1、 应用热工程摘要:紧凑型翅片管蒸发器已被广泛应用于轻型商用制冷盒应用，这样的制冷系统空间的约束，因此，热交换器（冷凝器和蒸发器）必须有大面积体积比。此外，这样的应用程序需要一个诱导在翅片表面的霜层的生长的冰点以下的蒸发温度，如果不使用适当的除霜策略，可能会阻止蒸发器除霜。彻底阻止蒸发器之前，霜层消耗热交换器的性能，通过增加一个额外的热阻和也由减少空气流量风机。彻底阻挡蒸发器之前，可以通过增加一个额外的热阻或者增加一个减少空气流量风机可以减少霜层消耗热交换器的性能。了解这些紧凑的热霜冻形成的途径换热器和风扇由霜堵塞影响的鲁棒设计方法是强制性的制冷系统以及设计更高效的除霜方法。在这项研究中的实验对
2、翅片管蒸发器风扇特性考虑霜积进行了调查。为此，专门设计，建造和校准风洞设施进行闭环。实验测试了四种不同的执行（三波纹翅片和百叶窗翅片）蒸发器在不同的条件下，线圈。发现结霜速率随空气流量，过冷度和散热片的密度。霜冻积累的质量之间的相关关系，空气侧压降和冷却能力也被观察到。也有人指出，风机特性发挥在蒸发器的热性能的重要作用，表明结霜工况下的风扇蒸发器对设计必须作为一个耦合系统。此外，对于相同的操作条件下，该百叶窗翅片蒸发器均要比波浪翅片盘管结霜的影响更敏感。2010 爱思唯尔公司保留所有权利。1、介绍能源资源的使用效率是现代社会中的基本问题，不仅是由于其内在环境的吸引力，而且稳步增长的成本，鼓励的
3、方式产生能量的变化，分配和消费。由于制冷部门负责全球消耗大量的能量，多数政府开展能源消费政策，以刺激高效制冷系统的发展。然而，开发的这样一类的制冷机组不仅依赖于系统的组件设计（例如，高效率的压缩机，防污冷凝器，无霜蒸发器） ，而且它们之间的一个适当的匹配。中背压（MBP）轻型商用制冷设备通常运行蒸发温度接近 10时，蒸发器盘管上的霜层的温度，有利于形成。由于换热器的性能的导热系数低，结霜层和减少风扇提供的空气流率的综合效果，累计蒸发器盘管上的霜会显着下降。在结霜的效果的总传热系数和工业蒸发器的空气侧压降的实验研究中，首次观察到这样的双重效果斯迪克1。然而，尽管它的重要性，蒸发器的结霜研究仍然潜
4、伏了很多年，可以看出，在表 1 中，总结了在该领域的最有影响的出版物。在 20 世纪 90 年代初，Rite 和克劳福德3进行国内翅片管式换热器结霜条件下的实验研究，观察空气侧压降和总传热系数的增加，后者被解释的增加的传热表面和减少热管及散热片之间的接触电阻。后来，Bejan 等人。 5也研究结霜工况条件下运行的制冷系统的性能。作者假定一个恒定的结霜速度，开/关控制策略，最大限度地减少了整个系统的能量消耗以考虑所用的除霜加热器的电功率，并确定一个最佳的。然而，上述研究没有考虑结霜的蒸发器和风扇提供的空气流率（见表 1）之间的结合引起的非线性效应。在填补这一空白的第一次尝试，下等人。 11 研究
5、了结霜，除霜，以对百叶窗翅片扁管换热器在结霜过程和观察到的地方，由于空气的流量的减少也与百叶窗间隙桥接的总传热系数降低。作者认为，最初的空气压降增加每个除霜周期由于冷凝水滴滞留，随后重新霜后。虽然这项研究显示，对一些影响结霜现象的因素的重要信息，对风机的冷却能力，典型的轻型商用冰箱翅片管蒸发器提供具体的调查（1 千瓦）仍在进行。因此这是本研究的主要焦点。D.L.达席尔瓦等。 /工程热物理学报 XXX（2010）1-8命名罗马Awf 无霜蒸发器m2Cpa 恒压比热Jkga-1K-1h 空气焓Jkga-1K-1L 潜热Jkgs-1K-1m 空气质量流量 kgas-1mf 结霜率 kgss-1Mf
6、积霜kgp 气压Paq 蒸发器冷却容量Wt 时间 sT 温度oCUh 焓的传热系数Wm-2K 修正电导WK-1希腊 变化-相对湿度%比适度kgskga-1下标a干燥的空气evap蒸发器f霜lat潜伏m意思s蒸汽s， r饱和食盐水洗涤温度sen明智sur周围1入口2出口2.实验内容2.1 实验装置实验装置包括一个矩形的横截面闭环风洞设施和二次冷却剂制冷系统。前者是用来在蒸发器的入口控制空气的温度，湿度和流速，后者是设计蒸发器的表面温度。图 1 是实验装置示意图，分为利于空气流通的上部和进行测试的下部。在下部，空气首先流经 6.35 厘米的喷嘴（1） ，根据 ASHRAE5118的标准用于测量空气
7、流率的，最大误差为 0.003 立方米/秒。随后空气被一个线圈（2）冷却，由一个电加热器（3）重新加热和接水盘（4）重新加湿。所有这些由 PID 控制，以保证在进气口的测试部分中所需的心理过程的条件在试验台的上部，空气温度，相对湿度和压力的测量是通过向上和向下流的蒸发（EVAP） 。空气温度是通过 9 个 T 型热电偶（TT）的相互两个网格来测量的，其最大误差 0.2。相对湿度是由两个电容式湿度传感器（HT）来测量的，最大误差为 15%（相对湿度） 。在蒸发器盘管的空气侧压降是通过一个压差传感器（PT）来测量的，最大误差为 2.5Pa。霜冻生成速率和传热速率由准稳态的质量和能量平衡来间接测量的
8、，误差分别为 0.1Kg/h，80W。蒸发器（EVAP）固定在一个木结构上，其中一个减振器将空气流到其前表面或一个位于下方的线圈的旁路（BP）开口。本装置保证结霜过程开始当其测试条件达到时。冷冻乙烯乙二醇 - 水溶液流过该线圈，以这样一种方式建立在蒸发器的表面温度，其入口和出口的最高温度之间的差异为 3.5。空气流量是由计算机驱动的可变速度控制离心风机（5）来控制的，风机的模拟性能特点通常发现在轻型商用制冷系统中。风机的仿真过程是如下一个反复过程，其收敛时，施加所需的空气流率和实际值之间的差异小于 2%。图 2 显示了通过模拟离心式风机试验台，其压力与轴向风扇的特性。因此结霜测试可以用一个常量
9、和变量的空气流率来测试。表1蒸发器盘管上的霜积在前人研究的总结。作者 年份 产地 参考 申请 方式 风扇斯迪克 1957 美国 1 翅片管式 实验 没孔德普地奥尼尔 1987 美国 2 翅片管式 数值（集中） 没仪式和克劳福德 1991 美国 3 翅片管式 实验 没奥哥瓦等人 1993 日本 4 无霜 实验 没本杰等人 1994 美国 5 无霜 理论 没卡尔德等人 2001 美国 6 微通道 实验 没吉赫 2002 韩国 7 翅片管 实验 没陈等人 2003 加拿大 8 散热器 数值（集中） 有谢凯尔等 2004 土耳其 9 无霜 数值（集中） 没Tso 等人 2006 新加坡 10 翅片管式
10、 数值（分布式） 没夏等人 2006 美国 11 微通道 数值（集中） 没Aljuwaie 2006 美国 12 工业蒸发器 数值（分布式） 有杨等人 2006 韩国 13 翅片管式 数值（分布式） 没Ngonda 和希尔 2007 南非 14 翅片管式 数值（分布式） 没张和赫尔尼亚克 2007 美国 15 翅片管式 实验 没lenic 等 2009 克罗地亚 16 翅片管式 数值（分布式） 没穆阿利姆等 2010 美国 17 微通道 实验 没2.2 蒸发器样品如图 3 所示为蒸发器的翅片圆管交叉流式热交换器。百叶窗和波状散热片是由一个厚度为 0.2mm 的铝合金制成。铜管外径为 10mm，
11、壁厚为 1mm。蒸发器宽为 320mm。高 152mm，深 45mm。该管布置为两个交错的行，每行有六个管。相邻两个管之间纵向和横向之间的间距分别是 22mm 和 25mm。2.3 数据处理通过在蒸发器准稳定的质量，能量和力的平衡被处理来获得霜的形成率，总热传输速率和空气压降mf代表结霜速率kg ss-1，m 空气流率kgs -1， 湿度比kg skga-1，p 空气压力Pa，Cp，a 恒压下空气比热Jkg a-1K-1,T 温度K，K 经验修正电导WK -1,L潜热Jkg s-1K-1,q 冷却能力W。计算累计霜质量，M f公式：由于结合的质量和能量的传递依赖于焓差19，基于焓的总传热系数
12、Uh如下得来：式中 Uh是总传热系数Wm -2J-1kga，Awf 是无霜的蒸发器表面面积m 2，hm 是平均空气焓差Jkg a-1，h1 和 h2 分别是所示蒸发器入口和出口潮湿的空气焓Jkga-1，hs，r1 和 hs，r2 分别是食盐水进入和离开温度的饱和湿空气焓Jkga-1。2.4 测试计划该测试的目的是要调查散热片的密度，空气温度和湿度的影响，蒸发器表面的温度和蒸发器空气压力下降下的空气流量，冷却能力和积霜质量。过冷度（即，露点之间的温度差进入的空气流和蒸发器的表面）为 3.5，5.0，10.0和 14.5下结合使用不同的空气流量和蒸发器的几何形状（即不同类型的散热器形状和密度） 。
13、表 2 总结了在测试条件下其覆盖范围内的轻型商用制冷的典型应用。实验一直进行到蒸发器的空气流量或总测试时间分别达到 60m3/h 或120min。3.结果和讨论图 4 显示了在风扇曲线 1 的情况下，蒸发器表面上积霜随时间的变化（见图2） 。可以看出，前者的散热片密度和过冷积霜积累率的增加水平大于后者。另外，结霜累积率随着时间的推移会略有下降，尤其是在过冷度为 10.0 和14.5测试条件下，这是由于结霜表面温度和风扇提供的空气流率降低的缘故。图 5 显示了静止图像拍摄的开始和结束 35 分钟的实验，其空气流量为150m3/h，空气温度和湿度分别为 10和 50%，盐水进口样品温度为-10。图
14、5B 显示了蒸发器自由流动面积的显著减少，对蒸发器上的热工水力性能有着较大的影响。应该指出的是所有的分析都使用了过冷这个参数的值，因为此参数汇集了所有与独立变量（p，T a， 和 Tevap）有关的信息。图 6A 示出了累计霜冻质量对空气侧压降的影响，可以看出，过冷度和散热片密度都可以增加空气压降。同样还可以观察到在低水平的过冷度下（即3.5）压降几乎保持不变，由于积霜在这些条件下的质量很小（见表 2） 。图6B 显示出累计霜冻质量的影响和风扇提供空气流率下的空气压力的下降。值得注意的是，空气流速显着降低，特别是在过冷值为 10.0 和 14.5时，此时在3070 分钟内可以观察到 50%的变
15、化，取决于散热片密度和过冷程度。同样可以看出，在相同过冷度下一个较大的散热片可以导致更大范围内空气流率的减少。图 7A 示出了累计霜冻质量对蒸发器的冷却能力的影响。正如预期一样，热传递增加过冷度和散热片密度。同样可以看出，30 分钟后的冷却能力为 4.7 鳍/厘米蒸发器，过冷值为 14.5，降低了 40%，在相同的过冷度下达到了与观察相似的 3.2 鳍/厘米蒸发器，从此时起，4.7 鳍/厘米蒸发器的冷却能力超过了 3.2鳍/厘米蒸发器。图 7A 还显示出实验之间常量和空气流速变量之间的比较（表2 中测试 1 和 3） 。应该指出的是在一个恒定的空气流速下，在 80 分钟后测试，蒸发器的制冷能力
16、下降了 15%。这些数字表明，相比层霜，空气流率的降低对额外热电阻蒸发器的性能有较大的影响。总传热系数和时间的函数绘于图 7B 中，它表明，对比于高的过冷度条件下，低过冷度下观察到 Uh 值几乎保持不变。为了分析散热片对蒸发器上热敏液压的影响，测试时在相同的两个蒸发器（波浪形散热片，2.2 鳍/厘米）的两个过冷度（10 和 14.5）下，使用的散热曲线见图 2（测试 10-13） 。图 8 可以看出散热片诱导结霜速率更高，在测试结束时增加了 50g 霜，除了结霜的额外质量。图 8B 显示散热片在整个测试过程中可以提供更高的空气流速，尽管由散热片和散热片提供的空气流率下降不同随时间增加散热片会诱
17、导更快的蒸发器堵塞。图 9 显示的是冷却能力随时间的变化（图 9A）和相同测试条件下的总热传导系数（图 9B） 。在相同过冷度下，散热片的制冷能力至少高于散热片的 20%。类似的现象在整体热焓系数中被发现。散热片（百叶窗式或波纹状）对蒸发器的性能的影响用两个 2.2 鳍/厘米的蒸发器在相同结霜条件下（测试 10,11,14 和 15，表 2）进行评估。图 10A 显示霜冻质量随时间的积累，可以看出，在相同的过冷度下，这两种类型的散热片有着相似的结果。然而如图 10B 所示，百叶窗式翅式蒸发器在空气流速上经历了一个更快的下降由于较高的霜堵塞了空气流的通过。此外，图 11 示出冷却能力随时间的变化
18、，可以观察到百叶窗式散热片在开始的测试中有稍微较好的散热性能，此时没有重大结霜在散热片线圈上。然而，这样的行为在 40 分钟和60 分钟，过冷度分别为 14.5 和 10.0时被反转，可以被解释为散热片提供的空气流率减少来解释，见图 10A。图 5：散热片结霜前（a）和结霜后（b）的可视图图 6：不同散热器间距和过冷度的蒸发器空气侧压降（A）和空气流速（B）图 7：不同散热片间距和过冷度下制冷能力（A）和总传热系数(B)图 8：不同散热片和过冷度下累计霜质量（A）和空气流量（B）图 9：不同散热片和过冷度下制冷能力（A）和总传热系数（B）4.总结和结论一个特建的实验设施被专门设计和建造为了调查
19、积霜对管片式蒸发器盘管的热工水力性能的影响。测试设备包括一个封闭的可控制回路风洞和食盐水器皿和空气流动性以及模拟产品散热片特性设备。实验是两个翅式换热器在不同的蒸发和入口空气温度以及相对湿度下进行的。可以观察到，霜积累速率随着空气流率、过冷度和散热片密度的增加而增加。严格的积霜质量，空气侧压降和冷却能力之间的关系也可以观察到。此外，它还表明空气流速的减少影响蒸发器的冷却能力当超过霜层额外热绝缘时。该结果还表明用于结霜条件的散热片和蒸发器的设计不能脱离关系。结果表明，结霜条件下散热器蒸发器必须被设计为一个耦合系统中，为了使原有制冷能力保持更长时间，需增加连续除霜过程时间和提高整个系统的热性能。最
20、后还观察到在相同的操作条件下，百叶窗式翅片蒸发器与波状翅片蒸发器相比有较低的冷却能力。这样的行为是由于空气流的过快减少和额外的压降被引入而引起的。致谢这项研究是在 POLO 实验室，国家批准号 573581/2008-8（国家科学和资助的制冷技术和热物理）CNPq 机构中进行的。恩布拉科 S.A.的财政支持是不可忽略的，作者还感谢巴雷塔朱利亚小姐和埃利亚斯伦先生和卢卡斯的Sassi，所有本科生机械工程的学生，为他们在实验中提出宝贵意见。参考文献：1 W.F. Stoecker, How frost formation on coils affects refrigeration systems
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