部分水蒸气m渗入霜层内部增加霜层 密度,另一部分水蒸气m在霜表面直接凝结而增加 霜层厚度.从而有: mfr口+(9) 霜表面密度变化的结霜变化率使用文献[4】 中的公式来计算: 络 由克劳修斯一克拉贝隆方程和理想气体状态方 程以及式(5)可以得到: D Q D +( p|ce 1一( pice R2Tf r 4 (),一尺) 霜密度和厚度变化为: dp疳 一 mp dlAT6 (11) (12) d — m6 4p(13) 霜的热导率SandersE.关联式计算: =1.202~10P0.963(14) 空气侧压降~Turaga关联式计算: = 去c2.(15J 其中,f=0.129(2,是翅片间 距,翅片厚度,蒸发器几何结构,霜厚度等的函 数. 3计算实例与实验验证 文章对于间冷式冰箱的冷冻室蒸发器的结霜 工况进行了实验.图2为实验台的原理图.实验系 统由空气侧风管回路和制冷剂侧制冷循环回路构 成.风管回路主要包括空气冷却和加热,加湿设 备,风机,孔板流量计,蜂窝状均流器和测试段 等.空气在封闭管路中由风机驱动循环强迫流动, 当空气流过测试段后,温度和湿度比进入测试段前 —— 9—— 第28卷第6期 2007年12月 制冷 JournalofRefrigeration Vo1.28,No.6 December.2007 的状态值要低,再经过冷却器进一步降温除湿,随 后此低温低湿的空气流依次经过加热器加热,加湿 器加湿,最后再回到蒸发器中.加热器为小功率的 空气电热器,加热量由PID控制器调节.加湿器为 电极式加湿器,通过调节加湿器电极输入电压,可 调节加湿器的蒸汽喷射量,蒸汽与空气混合增加空 气的湿度.风管外用保温材料包扎隔热,在测试段 装有多层中空玻璃以便观察和蒸发器的结霜情 况..制冷剂侧制冷循环回路由一一个变频压缩机,风 冷冷凝器,手动针型阀,测试蒸发器等组成.在 制冷剂回路的冷凝器和蒸发器之间装有精密质量流 量计,以测量制冷剂的流量.通过调节手动针阀 的开度可以调节蒸发温度.实验用的制冷工质为 R600a.测试件的空气侧和制冷剂侧均布置多个热 电偶用于测量温度值. 制冷剂流量测量采用北京首科自动化公司的 DMF一1型精密质量流量计,量程为ON1Okg/h,'误 差为?0.5%.电加热器的最大功率为600W,加 热量由PID控制器涮节.温度测量采用的铜一康铜 T型热电偶,精度为?0.3?.湿度测量采用芬兰 VAISALA公司的HMP35型湿度传感器测量,试验 前由华东国家计量测试中心上海市计量测试技术 研究院标定.其测量范围为0N100%RH,精度为? 2%RH((0N90)%RH),?3%RH((90~100)%RH), 适用温度范围一40,60?.空气压差测量采用 一 10一 美国SETRA公司的微压差传感器测量,测量 范围O~500Pa,精度为?0.11%.制冷剂压力由 Endress+Hauser公司生产的KYB18型压力变送器测 量,精度为?0.25%.制冷剂回路压缩机由日本东 芝公司所提供的变频压缩机. 实验所用的蒸发器为间冷式冰箱的翅片管蒸 发器,其结构参数如表l所示,示意图如图3. 表1蒸发器几何结构参数 Tab.1Geometryparametersoffin-tubeevaporator 参数数值 迎风管排数5 垂直风向管排数2 迎风方面的各排翅片间距10,5,5,5,5mm 迎风方l曲的各排翅片数目21,44,44,42,39 翅片高度27mm 翅片宽度52mm 翅片厚度O15ITIIn 管直径8mm 管厚0.61mm 管问距30mm 管排距25rnrrl 管长280rnlTl 实验巾首先设定空气的入口温度,湿度等参 数;在制冷剂回路停机状态下,开启风机,空冷 1翅片管蒸发器2喷嘴3风机4风门5窄气冷却器6加热器7蒸汽喷管8电极加 湿器9蜂窝状均流器10压缩机11风冷冷凝器12干燥过滤器13节流阀14压力 传感器15热电偶16湿度传感器17质量流量计18变频压缩机19凝水盘 图2实验台原理图 Fig.2Schematicofexperimentalrig 8 第28卷第6期2007年12月间冷式冰箱蒸发器结霜模拟VoL28,No.6 December.2007 器,加热器,加湿器;当空气回路达到稳定状态 后,开启制冷剂回路,蒸发器开始制冷结霜,记录 各测量参数.实验工况如表2所示,表中工况数值 是指空气回路达到稳态之后的平均值. 图3蒸发器结构示意图 Fig.3Evaporatorgeometry 对于实验对象在实验工况下的结霜过程进行 了计算机模拟. 12O ?9O 蚓6O 噼 30 O OO.511.522.53 时间/h 图4结霜量变化 Fig.4Themassoffrostaccumulatedonthe heatexchangersurface 图4至图7为计算结果与实验数据的比较: 图4比较了换热器结霜量的模型数值计算结果 和实验结果,从图中可以看出两者吻合的很好误差 在10%以内.并且可以看出换热器进口空气的相对 湿度越大导致霜增长的越快,其结霜量就越多,同 时风速对结霜量也有影响,风速越大其结霜量也越 大. 图5比较了三种工况下空气侧压降模型计算结 果与实验数据.两者误差在25%以内.从图中可以 发现随着时间的推移,由于霜层的厚度不断增加, 导致蒸发器空气流通的面积减少,从而使得压降逐 渐变大.并且风速是影响压降的主要因素,风速越 大其压降就越大.而蒸发器表面结霜越严重同样会 使压降变大. 6 4 蔷23 1 O 表2实验工况 :- 』— 圭叁萋藿. A —— A —.刘— O — 信-笸百…, OO.511.522.53 时间/h 图5空气侧压降变化 Fig.5Theairsidepressuredrop 1 l0.8 0.6 0.4 ?0.2. ' g , 翎 S 懈 Tab.2Operatingconditions 00.511.522.53 时间/h 图6霜层厚度变化 Fig.6Thefrostthickness 时间/h 图7霜密度变化 Fig.7Thefrostdensity 工况进风流速进风温度相对湿度蒸发温度制冷剂流量结霜时间 编号(m/s)(?)(%)(?)(kg/h)(h) A1.2—17.460—26.72.43 BO.8—17.460—27.52-33 CO.8—16.180—28.82.43 第28卷第6期 2007年12月 制冷 JournalofRefrigeration Vo1.2&No.6 December.2007 图6和图7比较了三种工况下的霜厚度和密度 平均值的变化.随着时间的增加,霜的厚度逐渐增 加,并且相对湿度越大,其增加越快同时风速越大 其厚度增长得也越快.由图可见结霜刚开始阶段霜 的密度增加迅速,到1小时左右增加的速率慢慢降 低,相对湿度越大密度增加得反而越慢,这说明了 进入霜层的水蒸气主要用来增加霜层的厚度,并且 从图中可以发现风速对于霜的密度变化影响不大. 4结论 文章对间冷式冰箱蒸发器结霜过程进行了模 拟研究,并通过实验研究对模型进行了验证,得出 以下结论: 1)给出了改进的计算霜表面水蒸气过饱和度 公式,该公式不仅能够适用于间冷式冰箱蒸发器的 结霜工况,也能适用于其他蒸发器结霜工况. 2)基于改进的霜表面水蒸气过饱和度计算公 式,建立了霜层生长模型,该模型与实验数据的比 较结果表明,结霜量的误差在10%以内,空气侧压 降在25%以内,能够有效地模拟问冷式冰箱的结霜 过程. 致谢 文章工作得到了日本东芝家用电器公司资助. 符号说明 参考文献 [1】于兵,阙雄才,陈丽萍,等.间冷式冰箱蒸发器动态结霜 过程的模型研究[C】.94'上海市制冷学会第二专业委员 会年会集. [2】于兵,阙雄才,丁国良,陈芝久.翅片管式蒸发器结霜特 性模拟[J].流体机械,1995,4. [3】于兵,阙雄才,陈芝久.空气强迫对流冷却小型制冷装置 特性研究[D].上海交通大学,1996. 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