翅片管式換熱器除霜方式探討

張　杰　王厚華

    摘　要：分析了結霜對制冷換熱的影響,對各種不同的除霜方式進行了比較,利用吸風式風洞制冷實驗臺,進行了新型三對稱大直徑圓孔翅片管式蒸發器的結霜實驗,分析了采用電熱除霜的合理性,并探討了電熱除霜方式存在的問題,提出了改進措施,分析了其節能前景。

    關鍵詞:人工除霜,電熱除霜,除霜效率

    中圖分類號:TU831.3文獻標識碼:A

    文章編號:1009-6825(2010)02-0183-03

    在蒸發器表面溫度低于0℃時,蒸發器表面就會出現結霜現象,霜的形成會對蒸發器的換熱性能和空氣側壓降產生較大的影響。就蒸發器的換熱性能而言,霜的影響作用主要體現在幾個方面:1)霜的熱導率比蒸發器金屬材料的熱導率小幾個數量級,霜在蒸發器表面沉積將會增加熱阻;2)蒸發器表面結霜后,內部空氣流道截面積縮小,阻力增大從而使得流量減小;3)結霜初期,間斷的霜粒使換熱表面變得粗糙,換熱性能有所改善,但當霜粒形成霜層后,就會影響換熱效果;4)霜的積聚會部分填充翅片和管子之間的空隙,從而減小翅片和管子的接觸熱阻。從上可以看出,霜對蒸發器換熱既存在正面影響也存在反面影響,是一個復雜的綜合效應作用下的動態過程。

    總結相關研究結果可以得到如下結論:1)在結霜初期傳熱系數逐漸增大,這可歸結為霜開始形成時表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,同時氣流擾動增強。2)隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數減小。3)傳熱系數受相對濕度影響較大,相對濕度高,則傳熱系數大。當霜層增厚時,傳熱系數減小。

    1·常用除霜方法

    1)人工除霜。操作人員手拿清除工具直接在蒸發器的表面上去除凝霜的方法稱人工除霜,一般適用于大型冷藏庫。人工除霜的特點是落霜不融化,在除霜過程中蒸發器也可照樣正常工作,基本不影響庫房溫度的恒定,所以最適合于凍結物冷藏間的排管除霜。但融霜時人員要進入庫內操作,工作條件較差,且要增加人員發熱耗冷量和人工費用。

    2)水沖霜。將噴水管裝于蒸發器的上方,除霜時通過噴水管向霜層表面均勻噴射帶有一定壓力的水,這種除箱方法稱為水沖霜。水沖霜方法只能用于冷風機的除霜,一般和熱氣融霜結合應用,單獨使用時只適合于冷風機結霜速度慢、霜層比較薄的情況,水沖霜的優點是除霜操作簡單且易于實現自動控制,缺點是電耗水耗較大,除霜成本較高。

    3)熱氣融霜。由于目前多數食品冷庫用氨制冷系統,所以熱氣融霜又稱熱氨融霜。該方法是把蒸發器作為冷凝器使用,利用四通閥實現轉化。融霜前必須排除蒸發器里原有的低溫制冷劑液體,因此熱氨融霜的制冷系統需要設置排液設施來承接融霜前蒸發器內的殘液和融霜過程中熱氣凝成的液體。

    4)電熱融霜。電熱除霜是用電加熱提供化霜熱,多用在翅片管式冷風機上,適合于小型制冷裝置或單個庫房。電熱元件附在翅片上,為了防止融化后的霜水在排出庫房之前再次結冰,還必須在接水盤和排水管上系繞帶狀加熱器,融化后的霜水應及時排到庫外。電熱除霜具有系統簡單、除霜完全、實現控制簡單的優點,在小型裝置上廣泛采用。主要缺點是耗能,單純用電熱來融化霜層的除霜方法是所有方法中能耗代價最高的。在大中型冷庫的制冷系統中一般很少使用純熱電融霜的方法。

    5)壓縮空氣除霜。連續凍結式食品速凍裝置在工作期間的中途除霜(一般用熱氣融霜+水沖霜)會嚴重影響裝置的生產能力,浪費生產資料和提高生產成本(因為除霜期間生產工人要原地待命)。無霜式速凍裝置的問世解決了“中途除霜”的各種弊端。這種速凍裝置采用壓縮空氣巡回式噴射蒸發器表面,隨時清除蒸發器表面的微小凝霜,使蒸發器表面始終保持“無霜”的狀態。這是一種針對特殊生產工藝的除霜方法,它的優勢在于保證制冷系統的連續工作,從而提高裝置的日產量。但由于需要壓縮空氣,融霜過程也是比較耗電的,另外裝置的價格昂貴也是一大缺點。

    2·除霜能耗

    2.1　蒸發器除霜時輸入的總熱量

    Q=Q1+Q2+Q3+Q4。

    其中,Q1為霜層溶解成0℃的水所需的熱量;Q2為蒸發器、水盤、金屬框架升溫的加熱量;Q3為蒸發器盤管內殘存制冷劑工質的吸熱量;Q4為對周圍環境的加熱量。

    從達到良好的除霜效果和節能的角度考慮,除了Q1是必要的,Q2,Q3,Q4的值應越小越好。因為當庫房投入正常運行時,這部分的熱量必須要消耗制冷量來抵消,這將付出不必要的能耗。為了降低這部分附加能耗,可以采取一系列相應的措施。

    2.2　除霜效率η

    除霜效率η為霜層融化成0℃的水所需熱量Q1與除霜時所需的總熱量Q的比值,即：

    電熱融霜是由盤管的外部加熱,而熱氣融霜可以從霜層內部加熱,霜容易從冷卻表面脫落,所以實際上融霜的熱量比理論值小得多。同時,霜層融化由內到外,在融霜初期沒有水蒸氣向蒸發器外逸出。只有當霜融化脫落后,肋管上的熱才向外輻射,但此時除霜階段也趨于結束,因此與庫內及周圍圍護結構的換熱量少,其除霜效率比較高,熱氣除霜操作復雜,只適用于制冷劑直接蒸發系統。

    2.3　霜的融化熱Q1

    Q1=Gf×[Cpf(tf-0)+rf]。

    其中,Gf為欲被融化的霜層重量,kg,可根據蒸發器的外表面積、霜層厚度和霜層的平均密度計算得到;Cpf為霜層的平均比熱;tf為霜層的平均溫度,根據情況在蒸發溫度和冷庫溫度之間取值;rf為霜的融化熱。

    3　新型三對稱大直徑圓孔翅片管式蒸發器的結霜實驗

    3.1　新型翅片的節能情況

    經過反復實驗的比較,三對稱圓孔翅片的強化傳熱效果最好,主要表現在:1)與平翅片相比較,制冷量最大提高了16.87%,平均提高了9.1%。2)翅片表面傳熱系數與矩形平翅片相比,最大提高了80.15%,最小提高了49.66%,平均提高了64.29%。3)能效比COP值最大提高30.16%,最小提高14.95%,平均提高22.93%。

    3.2　實驗目的

    通過結霜實驗,掌握新型翅片管式換熱器的結霜特征。針對其特征對電熱除霜方式進行改進。即研究電熱除霜管的布置方式及其布置位置,提出高效的除霜方法,這種方法既要節省電能,又要有利于換熱。

    3.3　新型翅片管式換熱器結霜情況

    實驗中,三對稱圓孔翅片管式蒸發器的結霜一開始是沿基管的表面向管的徑向方向增厚,同時基管表面的結霜量明顯厚于翅片表面,原因如下:制冷劑是下進上出的,下部基管與節流閥相連接,從節流閥流出的氟利昂含氣量較低,制冷能力更強;再則由于重力的作用,凝結水從翅片的頂部往下流,匯集到底部上。壓縮機運行3 h后,翅片管上的結霜量明顯增大,基管中間部分的空氣流道有明顯的堵塞現象,這部分翅片表面積滿了霜,基管上的霜已相互連在一起。另外翅片管表面霜層分布非常不規則。壓縮機運行5.5 h后停止時,整個氣流通道2/3面積積滿了霜,換熱效果已嚴重惡化,同時蒸發器的阻力也很大,必須進行除霜。這時,蒸發器底部的翅片管表面的結霜量明顯比其他地方厚,而且越靠近銅管翅片上的霜層越厚。另外由于圓孔對氣流的擾動,翅片管中心部位翅片的積霜量也明顯增多。整個翅片管的中心和底部部位已被霜層堵塞。

    4　結語

    實驗中,制冷換熱器由三排翅片管組成。運行結束后,第一排翅片已結滿了霜;第二排翅片結了很少量的霜;第三排翅片未結霜。針對這一結霜特征,電熱除霜管只布置在第一排翅片上,而第二、三排翅片因只結了很少量的霜或不結霜而不用布置除霜管。在布置除霜管時,可以采用特定的布置方式,使得除霜管在起到除霜作用的同時還能強化換熱效果,進一步提高制冷系統能效比。由于除霜管是針對了制冷換熱器的結霜特征進行布置的,只在第一排翅片布置即可節約全部布置2/3的電能。在接下來的試驗中,我們將對換熱器的結霜規律進行進一步總結,根據結霜的規律提出具體的電熱除霜管布置方式。結合結霜和除霜特征,找出最佳除霜點,進行合理配置,從而提高電熱除霜的效率。

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