本文選題：結霜　切入點：空氣冷卻器　出處：《大連理工大學》2014年博士論文

【摘要】：結霜現(xiàn)象廣泛存在于自然界以及制冷、空調、化工、航空航天等工程領域中。如果冷表面溫度低于空氣的露點溫度且同時低于水的三相點溫度時,空氣中的水蒸氣便會在冷表面上凝結成霜。在制冷空調系統(tǒng)中,結霜會造成蒸發(fā)器換熱能力下降,嚴重時會損壞制冷設備。因此,研究空氣冷卻器的結霜特性,探尋抑制制冷系統(tǒng)結霜、降低除霜損耗的途徑,對于保證系統(tǒng)安全運行具有十分重要的意義。本文以結霜機理研究為切入點,搭建試驗臺,利用可視化方法對不同結構的空氣冷卻器及制冷系統(tǒng)進行實驗觀測,系統(tǒng)地研究空氣冷卻器結霜特性,在此基礎上建立制冷系統(tǒng)結霜的仿真模型,并進行驗證；建立空氣冷卻器在結霜工況下費用年值分析模型,研究空氣冷卻器結霜量與制冷系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的定量關系,為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供有力的理論依據(jù)。 根據(jù)熱力學和相變動力學,推導出飽和水蒸氣在冷壁面凝結成霜的驅動力定量公式,結果表明,氣體過冷度和飽和比越大,相變驅動力越大。建立了包含飽和比、過冷度和表面接觸角的壁面成核密度及液滴生長的熱力學模型,分析發(fā)現(xiàn)表面接觸角在50-120°范圍內時,對成核密度影響較大；當過冷度達到25K以上時,過冷度對成核密度影響減弱。隨著過冷度的增大,液滴的生長速度加快；液滴半徑越小,過冷度對其的影響越大。當液滴半徑大于0.05mm時,過冷度對液滴生長速度的促進作用趨于平緩,當液滴半徑大于0.5mm時,液滴生長速率趨于平穩(wěn),過冷度對其無明顯影響。表面接觸角越小,液滴增長速率越大,表面接觸角大于90°以后,其對液滴速度影響很小。同樣液滴半徑,表面接觸角對液滴生長速度的影響要遠小于過冷度的影響。 搭建了空氣冷卻器結霜工況性能測試實驗臺,采用顯微照相的方法進行在線觀測,通過圖片處理技術進行霜層厚度測量,探究空氣冷卻器外表面結霜的特性,研究了結構參數(shù)及空氣參數(shù)等因素對換熱器結霜特性的影響。結果表明：換熱器的翅片間距越小結霜越早,而且霜層厚度的增長速度快,結霜量多,但霜層密度��；親水涂層對空氣冷卻器結霜有一定的抑制作用,推遲了結霜的發(fā)生；來流空氣狀態(tài)一定時,蒸發(fā)溫度越低,結霜驅動力越大,結霜發(fā)生時刻越早,但霜層形成后,蒸發(fā)溫度對霜層厚度的增長速度影響并不明顯,而且蒸發(fā)溫度越低初始液滴的直徑越��；霜層的厚度隨著相對濕度的增大而增大,而且相對濕度越大,結霜速率越快；空氣流量對結霜過程有較大的影響,在實驗條件下,風量增大時空氣冷卻器結霜開始時刻較晚,但霜層增長速率較大,在來流空氣溫度大于水的三相點溫度時,結霜過程中提高風量會造成表面霜層的回融。 提出并建立了制冷系統(tǒng)結霜工況下的仿真模型,利用仿真模型計算了制冷系統(tǒng)結霜工況下的霜層生長情況以及結霜過程中制冷系統(tǒng)制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和COP的變化,并通過焓差實驗室以及可視化試驗平臺進行了驗證。模型充分考慮了空氣在迎風面的不均勻分布以及霜層生長情況對空氣側風量分布的影響,提高了計算的準確度；仿真計算方法能夠體現(xiàn)結霜工況下制冷系統(tǒng)運行參數(shù)的動態(tài)變化,系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度計算值與實驗值差異小于3%,可以有效指導系統(tǒng)設計。 在蒸發(fā)器的結霜模型基礎上,結合費用年值分析法進行空氣冷卻器結霜工況下的經(jīng)濟性分析從而進行優(yōu)化設計。經(jīng)過計算和比較分析可以得出以下結論：通過優(yōu)化結構設計,可使得蒸發(fā)器的單位制冷量的費用年值降低；綜合考慮換熱管直徑、翅片間距和管排數(shù)的影響,翅片間距為10mm,換熱管外徑為9.52mm,管排數(shù)為6時,費用年值最小。
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【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB657

【參考文獻】

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本文編號：1730771