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结霜的机理以及过程

2016-11-16 10:04阅读:

当热泵热水器在一定湿度的低温环境下工作时,将在蒸发器盘管翅上回出现结霜现象,霜的形成阻隔了翅片与空气的接触,霜是热的不量导体,由于霜的微观结构是蓬松的,其导热性比冰还差,冰的热导率仅为2.22w/m·k),而霜的热导率依照其密度的不同而更低,仅仅是冰的十分之一左右。
热泵热水器蒸发器上的霜层,不但增加了空气向蒸发器翅片传热的热阻,还减少了空气流通通道的面积,使空气的流量减少,蒸发温度降低,在霜层厚度继续增加之后,空气的流通甚至完全停止,制热量下降直至停顿,最后不得不实行融霜,让后继续制热,结霜现象时空气能热泵热水器在冬季正常运行的主要障碍之一。
空气源热泵热水机



关于霜层在蒸发器上形成和发展的机理,很多科学家工作者都做了大量的基础研究和试验工作,这些工作表面:霜层的形成和发展是一个十分复杂的热质传递过程,影响霜层形成速度的因素主要有空气流动速度、翅片的厚度和管排数、环境空气的湿度和温度以及大气压力、蒸发器便面的污垢程度、蒸发器的翅片总面积和间距、蒸发器壁面温度等,由于影响的因素太多,所以大家实验的结论也有些差别,但是可以达到一致的结论是:蒸发器表面的温度越低,风速越低、空气相对湿度越高、管排数越多、蒸发器翅片面积越小,霜层的形成和发展越快。
从有关热泵冬季工作方面的论文来看,通过翅片的风速对结霜过程的影响十分显著:在极端的情况下(例如风扇损坏),热泵在20℃的环境下同样有结霜的可能;在针对结霜速度的实验中,当风速2m/s提高到4m/s时(环境温度为
0~5℃),结霜的情况下有明显的改善,结霜区域减少了近一半,相应结霜速度的温度降低了2℃左右。
空气源热泵热水机



按照湿空气热质传递的原理,它的降温过程取决于环境温度的温球温度,即取决于空气含湿量的大小,空气的相对湿度比较的大,蒸发器越容易达到露点温度,在低于℃以下时即成为结霜过程。实验证明,在干球温度为℃到正副5℃,相对湿度85%以上时,结霜现象最为严重。而在低于这个温度之后,蒸发器翅片结霜的速度开始明显降低,其原因是空气中的绝对含湿量已经较低。
有关资料介绍的结霜实验证明,在蒸发器翅片表面洁净,换热面积风量充足的情况下,热泵系统在环境温度为5.8℃的环境温度下,且相对湿度在67%以上运行时才会出现结霜现象,而在高于5.8℃的环境温度下,蒸发器仅会出现凝露现象;在环境温度为-3~0℃、相对湿度大于67%时,蒸发器的结霜最为严重。这些实验还表面,在较低的环境温度下,相对湿度的变化对结霜过程的影响远大于温度变化的影响。
在研究翅片管排数的相关实验中,得出的结论和理论推测有一定的不同:在同样的空气流速时,由于空气在流过翅片时经历的距离越长,失去的热量越多,在翅片末端的空气温度越低,原理论认为管排数的增加会严重增加翅片的结霜倾向,其结霜速度关系应该与翅片管排数成直线关系,但是实验证明,管排数对结霜速度的影响在排数大于4之后开始降低,而在2~4排的实际影响也低于理论计算,当然,由于多排数的翅片蒸发器,会使气流产生更大的压力降,因此,为了保持足够大的空气流量,必须配备足够功率的风机。
热泵热水器的工作范围极大,所以如果配置过大的风机,在夏季工况时是很浪费而且不利的:风量过大的风机不但要消耗电能,还会发出较大的噪声,当风速超过3m/s后,风机噪声以后使人不适,同时还会使压缩机的回气压力过高,给压缩机的安全运行带来隐患,为了兼顾冬夏两发面的需求,可以配置用环境温度控制的多速风机。
根据我国的气候条件,长江流域、江西、贵阳和长沙等地,由于空气相对湿度较高,是较容易产生结霜的地区,黄河流域及以北地区,冬季空气干燥,结霜速度较低,结霜的起源温度也较低,而两广、云南和福建等地,为结霜轻微和短暂的地区,设计、安装和购买热泵热水器时,应该根据当地的环境和自身的使用条件进行选择。
通过查阅热泵冬季结霜机理的相关论文,空气源热泵热水器的冬季结霜速度和结霜起始温度,受空气流过蒸发器翅片的速度和当地环境温度和湿度的影响最为严重,翅片管排数也有一定的影响。
对于空气源热泵热水器的冬季工作,除了对其“结霜”的过程进行研究之外,还有一个重要问题是如何对已经形成的霜层进行处理,也就是“除霜”
蒸发器的结霜过程,从本质上来看也是蒸发器获取空气中水蒸气潜热的过程,水蒸气将液化潜热的热量传递给蒸发器表面后,紧跟着又失去了汽化潜热,变为固态的霜粒附着在蒸发器表面,在这个过程中,霜粒有一部分会被风吹离霜层表面,更多的则不断富集并加厚霜层,每一千克霜的形成,意味着蒸发器至少捕获一千克水蒸气2492kj的汽化潜热,以及335kj的液化潜热,另外还有少量的显热。
既然结霜的过程也是一个“取热”的过程,而且是一个取热量相当可观的过程,那么对于热泵的结霜也不必过于担忧,只要对形成的霜进行合理的处理,热泵就可以继续工作。
一般认为,在霜层形成的早期,由于极薄的霜层表面凹凸不平,增加了气流的扰动,蒸发器的表面换热系数是有所提高的,但是,这一个过程将将会随着霜层的继续发展而迅速结束,增厚了的霜层使热阻增加,使蒸发器的换热能力显著下降,进一步降低了蒸发器内的蒸发压力和温度,使表面结霜的倾向加剧,同时,由于空气源热泵热水器的蒸发换热器翅片的片距,一般都比较小,仅为1.8mm左右,霜层的增厚也使空气流通的通道变得狭窄,空气流量迅速降低甚至停滞,降低了蒸发器获得热量的能力。
天舒电器 结霜的机理以及过程

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