曲世琳1,高　波2,3,羅二倉2,王　淼4

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京100083;2.中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室, 北京100190;3.中國科學院研究生院,北京100049;4.中建一局建設發展公司,北京100102)

摘要：為分析嚴寒地區冬季通道輪式新風換氣機室外排風側結霜對其運行的影響,該文在能 量守恒、含濕量守恒的基礎上建立了通道輪式換熱器排風側結霜工況下的數學模型。利用該模 型對通道輪式換熱器在不同室內溫、濕度條件下表面結霜厚度進行了模擬,分析了結霜厚度對 換熱器換熱性能的影響。將模擬結果與實驗數據進行了比較,進一步驗證了所建模型的可靠性。該文首次提出了通道輪式新風換氣機結霜的結霜模型并為控制除霜提供了依據。

關鍵詞：通道輪式換熱器;結霜;換熱

中圖分類號:TV13;O24　文章編號:1005-9830(2008)04-0512-05

近年來,通道輪式新風換氣機由于其良好的 通風換氣功能和能量回收效果而被廣泛地應用于 通風、空調系統中[1]。然而,新風換氣機在某些 條件下使用時室外排風側存在著結霜的問題。隨 著排風口側表面霜層的增厚,空氣流通面積減小, 造成空氣流動阻力增大,從而使風機流量減小;同 時,霜層形成的冷表面與空氣間的熱阻惡化了換 熱器的換熱效果。如果積霜不及時清除,會降低 換氣機的換熱能力并影響其正常工作。

目前,有關結霜的工作主要圍繞結霜機理、生 長過程以及簡單幾何形狀的換熱器的數值模擬和 實驗研究展開[2-4]。而對于具有復雜結構的通道 輪式換熱器的結霜情況,人們還相知甚少。因此, 有必要對新風換氣機的結霜規律以及在結霜對其 傳熱性能的影響進行深入的研究,以便指導其在 嚴寒地區冬季的應用。

本文分析了通道輪式新風換氣機室外排風側 結霜機理,在能量守恒、含濕量守恒的基礎上建立 了該設備的核心部件———通道輪式換熱器在結霜 工況下的傳熱模型,并與結霜模型[5]有機地結合 起來,分析了不同室內環境參數對結霜的影響以 及結霜對換熱器換熱性能的影響。同時還計算出 了不同工況下融霜的時間間隔,為采取有效的除 霜控制方法提供了依據。

1　模型的建立

新風換氣機在結霜工況下的數學模型包括結 霜模型和換熱器的傳熱模型,建立模型之前有必 要對假設條件進行闡述。

1.1　建模時的假設

(1)室外新風側冷空氣和室內排風側熱空氣 不可壓縮并處于熱平衡;

(2)同一截面上室外新風側冷空氣和室內排 風側熱空氣的質量流量相等;

(3)換熱器內空氣沿通道作一維流動;

(4)室外新風側冷空氣和室內排風側熱空氣 的質量流量在整個通道內都是常量;

(5)傳熱系數在整個換熱面上不變;

(6)能量方程中忽略動能和勢能的影響;

(7)忽略空氣與霜之間的輻射換熱;

(8)計算過程中通道輪內表面霜層均勻分布;

(9)結霜過程為準穩態過程,即在某一很短 的時間步長Δt內,結霜過程是穩態的;

(10)霜是逐層形成的,每一層霜的密度與導 熱系數由于其凝結時的空氣—霜交界面溫度不同 而不同。

1.2　換熱器模型的建立

由于通道輪式換熱器結構的特殊性,每個通 道本身由波紋狀鋁箔構成,同時換熱器主體又作 高速旋轉,不符合常規Dittus-Boelter關系式應用 條件,因此本文采用ε-NTU法求解非結霜條件下 兩相鄰通道之間的換熱面的傳熱系數K。 逆流條件下,ε-NTU的表達式：



由于結霜后肋片粗糙度增加,使顯熱換熱系 數增大,一般地,空氣與霜層之間的換熱系數為：



2　計算結果與分析

本文對型號LY-600GM的通道輪式換熱器在 不同室內環境參數條件下進行了模擬計算。計算 工況見表1。通過對A~G7個工況下的結霜情況進行了計算分析,得到了不同室內環境參數條 件下結霜厚度和換熱器的換熱效率隨結霜時間的 變化規律。



圖1為室內排風溫度、室外新風溫度及室外 相對濕度一定(18℃、-20℃、50%)時,不同的室 內排風的相對濕度(30%、50%、70%)條件下結 霜厚度隨結霜時間的變化。由圖1可以看出,室 內相對濕度越高,霜的厚度增加越快,霜的厚度達 到1×10-3m所用的時間越少。 



圖2為室外新風溫度、室內、外相對濕度一定 (-20℃、40%、50%)時,不同的室內排風溫度 (12℃、16℃、20℃、24℃)條件下換熱量隨時間 的變化。由圖2可見,隨著室內溫度的升高,在相 同的結霜時間內霜的厚度明顯增加。室內溫度為 24℃(工況G)時的霜厚度明顯高于室內溫度為 12℃(工況D)時的霜厚度。

圖3為室內排風溫度、室外新風溫度及室外 相對濕度一定(18℃、-20℃、50%)時,不同的 室內排風的相對濕度(30%、50%、70%)條件下 通道輪式換熱器的換熱效率隨結霜時間的變化。本文采用顯熱效率來評價換熱器的換熱性能。由 圖3可以看出,室內相對濕度越高,霜的厚度增加 越快,換熱器的換熱效率降低的速度也就越快。



圖4為室外新風溫度、室內、外相對濕度一定 (-20℃、40%、50%)時,不同的室內排風溫度 (12℃、16℃、20℃、24℃)條件下通道輪式換熱 器的換熱效率隨時間的變化。由圖4可見,室內 溫度越高,霜的厚度增加越快,換熱器換熱效率降 低的也就越快。



3　相關說明及模型的驗證

筆者在哈爾濱市進行了為期兩年的實驗研 究,實驗是在圖5和6所示的試驗裝置中進行的。 新風換氣機置于室外,室內新風口和室內排風口 通過通風管道被設于恒溫恒濕的試驗室內,通過加濕器對試驗室進行人工加濕以滿足試驗要求 校核工況的室內排風的相對濕度維持在45%左 右。此階段的室內的平均溫度為20.5℃,室外的 平均溫度為-15.6℃,室外相對濕度平均為 40%。實驗進行近6h后,新風換氣機出現葉輪 轉動沉重的聲音,風機噪音明顯加大,此時室外排 風口側葉輪表面結霜情況如圖7所示。對該工況 進行數值模擬,與實驗所得數據進行比較。



由假設條件(8)可知,本文在計算過程中假 設霜層在通道輪內表面均勻分布。而在實際中, 如圖7所示,霜層在通道輪內表面分布是不均勻 的。因此,霜的厚度等特性參數不宜作為較核計 算的參數。基于上述原因,本文是在某一工況下, 通過比較由計算和實驗得到的換熱效率來驗證所 建模型的可靠性。



從圖8可以看出,計算結果與實驗數據吻合 較好。取該換熱器在該結霜工況下運行2.04× 104s內,與模擬數據的顯熱效率最大相對誤差為 6.51%。



3　結論

本文建立了通道輪式新風換氣機結霜工況下 的數學模型,并且通過與先前實驗數據的比較驗 證了所建模型的可靠性。通過對結霜工況下通道 輪式換熱器的結霜規律以及傳熱特性的數值研 究,可以得出以下結論:

(1)本文在結霜工況下建立的通道輪式換熱 器傳熱數學模型是基于能量、含濕量守恒的基礎 之上,因此該模型同樣適用于通道輪式其它參數 的換熱器。

(2)霜的形成和生長根據工況的不同而改 變,進而對通道輪式換熱器換熱特性的影響是不 同的。在其它條件一定時,隨著室內排風的溫度、 室內排風的相對濕度的增加,結霜厚度也在增加, 換熱效率也隨之降低。

(3)本文為延緩該設備結霜并采取有效的除 霜控制方法提供了依據。

參考文獻:

[1]　高波.新風換氣機在嚴寒地區動機運行的現狀與 進展[J].中國建設信息,2004(1):40-42.

[2]YaoYang.Astudyontheperformanceoftheairsideheat 

exchangerunderfrostinginanairsourceheatpumpwater

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

[3]LeeYB,RoST.Anexpermientalstudyoffrostforma- 

tiononahorizontalcylinderundercrossflow[J].Inter-

nationalJournalofRefrigeration,2001,24:468-474.

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

frostgrowthandfrostpropertieswithairflowoveraflat

plate[J].InternationalJournalofRefrigeration, 2002,25(3):362-371.

[5]高波,董重成,程志剛.通道輪式換熱器室外排風側 的結霜規律[J].低溫建筑技術,2007(10):19-21.