【摘要】：結(jié)霜是濕冷環(huán)境中的一種常見現(xiàn)象。換熱器表面結(jié)霜會造成熱阻增加、空氣流道堵塞等危害。對冷面上結(jié)霜規(guī)律和表面特性對結(jié)霜影響的認識,以及對霜層生長過程的準確模擬,對于探索合適的抑霜手段和低溫高濕工況下運行的換熱器的設(shè)計具有指導意義。本文實驗和數(shù)值模擬研究了冷面上霜層生長過程,數(shù)值模擬研究了翅片管換熱器表面霜層分布,主要工作及結(jié)果如下:對低溫高濕環(huán)境中親水表面、裸鋁表面和疏水表面上結(jié)霜過程進行實驗研究。實驗條件為:冷面溫度-20~-5oC,濕空氣溫度-5~2oC,相對濕度85%,濕空氣流速0.31~0.92 m/s。結(jié)果表明:冷面溫度越低,裸鋁表面上冷凝水珠凍結(jié)越早,凍結(jié)時水珠越小,而且霜晶沿垂直冷面方向生長越快;冷面溫度越低、濕空氣流速越快,霜層生長越快;疏水表面具有延緩冷凝水珠凍結(jié)和減慢霜層高度增長速率的作用,但隨冷面溫度降低,延緩效果減弱;用于結(jié)霜/融霜循環(huán)中的表面,較好的排液效果可以有效減少再結(jié)霜量。對水平冷面上霜層生長過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示:霜層平均高度和密度均隨時間增長,冷面前沿處水蒸氣濃度高,相轉(zhuǎn)移速率快,霜密度較大;霜層內(nèi)部熱傳遞以導熱為主,霜層外以對流換熱為主,霜層界面處溫度曲線出現(xiàn)拐點。模擬結(jié)果與本文實驗結(jié)果的對比顯示:霜層平均高度90%以上的數(shù)據(jù)在-15%到+40%的偏差范圍內(nèi),霜層質(zhì)量所有數(shù)據(jù)點在-30%到+20%的偏差范圍內(nèi)。對翅片管換熱器三維模型表面霜層生長過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示:在各基管后都存在一個背風無霜的區(qū)域,換熱器翅片上霜層分布的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好;在本文的模擬工況下,結(jié)霜后濕空氣流過換熱器的壓降約為結(jié)霜前的2倍,且與實驗結(jié)果吻合較好。上述結(jié)果表明霜層生長模型可以用于翅片管換熱器表面霜層分布及濕空氣流動阻力的預(yù)測。
[Abstract]:Frosting is a common phenomenon in wet and cold environments. Frosting on the surface of heat exchanger will result in the increase of thermal resistance and blockage of air passage. The understanding of the effect of frosting law and surface characteristics on the cold surface and the accurate simulation of frost growth process are of guiding significance for exploring suitable frost suppression methods and the design of heat exchangers operating under low temperature and high humidity conditions. In this paper, the growth process of frost layer on the cold surface is studied experimentally and numerically, and the frost layer distribution on the surface of finned tube heat exchanger is numerically simulated. The main work and results are as follows: for the hydrophilic surface in low temperature and high humidity environment, The frosting process on bare aluminum surface and hydrophobic surface was studied experimentally. The experimental conditions are as follows: cold surface temperature-20? 5oC, wet air temperature-5? 2oC, relative humidity 85%, wet air flow rate 0.31? The results show that the lower the cold surface temperature is, the earlier the condensation water droplets on the bare aluminum surface freeze, the smaller the water droplets are during freezing, and the faster the frost crystal grows along the vertical cold plane direction, the lower the cold surface temperature, the faster the velocity of wet air and the faster the frost layer grows, and the lower the cold surface temperature is, the faster the wet air velocity is. The hydrophobic surface has the function of delaying the freezing of condensate droplets and slowing down the growth rate of frost height, but with the decrease of cold surface temperature, the delay effect weakens, and for the surface of frosting / defrosting cycle, the better efflux effect can effectively reduce the amount of refrosting. The growth process of frost layer on horizontal cold surface was numerically simulated. The results show that the average height and density of frost layer increase with time, the water vapor concentration at the front of the cold surface is high, the phase transfer rate is fast, and the frost density is higher. Heat transfer inside frost layer is mainly heat conduction, convection heat transfer is main outside frost layer, temperature curve at frost layer interface appears inflection point. The comparison between the simulation results and the experimental results shows that the average height of frost is more than 90% of the data in the range of-15% to 40% deviation, the frost quality of all data points in the range of-30% to 20% deviation. The growth process of frost layer on the surface of finned tube heat exchanger was numerically simulated. The results show that there is a frost-free zone behind each base tube, and the simulated results of frost layer distribution on the fin of heat exchanger are in good agreement with the experimental results. Under the simulated conditions, the pressure drop of wet air flowing through the heat exchanger after frosting is about twice as much as that before frosting, and it is in good agreement with the experimental results. The above results indicate that the frost growth model can be used to predict the frost layer distribution and wet air flow resistance on the surface of finned tube heat exchangers.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK172

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