室内环境参数对通道轮式换热器结霜特性影响

                             曲世琳1,高　波2,3,罗二仓2,王　淼4

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;2.中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室, 北京100190;3.中国科学院研究生院,北京100049;4.中建一局建设发展公司,北京100102)

摘要：为分析严寒地区冬季通道轮式新风换气机室外排风侧结霜对其运行的影响,该文在能 量守恒、含湿量守恒的基础上建立了通道轮式换热器排风侧结霜工况下的数学模型。利用该模 型对通道轮式换热器在不同室内温、湿度条件下表面结霜厚度进行了模拟,分析了结霜厚度对 换热器换热性能的影响。将模拟结果与实验数据进行了比较,进一步验证了所建模型的可靠性。该文首次提出了通道轮式新风换气机结霜的结霜模型并为控制除霜提供了依据。

关键词：通道轮式换热器;结霜;换热

中图分类号:TV13;O24　文章编号:1005-9830(2008)04-0512-05

近年来,通道轮式新风换气机由于其良好的 通风换气功能和能量回收效果而被广泛地应用于 通风、空调系统中[1]。然而,新风换气机在某些 条件下使用时室外排风侧存在着结霜的问题。随 着排风口侧表面霜层的增厚,空气流通面积减小, 造成空气流动阻力增大,从而使风机流量减小;同 时,霜层形成的冷表面与空气间的热阻恶化了换 热器的换热效果。如果积霜不及时清除,会降低 换气机的换热能力并影响其正常工作。

目前,有关结霜的工作主要围绕结霜机理、生 长过程以及简单几何形状的换热器的数值模拟和 实验研究展开[2-4]。而对于具有复杂结构的通道 轮式换热器的结霜情况,人们还相知甚少。因此, 有必要对新风换气机的结霜规律以及在结霜对其 传热性能的影响进行深入的研究,以便指导其在 严寒地区冬季的应用。

本文分析了通道轮式新风换气机室外排风侧 结霜机理,在能量守恒、含湿量守恒的基础上建立 了该设备的核心部件———通道轮式换热器在结霜 工况下的传热模型,并与结霜模型[5]有机地结合 起来,分析了不同室内环境参数对结霜的影响以 及结霜对换热器换热性能的影响。同时还计算出 了不同工况下融霜的时间间隔,为采取有效的除 霜控制方法提供了依据。

1　模型的建立

新风换气机在结霜工况下的数学模型包括结 霜模型和换热器的传热模型,建立模型之前有必 要对假设条件进行阐述。

1.1　建模时的假设

(1)室外新风侧冷空气和室内排风侧热空气 不可压缩并处于热平衡;

(2)同一截面上室外新风侧冷空气和室内排 风侧热空气的质量流量相等;

(3)换热器内空气沿通道作一维流动;

(4)室外新风侧冷空气和室内排风侧热空气 的质量流量在整个通道内都是常量;

(5)传热系数在整个换热面上不变;

(6)能量方程中忽略动能和势能的影响;

(7)忽略空气与霜之间的辐射换热;

(8)计算过程中通道轮内表面霜层均匀分布;

(9)结霜过程为准稳态过程,即在某一很短 的时间步长Δt内,结霜过程是稳态的;

(10)霜是逐层形成的,每一层霜的密度与导 热系数由于其凝结时的空气—霜交界面温度不同 而不同。

1.2　换热器模型的建立

由于通道轮式换热器结构的特殊性,每个通 道本身由波纹状铝箔构成,同时换热器主体又作 高速旋转,不符合常规Dittus-Boelter关系式应用 条件,因此本文采用ε-NTU法求解非结霜条件下 两相邻通道之间的换热面的传热系数K。 逆流条件下,ε-NTU的表达式：



由于结霜后肋片粗糙度增加,使显热换热系 数增大,一般地,空气与霜层之间的换热系数为：



2　计算结果与分析

本文对型号LY-600GM的通道轮式换热器在 不同室内环境参数条件下进行了模拟计算。计算 工况见表1。通过对A~G7个工况下的结霜情况进行了计算分析,得到了不同室内环境参数条 件下结霜厚度和换热器的换热效率随结霜时间的 变化规律。



图1为室内排风温度、室外新风温度及室外 相对湿度一定(18℃、-20℃、50%)时,不同的室 内排风的相对湿度(30%、50%、70%)条件下结 霜厚度随结霜时间的变化。由图1可以看出,室 内相对湿度越高,霜的厚度增加越快,霜的厚度达 到1×10-3m所用的时间越少。 



图2为室外新风温度、室内、外相对湿度一定 (-20℃、40%、50%)时,不同的室内排风温度 (12℃、16℃、20℃、24℃)条件下换热量随时间 的变化。由图2可见,随着室内温度的升高,在相 同的结霜时间内霜的厚度明显增加。室内温度为 24℃(工况G)时的霜厚度明显高于室内温度为 12℃(工况D)时的霜厚度。

图3为室内排风温度、室外新风温度及室外 相对湿度一定(18℃、-20℃、50%)时,不同的 室内排风的相对湿度(30%、50%、70%)条件下 通道轮式换热器的换热效率随结霜时间的变化。本文采用显热效率来评价换热器的换热性能。由 图3可以看出,室内相对湿度越高,霜的厚度增加 越快,换热器的换热效率降低的速度也就越快。



图4为室外新风温度、室内、外相对湿度一定 (-20℃、40%、50%)时,不同的室内排风温度 (12℃、16℃、20℃、24℃)条件下通道轮式换热 器的换热效率随时间的变化。由图4可见,室内 温度越高,霜的厚度增加越快,换热器换热效率降 低的也就越快。



3　相关说明及模型的验证

笔者在哈尔滨市进行了为期两年的实验研 究,实验是在图5和6所示的试验装置中进行的。 新风换气机置于室外,室内新风口和室内排风口 通过通风管道被设于恒温恒湿的试验室内,通过加湿器对试验室进行人工加湿以满足试验要求 校核工况的室内排风的相对湿度维持在45%左 右。此阶段的室内的平均温度为20.5℃,室外的 平均温度为-15.6℃,室外相对湿度平均为 40%。实验进行近6h后,新风换气机出现叶轮 转动沉重的声音,风机噪音明显加大,此时室外排 风口侧叶轮表面结霜情况如图7所示。对该工况 进行数值模拟,与实验所得数据进行比较。



由假设条件(8)可知,本文在计算过程中假 设霜层在通道轮内表面均匀分布。而在实际中, 如图7所示,霜层在通道轮内表面分布是不均匀 的。因此,霜的厚度等特性参数不宜作为较核计 算的参数。基于上述原因,本文是在某一工况下, 通过比较由计算和实验得到的换热效率来验证所 建模型的可靠性。



从图8可以看出,计算结果与实验数据吻合 较好。取该换热器在该结霜工况下运行2.04× 104s内,与模拟数据的显热效率最大相对误差为 6.51%。



3　结论

本文建立了通道轮式新风换气机结霜工况下 的数学模型,并且通过与先前实验数据的比较验 证了所建模型的可靠性。通过对结霜工况下通道 轮式换热器的结霜规律以及传热特性的数值研 究,可以得出以下结论:

(1)本文在结霜工况下建立的通道轮式换热 器传热数学模型是基于能量、含湿量守恒的基础 之上,因此该模型同样适用于通道轮式其它参数 的换热器。

(2)霜的形成和生长根据工况的不同而改 变,进而对通道轮式换热器换热特性的影响是不 同的。在其它条件一定时,随着室内排风的温度、 室内排风的相对湿度的增加,结霜厚度也在增加, 换热效率也随之降低。

(3)本文为延缓该设备结霜并采取有效的除 霜控制方法提供了依据。

参考文献:

[1]　高波.新风换气机在严寒地区动机运行的现状与 进展[J].中国建设信息,2004(1):40-42.

[2]YaoYang.Astudyontheperformanceoftheairsideheat 

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heater/chillerunit[J].InternationalJournalofHeatand MassTransfer,2004,47(1):3745-3756.

[3]LeeYB,RoST.Anexpermientalstudyoffrostforma- 

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[4]YunRin,KimYongchan,MinMan-k.iModelingof 

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[5]高波,董重成,程志刚.通道轮式换热器室外排风侧 的结霜规律[J].低温建筑技术,2007(10):19-21.