本文選題：結(jié)霜　切入點：空氣冷卻器　出處：《大連理工大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于自然界以及制冷、空調(diào)、化工、航空航天等工程領(lǐng)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(jié)成霜。在制冷空調(diào)系統(tǒng)中,結(jié)霜會造成蒸發(fā)器換熱能力下降,嚴(yán)重時會損壞制冷設(shè)備。因此,研究空氣冷卻器的結(jié)霜特性,探尋抑制制冷系統(tǒng)結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)霜特性,在此基礎(chǔ)上建立制冷系統(tǒng)結(jié)霜的仿真模型,并進行驗證；建立空氣冷卻器在結(jié)霜工況下費用年值分析模型,研究空氣冷卻器結(jié)霜量與制冷系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的定量關(guān)系,為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供有力的理論依據(jù)。 根據(jù)熱力學(xué)和相變動力學(xué),推導(dǎo)出飽和水蒸氣在冷壁面凝結(jié)成霜的驅(qū)動力定量公式,結(jié)果表明,氣體過冷度和飽和比越大,相變驅(qū)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(xué)模型,分析發(fā)現(xiàn)表面接觸角在50-120°范圍內(nèi)時,對成核密度影響較大；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(shù)進行霜層厚度測量,探究空氣冷卻器外表面結(jié)霜的特性,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)及空氣參數(shù)等因素對換熱器結(jié)霜特性的影響。結(jié)果表明：換熱器的翅片間距越小結(jié)霜越早,而且霜層厚度的增長速度快,結(jié)霜量多,但霜層密度�。挥H水涂層對空氣冷卻器結(jié)霜有一定的抑制作用,推遲了結(jié)霜的發(fā)生；來流空氣狀態(tài)一定時,蒸發(fā)溫度越低,結(jié)霜驅(qū)動力越大,結(jié)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小；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(jié)霜速率越快；空氣流量對結(jié)霜過程有較大的影響,在實驗條件下,風(fēng)量增大時空氣冷卻器結(jié)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(jié)霜過程中提高風(fēng)量會造成表面霜層的回融。 提出并建立了制冷系統(tǒng)結(jié)霜工況下的仿真模型,利用仿真模型計算了制冷系統(tǒng)結(jié)霜工況下的霜層生長情況以及結(jié)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(fēng)面的不均勻分布以及霜層生長情況對空氣側(cè)風(fēng)量分布的影響,提高了計算的準(zhǔn)確度；仿真計算方法能夠體現(xiàn)結(jié)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(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。 在蒸發(fā)器的結(jié)霜模型基礎(chǔ)上,結(jié)合費用年值分析法進行空氣冷卻器結(jié)霜工況下的經(jīng)濟性分析從而進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過計算和比較分析可以得出以下結(jié)論：通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB657

【參考文獻】

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本文編號：1730771