空气源热泵(VRV)空调系统除霜特性研究

同济大学

硕士学位论文

空气源热泵（VRV）空调系统除霜特性研究

姓名：曹静

申请学位级别：硕士

专业：供热、供燃气、通风及空调工程

指导教师：刘传聚

20030601

摘要

空气源热泵（ｖＲｖ）空调系统冬季运行会因结霜而影响其供热量，甚至引起运行故障，结霜情况的判定、合理的除霜控制以及除霜控制技术是亟待解决的问题。本文主要分为四个部分：第一部分，从理论上分析了霜的形成和生长机理，讨论了影响霜层形成的因素以及结霜对机组性能的影响因素，其中室外空气的温度和湿度是影响结霜的主要因素；第二部分，分析研究现有的除霜方法和除霜控制技术，指出正确设定除霜循环起始点是热泵机组除霜控制的关键：第三部分，通过对空气源热泵（ＶＲＶ）空调系统冬季运行工况的实测，分析ＶＲＶ空调系统结霜的影响因素，对结霜运行中机组制热量、输入功率、ＣＯＰ的变化进行研究。随着室外机结霜的进行，制热量、输入功率都呈现下降趋势，制热量甚至下降５０％左右：第四部分，通过对机组除霜工况下制热量、输入功率等参数的动态响应进行研究，分析机组除霜特性，ＶＲＶ机组采用热气逆向循环除霜方法，按时间一温度控制法控制除霜，并可根据地区设定不同的修正系数。空气源热泵ⅣＲＶ）空调系统采用电子膨胀阀和压缩机变频调速配合控制，使除霜快速、节能。最后，论文对ＶＲＶ机组结霜运行、有效除霜提出一些改进建议。

关键词：空气源热泵除霜电子膨胀阀除霜控制

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｗｉｎｔｅｒ，ｆｒｏｓｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆａｉｒ－ｓｉｄｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｆａｉｒ－ｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐ（ＶＲＶ）ｓｙｓｔｅｍｉｓａｍａｊｏｒｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｉｔｓｈｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｏｒｅｖｅｎｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｕｓｉｔｉｓｖｅｒｙｕｒｇｅｎｔｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｆｒｏｓｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｑｕｉｃｋｌｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｅｆｒｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｏｕｒｐａｒｔｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎａｌｙｚｅｓｆｒｏｓｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｆｒｏｓｔｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ

ｈｕｍｉｄｉｔｙｏｆｏｕｔｄｏｏｒａｉｒｐｌａｙａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｔ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｏｓｔｉｎｇｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｉｒ－ｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｄｅｆｒｏｓｔｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｄｅｆｒｏｓｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｏｆ

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ｈｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄＣＯＰｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｆｒｏｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｆｒｏｓｔｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｗｉｌｌｅｖｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｔｏ５０％．Ｆｏｕｒｔｈｌｙ，ｂｙｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ

ａｎｄｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｎｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈａｓｈｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

Ａｉｒ－ｓｏｕｒｃｅＨｅａｔＰｕｍｐ，Ｄｅｆｒｏｓｔ，ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｘｐａｎｓｉｏｎＶａｌｖｅ，ＤｅｆｒｏｓｔＣｏｎｔｒｏｌ

声明

本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：空气源热泵（ＶＲＶ）空调系统除霜特性研究。除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

学位敝作者躲够街

≯佃弓．易．／

同济大学硕士学位论文第１章绪治

第一章绪论

１．１研究背景

近年来，随着地区经济的发展及各类综合建筑的建设和使用，空气源热泵机组在我国城市发展中应用越来越广泛，特别是长江流域，在较大的中央空调系统中空气源热泵机组也有应用。

冬季，空气源热泵机组供热运行时．当空气露点温度高于蒸发器翅片表面温度，翅片表面结露：当翅片温度低于Ｏ℃时，翅片表面就会结霜。霜是由冰晶构成的多孔性松散物质，其热阻视厚度不同而不同，约是钢管热阻的９０＿叫５０倍，由于霜的形成与增长，加大了蒸发器表面与空气间的传热热阻，改变了风机的工作点，使通过蒸发器的空气流量下降，导致由空气向蒸发器的传热量下降，热泵机组的工作状况不断恶化，以致不能正常工作。因此，空气源热泵在结霜条件下运行时需适时除霜。影响蒸发器表面结霜的因素很多，如蒸发器结构、大气环境（温度、湿度）以及风机特性等。

我国幅员辽阔，可以将空气源热泵机组适用地区根据结霜情况分为４类“３：①低温结霜区：济南、北京、郑州、西安、兰州等。这些地方属于寒冷地区，气温比较低，相对湿度也比较低，所以结霜现象不太严重；②轻霜区：成都、重庆、桂林等。在这些地区使用热泵时，结霜不明显或不会对供热造成大的影响，热泵机组特别适合这类地区应用：③重霜区：如长沙。该地区相对湿度过大，而且室外空气状态点恰好处于结霜速率较大区间。在使用空气源热泵供热时，必须充分考虑结霜对热泵性能的影响：④一般结霜区：杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。在使用空气源热泵供热时，要考虑结霜除霜对热泵性能的影响。以上可看出：长江中下游一带四季分明，即冬冷夏热，而且冬季不大会出现极其严寒的天气，而相对湿度在７５—１００％。在此气候条件下，热泵机组结霜现象较为严重，特别是在夜间运行，结霜现象更突出，较大地影响了制热效果。因此，空气源热泵供热时蒸发器结霜及除霜造成的机组供热能力下降是亟待解决的问题。

近年来，变频控制热泵式ＶＲＶ空调系统由于系统结构简单、控制灵活、高

效节能、安装灵活等优点，应用越来越广泛。该系统中含有当今许多高新技术，如变频控制、模糊算法、无极性配线和电子膨胀阀等。这些技术的采用极大地提高了该系统的调节性能，但是冬季制热时同样也无法避免蒸发器结霜，对系统冬季运行造成较大的影响。

因此，可以预见对热泵ｖＲｖ空调系统结霜工况下的运行情况、除霜方法及除霜控制的进一步研究是有前景、有意义的工作。

１．２研究现状及文献综述

１．２．１结霜现象研究及文献综述

研究者发表的有关霜的性质（如密度、热导率等）及有关霜生长模型的论文大致可分为三类：①研究霜的性质，密度、热导率等；②研究不同的简单几何形状下霜生长过程；③模拟霜的生长过程。在第一类文献中，比较突出的有Ｈａｙａｓｈｉ的论文，他在文献中提出了霜密度Ｉ；苞霜表面温度变化的关系式。１；在Ｙｏｎｋｏ和Ｓｃｐｓｙ的论文中．根据实验值拟合了霜密度变化的关联式。１：０’Ｎｅａｌ也曾在其一篇文献综述中列举了多个霜热导率公式及密度公式，并提出一新的热导率公式，并与多种实验数据进行了校验“３。在第二类文献中，Ｃｈｕｎｇ对霜层的内部分布进行探讨８１，而Ｙｏｎｋｏ和Ｓｃｐｓｙ的论文因其实验数据测试的时间跨度长、数据采集间隔短且考虑的情况比较全面而被其他论文频繁引用。在第三类文献中，这些文献所采用的结霜模型并非完全一致，它们又可分为好几类。其中，较为成熟的模型有Ｊｏｎｅｓ和Ｐａｒｋｅｒ等采用的分子扩散模型“１。这些模型从分子扩散原理出发，将化为霜的水汽分为两部分考虑，一部分相变成霜层表面的霜以增大霜层厚度，另一部分渗入霜层增加内部霜层密度。另外，有半经验公式法，如Ｓｈｅｒｉｆ的文献等。１，还有简单地采用传质系数和换热系数来模拟结霜过程，如Ｐａｄｋｉ的文献蜘等。近年来．Ｙ．ＸＴａｏ等采用无量纲的方法对霜层生长和霜密度分布作了预测。这三类文献之间是相辅相成的关系。

而在结霜情况下，霜厚和霜密度都较难测得。各位研究者采用的方法也不尽相同。Ｙ．Ｓ．Ｍａｏ采用了激光测霜厚和移片测霜密度。所谓移片测霜密度就是在冷壁面上帖附…薄圆片，待结霜后将薄片连霜取下，称出重量，测出体积后

就可得到霜平均密度。Ｔｒａｍｌｎｅｌ在实验中也采用了激光测厚法：Ｈａｙａｓｈｉ则采用照相法：ＡｂｄｅｌＷａｓｈｅｄ用装有一个可作三维运动的测深尺探针来测霜厚：Ｏｓｔｉｎｅ则采用装有光导纤维的千分尺，当实验者观察不到纤维透出的光时，千分尺的顶端就被认为与霜表面接触，根据千分尺的显示值就可知霜的厚度；Ｓｔｏｅｃｋｅｒ采用天平称霜量，而盘管的顶面、侧面和底面的霜厚则采用深度计；也有人采用间接方法测霜的沉积份量，或根据霜融化后，称水的重量来间接获得霜重：而０’Ｎｅａｌ根据流通的空气流率和进出口的湿度差间接算出沉积为霜的水汽重量。以上所列文献除Ｓｔｏｅｃｋｅｒ的和Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ、０’Ｎｅａｌ的以外，多是有关简单几何形状结霜研究，这些研究的不断发展也同时促进研究者对换热器表面结霜的研究。

１９６０年，Ｓｔｏｅｃｋｅｒ发表了霜对盘管工况影响作用的论文。作者在论文中详细分析了结霜现象对盘管所产生的影响作用，并指出早期薄霜的产生不仅不会削弱盘管的工作，而且还能增加换热器的总换热效率，同时他在文中提出霜对蒸发器工作性能的影响主要表现在两方面：霜的形成阻隔了蒸发器表面与空气之间的接触，在蒸发器表面与空气之间增加了一层热阻：霜的形成增加了蒸发器的压降，使能带走的空气热量减少，导致制冷量下降。从论文整体而言，Ｓｔｏｅｃｋｅｒ对盘管结霜的研究是比较全面的，但限于当时对霜的研究不成熟，无法从结霜机理的基础上对实验结果提出解释。Ｓｔｏｅｃｋｅｒ以后，Ｇａｔｅｓ等观察了霜对带肋片盘管换热系数和压降的影响。１，对九种具有不同翅片间距和管排数的翅片管进行了实验：Ｋｏｎｄｅｐｕｄｉ、０’Ｎｅａｌ除了在１９８７年写了一篇有关结霜的综述以外，在１９８９年发表了一篇有关百叶窗式换热器结霜的文章，在１９９３年他们又发表了有关针式换热器在结霜工况下简单建模的论文。这些文献主要侧重于各种形式换热器结霜实验的研究，相对于实验研究对换热器进行建模的较少，而且即使有也是比较简单的模型。其中，可以查到的有Ｏｋａｒｓｓｏｎ等人全面考虑干、湿、霜三种工况下蒸发器模型的文献“。，Ｙａｓｕｄａ等人有关结霜工况下热泵仿真模型的文献…１，华中科技大学开展的结霜工况下空气源热泵的模拟计算，吴清前的空气源热泵冬季运行模拟与理论计算等文献“”。

１．２．２除霜方法、控制方法研究现状及文献综述

近年来，有不少关于除霜方法及控制方法的文献发表。如Ｄ．Ｌ．０’ｎｅａｌ等对除霜工况下一台空气热泵的动态特性进行实验研究。”，对制冷剂的温度、压力、流量、压缩机和风机的功耗进行了观测。Ｗ．Ａ．Ｍｉｌｌｅｒ等对一台空气热泵进行了观测，对影响热泵运行的因素进行分析，并对结霜和除霜的损失进行了计算““。这一部分主要是关于热泵结霜或除霜工况下的运行情况。另一部分可以查到的文献是对热气除霜的建模及实验验证，由于热气除霜过程中的相变及其非线性，使得很难得出精确的数学模型。Ｓ．Ａ．Ｓｈｅｒｉｆ等人在前人的基础上对热气除霜的数学模型进行了改进，根据模型预测的结果同实验较为吻合“”。Ｋ．Ｉ．Ｋｒａｋｏｗ建立了一个理想化的数学模型，实验结果表明该模型可以很好地对热气除霜过程进行模拟““。Ｅ．Ｋｕｗａｈａｒａ等人发表了一篇有关减少除霜时间的论文“”，提出了减少除霜时间的方法。Ｓｔｏｅｃｋｅｒ等人对除霜过程中能量使用、损耗情况进行分析，提出了改进方法““。近年来，国内对除霜方法及控制方法研究也较多，主要的论文有童军茂对冷风机自动除霜方法的研究“”。赵育川关于冷风机热气除霜节能的文章啪１。黄虎对冷风机对热泵除霜进行了系统的研究，对一台分体式空气一空气热泵进行了两年的现场监测，得到了相当的结霜、除霜工况下机组运行数据。并对除霜控制方法进行了分析”“。史剑春对热力膨胀阀的开度难以适应除霜循环对制冷荆流量的要求提出了双热力膨胀阀系统””。刘国强对食品陈列柜和装配式小冷库的融霜及其控制进行了研究。以及陈汝东、许东晟、苏生对制冷装置除霜方法的研究，并搭建实验台，对一种较为新颖的除霜方法——贮液器除霜进行了实验验证“”。”。

除霜的方法很多。主要有停机除霜、液体除霜、电加热除霜、热气除霜等方法，这些方法中，除热气除霜方法外，其它方法都是从结霜盘管外部加热除霜，效果较差。而应用比较广泛的是热气除霜。控制方法主要有：定时除霜法、时间一温度（压力）法、空气压差控制法、霜层传感器控制除霜法、声音震荡器控制除霜法、最大平均供热量控制除霜法、最佳除霜时间控制法、自适应模糊控制除霜法。

１．３课题主要工作、

本文通过霜的形成和生长机理、影响热泵机组结霜因素分析、热泵机组结霜后对机组的影响作理论分析，对空气源热泵（ＶＲＶ）空调系统在结霜工况下的运行特点和性能进行实验研究，对该系统的除霜和除霜控制方法进行分析，并提出一定的改进建议。

图２－１霜的生长过程

２．１．２结霜工况模型

空气源热泵制热时，当室外机盘管表面温度低于Ｏ℃时将凝华结霜。结霜时，空气中的水分一方面进入霜层增加霜的密度；另一方面，增加霜的密度。霜层厚度的变化和霜层密度的变化造成翅片盘管的换热系数、气流阻力和空气流量都发生较大的变化。当机组处于结霜工况时，机组实际上处于一个动态过程，每一瞬间机组所处的换热条件都在变化。结霜问题研究的重点是霜层物性，其中两个最重要的参数是霜的密度和导热系数。假设霜层在翅片盘管表面作均匀分布，结霜换热模型表述如下：

霜的积累速率是由进出室外换热器空气湿度的变化决定的：

ｍ，＝ｍａ０。－ｄ。。）（２一１）式中ｍ。——空气的质量流量，堙／ｓ；

７

ｄ。，ｄ。。——分别为空气进、出换热器的含湿量，ｋｇ／ｋｇ。

由于霜的多孔性和分子扩散作用，在表面温度低于Ｏ＇Ｃ的换热器上沉降为霜的水分ｍ，，一部分用以提高霜层的厚度朋，，一部分用以增加霜的密度ｍ，即

（２—２）Ⅲ，＝ｍ５＋玳Ｐ

霜的密度ｐ＿与换热器表面的温度、空气的温度、相对湿度、流速和结霜的时间等有关，结霜时问越长，霜的密度越大。计算时，先假设一个初始密度

由下式计算霜的导热系数，再计算霜密度和厚度的变化。

扎＝ｏ，００１２０２ｐ芦３（２－３）对于每一个时间步长△ｔ霜密度的变化和厚度的变化为：

印户２希４‘２卅笳一。孝出

（２—５）式中丘——换热器的总换热面积，ｍ２

以——霜层的厚度，ｉｎ。

２．２影响热泵机组结霜的因素分析

热泵机组结霜的机理及结霜对传热的影响涉及因素很多，霜层的形成和影响因素比较复杂，主要有冷却面、室外气候条件及时间等。

结霜对热泵性能的影响国内外已有很多学者进行了实验研究。从中发现，热泵供热量、消耗功和性能系数，均随结霜时间的延长而下降，这主要是由于霜的形成对蒸发器的换热性能和空气侧压降产生较大的影响而引起的。就蒸发器的换热性能而言，霜的影响主要体现在五方面：

１）霜层表面粗糙，增加了换热面积：

２）蒸发器表面结霜初期，空气流通截面减小，空气流速增大，空气侧对流换热系数增大，加强换热性能：

３）霜在蒸发器表面沉积会增加热阻；

４）积聚的霜同时会增大流经蒸发器的空气阻力，导致风机工作点偏移，从而使系统的空气流量减少，最终导致蒸发器冷量下降。

从上可以看出，霜对蒸发器换热既存在正面影响也存在反面影响，在结霜初期有利于热交换，随着霜层的增厚，最终会导致换热量减小，总之，结霜过程是一个复杂的综合效应作用下的动态过程。

２．２．１气候条件

①温度和湿度：图２－２是根据日本学者对不同空气源热泵机组的实验结果拟合的曲线”１。当室外气象参数落在图示曲线围成的范围内，会发生结霜现象。从图中可以看出，相对湿度和室外干球温度是影响热泵结霜的重要因素。

温度／℃

图２－２空气源热泵结霜的室外空气参数范围发生结霜现象的可能范围为一１２．８℃≤ｔ≤５．８。Ｃ。当气温高于５８℃时，相对湿度小于６７％时，由于空气露点温度ｆ。高于室外换热器表面温度ｔ，不发生结霜现象：当气温低于．１２．８℃时，由于空气绝对含湿量太小，也不发生结霜现象。

由此可见：并不是室外温度越低，结霜就越多。对于一台热泵机组来说，

最恶劣的工况是５。Ｃ到一５＂Ｃ之间有雾或有雨雪天气，而不是气温更低的情况。

例如，在～８℃，７０％相对湿度的情况下，结霜量要比上面的最恶劣工况的结霜

量小得多。－‘

②气流速度：在强制对流的情况下，气流的流速对霜的形成有较大的影响。迎风风速较小时（Ｏ．６一ｌｍ／ｓ），不能吹走霜晶，盘管结霜较快，且霜层厚度增加较快：迎风风速较大时（３ｍ／ｓ），则结霜状况明显改善。“。这主要因为风速高时一方面加大了换热器的传热系数，在相同的大气条件下，可使蒸发温度有所提高，从而提高翅片表面温度：另一方面，高风速可以吹走霜晶。不同的迎风风速下的实验曲线（见图２—３）便证明这点。

室外干球温度七／℃

图２．３空气盘管表面上的湿空气状态

在不同的迎面风速下．空气源热泵的空气盘管上湿空气存在着三种不同的状态。图中ＡＢＣ为结露区、ＡＢＤ为凝露区、ＣＢＤ以下为干冷却区，既不结霜也不凝露。ＡＢ线为结霜结露转变曲线，它接近于等湿球温度线。

另外。机组运行时间越长，结霜的可能性就会越大；且上一次开停周期中停机时间越短，越可能会加剧结霜的倾向。

２．２．２冷却面因素

冷却面因素是指肋片换热器的温度和形状结构情况。

①温度因素：当盘管表面温度低于０＂Ｃ，且低于入口处空气的露点温度时

Ｏ

空气就会析出并在蒸发器表面形成霜层。在一定条件下，盘管表面与入口空气之间的温差越大，结霜速度越快。结霜也越严重。

②换热器的结构因素：包括肋片间距、沿气流方向管排数、肋片表面粗糙度等对结霜的影响。

（Ｉ）肋片间距对结霜的影响

结霜引起气流受阻是影响蒸发器性能的主要因素，因此，翅片间距的选择对于结霜工况下运行的风侧换热器的设计十分重要。过去，为在一定的风侧换热器外形尺寸下增加换热面积，翅片间距往往取得较小，而对于结霜工况下运行的换热器，较小的翅片间距由于霜层厚度的增加导热换热器性能迅速恶化。近年来，有学者。”建议不同的地区采用的翅片间距为：长江流域（不低于～５。Ｃ）为２．５～３ｍｍ，黄河流域（不低于－１５。Ｃ）为４ｍｍ。但此结论并没有充分考虑湿度影响。总之，对于结霜地区的空气源热泵应适当加大翅片间距，要同时考虑使用地区大气温度和相对湿度条件，以及机组在不同工况下（制冷、制热）运行的时间等因素，以使空气源热泵的全年运行效果最优。

空气源热泵换热器翅片形式一般有平片、波纹片及开窗翅片三类。但在结霜工况下，开窗翅片结霜后的气流阻力要大于平片和波纹片。因此，对于在结霜工况下运行的空气源热泵的风侧换热器建议不用开窗翅片。

（１Ｉ）沿气流方向管排数对结霜的影响

在相同的风侧换热器换热面积及相同蒸发温度下，换热器回路数对换热系数有一定影响。如图２。５，在同一环境条件下，将风侧换热器回路数不同的两台热泵机组进行制热运行的对比实验，换热器回路数由１０路变为２０路，管内换热系数减小了１５％左右啷１。管内换热系数的下降，必然影响制冷剂与空气流间总的传热系数，进而恶化低温环境下空气源热泵的工作条件。因此，发现最终结果是回路数多的热泵机组结霜状况较为严重，翅片管表面挂霜也比回路数少的热泵机组早。

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回路数

图２－５管内换热系数随回路数的变化

（Ⅲ）肋片表面处理对结霜的影响

国内外就抑制换热器表面结霜的问题进行了大量研究呻埘Ｈ３”，如对换热器表面进行憎水处理，增大其与水的接触角等。普通金属表面与憎水镀层表面，在相同工况下的结霜情况进行了对比实验，结果表明，憎水性镀层表面换热器开始结霜的温度比前者低３～５＂Ｃ。国外有学者对换热器表面进行亲水处理、不处理和憎水性处理的对比实验。实验发现：随着翅片表面憎水性的提高，能延长除霜周期，提高热泵制热能力。

２．３结霜对机组性能的影响

２．３．１结霜对肋片效率的影响

肋片效率７７，定义为实际换热量与整个肋片表面处于肋基温度时的换热量的比值。对于热力性质、几何外形一定的扁平肋片，假定其顶部绝热，一维导热，其肋片效率为。“：

旷掣（２＿６）其中：ｍ——肋片参数；

卜一肋片当量长度。

无霜情况下，肋片参数ｍ为：

（２—７）式中ａ。——空气侧的传热系数，ｗ／ｍ２?ｋ；

Ｐ——肋片周长，ｍ：

五，——肋片导热系数，ｖ，，／ｍ?ｋ；

』ｃ——肋片截面积。ｍ２。

图２－４为一典型肋片表面覆盖一层霜的剖面图。假设霜层一致为以，肋片厚度６，与霜层厚度为同一数量级。

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／毳爱

Ｌ一／一，一；Ｌ～ｌ

图２－４结霜后翅片示意图

选用肋片形式为矩形平板型，研究结霜对空气蒸发器性能的影响，并引入湿肋片效率概念，可以认为饱和湿空气的焓＾。与空气温度‘具有线性关系ｍ’：

ｈ。＝Ｃｌｏ＋ｂｒｏ（２—８）式中ａ。——温度Ｔ＝Ｏ＂Ｃ时的基准焓，ｕ／ｋｇ：

６——特性曲线的斜率，圳培?℃。

上式仅适用于．３０＂Ｃ～．１０＂Ｃ的温度范围。通过采用了这种线性化，对于同时进行热质交换过程，湿肋片参数ｍ。定义为：

肌ｗ＝

（２－９）厩

式中，ｃ，为湿空气的比热。

假设：

ａ、沿扩展表面的传热是一维．霜层内没有沿肋片长度方向的传热：ｂ、沿肋片长度方向霜层厚度均匀一致，传热系数均匀一致；ｃ、忽略不计肋基表面上霜层。

引入霜层的平均热阻，并将其并入肋片参数以获得有霜时的肋片效率的表达式，得到以下有霜的肋片效率Ｔ１。：

髓ｋ，ｆＪ％２弋Ｆ

其中，…步＝颤、如分别为霜层厚度和霜的导热系数。

２．３．２结霜对传热系数的影响

翅片管换热器结霜后的总传热系数Ｋ可阻式表示，即

其中％——干表面传热系数，Ｗ／（ｍ２?Ｋ）；

亭——霜表面析湿系数；

以——霜层厚度，ｍ：

且——霜的热导率，Ｗ／（ｍ?Ｋ）：

叩。——结霜表面的翅片效率；

口——肋化系数；

圆——制冷剂侧表面传热系数，ｗ／（ｍ２?Ｋ）。

（２—１０）（２一１１）（２－１２）

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总传热系数随着换热器彤式、霜的性质以及空气流量的变化将发生变化。图２－６显示了不同气流流量和不同肋片间距时，结霜对Ｋ的影响。“。

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图２－６Ｋ随积霜量的变化

图２—７反映随着霜层厚度的增加，臣变小的趋势。

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图２．７Ｋ与霜厚的变化

图２－８啪１反映不同相对湿度时，结霜对总传热系数的影响。从图中可见，Ｋ受相对湿度的影响很大，相对湿度够大，则嚣值较大：当霜层厚度增加时，Ｋ减小。还可看出，结霜时间相同时，相对湿度大，则结霜厚度大，传热系数Ｋ减少得也更快。

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积霜时揖（ｈ）

图２－８Ｋ与霜厚及相对湿度的关系

通过对式（２—１２）与图２—６、图２—７、图２－８的综合分析可得出：

１）足在结霜初期增大。这是因为霜开始形成时表面粗糙度增大，引起传热面积增大，同时气流速度也增大。

２）最终足减小。因为霜层增厚，热阻增大。

２．３．３结霜对空气阻力的影响

通过盘管的空气压力降△ｐ，也是一个重要参数，它反映了气体流量和通道的阻塞情况，空气侧的放热系数和空气压力降也是密切有关的。结霜带来的压力损失，可以认为是流通断面减小和霜层表面粗糙度增加造成的。式（２．１３）。”给出通过盘管的空气压降，可以反映空气流量和通道阻塞情况。

ＡＰ＝１／２ｐ，ｉ．９２【（以＋ｌ一仃２）＋ｃｊ爿／４一（１一盯２一砭）】（２－１３）式中：

Ｋ，——换热器进口渐缩损失系数

Ｋ。——换热器出口渐扩损失系数

Ｃ，——阻力系数

４——换热器总面积，１１－１２

Ａ，——换热器最小自由流通面积，１Ｔ１２

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