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空气源热泵结霜工况下高效能运行研究

作　者: 李腊芳
导　师: 王厚华
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 空气源热泵结霜实验研究数值模拟
分类号: TU83
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

空气源热泵由于具有冷暖两用、节能性及环保性等特点，拥有大量的市场销量和惊人的发展前景。而空气源热泵在冬季制热运行时面临的一个严峻问题是热泵室外机换热器表面容易结霜，从而导致室内供热性能下降等一系列问题。在我国长江流域及其以南等未实现集中供暖的地区，这一现象更为常见。本文就这一问题对恩施地区一台热泵空调器进行了实测调研，紧接着加工了两台空气源热泵室外机样机，利用已有的风洞实验台，完成了结霜工况下的对比性实验，最后采用数值模拟方法对平翅片和开孔型翅片在干工况下的流动和换热进行了对比分析。研究工作为改善空气源热泵冬季结霜工况下的性能奠定了基础，对机组的结构优化设计具有重要的指导意义。主要结论如下：对恩施地区热泵空调器在冬季结霜工况下供热性能研究表明：当机组在环境温度为-2~5℃，室外空气相对湿度高于65%的工况下运行时，室外机翅片表面容易结霜。结霜至一定程度机组便开始融霜，机组结霜-融霜的不断循环，导致室内温度偏低，热舒适感差。测试期间的最低平均换热量仅占机组额定换热量的39.3%，在一个制热除霜周期内，COP值小于1的时段占机组运行总时段的41.7%。对恩施地区热泵空调器供热期的分析推广至夏热冬冷地区，大约有1/3的供热期受热泵结霜的影响不能正常制热，节能性较差。在实测调研的基础上，本文加工了两台不同翅片型式的空气源热泵室外机样机―平翅片和百叶窗翅片，并利用已有的风洞实验台分别对两台样机进行了四种不同风速下的对比性实验。实验结果表明：①平翅片和百叶窗翅片在结霜工况下存在蒸发器阻力相等的时刻，即阻力平衡点。在阻力平衡点前探讨不同翅片型式对结霜的影响有一定的意义；②不同风速下，平翅片的换热性能要明显好于百叶窗翅片，其中，平翅片的平均换热量和平均当量对流换热系数较百叶窗翅片分别提高15.78%和31.18%。这与不同风速下百叶窗翅片的累计结霜量稍高于平翅片（9.95%）是紧密相关的；③结霜工况下两种翅片型式的换热器在不同风速下的COP均偏低，平翅片的COP值在百叶窗翅片的基础上提高11%~17%；④干（湿）工况下换热性能优异的片型并不一定完全适用于结霜工况，针对结霜工况下翅片的流阻和换热性能开发新片型是有必要的。本文最后结合前期调研和实验研究，提出空气源热泵开孔型翅片的思想，通过采用数值模拟软件FLUENT对平翅片和开孔型翅片进行对比模拟，结果显示：开孔使得整个翅片表面的平均温度有大幅度地降低（336.74K~337.54K），其中DK-9型翅片表面的平均对流换热系数在平翅片的基础上提高了23.33%。低风速区（小于1m/s）大范围减小，由于开孔破坏了翅片表面空气边界层的发展，强化了局部换热，使得翅片表面平均对流换热系数相比平翅片提高了16.36%~24.01%。而开孔型翅片阻力值相对于平翅片在相同模拟工况下增加不大。此外，采用金属材料消耗量对开孔型翅片的经济性进行评价，DK-10型翅片相对于平翅片在相同换热量和换热温差下可节约9%的金属材料，其它开孔片型可节约7%~8%的金属材料。因此，开孔型翅片设计时要注重强化换热和换热面积损失之间的平衡。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 研究背景及意义  10-13
    1.1.1 热泵空调器发展现状  10-13
    1.1.2 热泵空调器存在的问题  13
  1.2 国内外研究现状  13-23
    1.2.1 结霜机理方面的研究  14-16
    1.2.2 换热器结霜特性的模拟  16-18
    1.2.3 结霜过程的实验研究  18-20
    1.2.4 除霜特性的研究  20-23
  1.3 本文主要工作  23-24
2 恩施地区热泵空调器供热状况测试研究  24-38
  2.1 测试目的、地点及时间  24-26
    2.1.1 测试目的  24-26
    2.1.2 测试地点及对象  26
    2.1.3 测试时间安排  26
  2.2 测试方法及测试仪器  26-28
    2.2.1 空调制热量  26-27
    2.2.2 性能系数 COP  27
    2.2.3 测试仪器  27-28
  2.3 测试数据结果及分析  28-36
    2.3.1 测试期室外天气状况  28-29
    2.3.2 室外机翅片结霜状况  29-30
    2.3.3 室内外温度及风口温度变化影响  30-32
    2.3.4 室内制热量的变化分析  32-33
    2.3.5 空调能耗及能效比变化分析  33-35
    2.3.6 热泵供热期分析  35-36
  2.4 本章小结  36-38
3 空气源热泵室外机结霜工况下的动态性能实验研究  38-50
  3.1 实验系统  38-44
    3.1.1 实验台介绍  38-40
    3.1.2 实验样件  40-42
    3.1.3 测量系统  42-44
  3.2 实验工况  44-45
  3.3 实验数据处理方法  45-48
    3.3.1 蒸发器换热量  45
    3.3.2 冷凝器放热量  45-46
    3.3.3 蒸发器结霜量  46
    3.3.4 当量对流换热系数  46-47
    3.3.5 蒸发器阻力  47
    3.3.6 机组 COP 值  47-48
  3.4 本章小结  48-50
4 实验结果及分析  50-64
  4.1 不同风速下热泵空调器结霜工况下动态特性  50-54
    4.1.1 蒸发器换热量  50-51
    4.1.2 蒸发器累计结霜量  51-53
    4.1.3 蒸发器阻力  53-54
  4.2 不同片型对热泵空调器结霜性能影响  54-62
    4.2.1 蒸发器阻力  54-56
    4.2.2 蒸发器换热量对比  56-57
    4.2.3 换热器平均当量对流换热系数  57-60
    4.2.4 蒸发器结霜量对比  60-61
    4.2.5 COP 值比较  61-62
  4.3 本章小结  62-64
5 空气外掠空气源热泵室外机翅片的流动换热与数值模拟  64-88
  5.1 平翅片数值模拟  65-77
    5.1.1 模型建立、控制方程及边界条件  65-69
    5.1.2 计算过程及后处理  69-74
    5.1.3 数据处理方法  74
    5.1.4 模拟结果分析  74-77
  5.2 改进思路提出及模拟验证  77-84
    5.2.1 改进方案的提出  77-80
    5.2.2 模拟验证  80-84
  5.3 改进翅片综合对比分析  84-87
    5.3.1 消耗金属材料对比  84-85
    5.3.2 不同雷诺数下换热及阻力特性对比  85-87
  5.4 本章小结  87-88
6 结论与展望  88-92
  6.1 结论  88-90
  6.2 展望  90-92
致谢  92-94
参考文献  94-104
附录  104

空气源热泵结霜工况下高效能运行研究

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