气流速度和翅片间距对翅片通道内结霜分布和传热的影响

《International Journal of Refrigeration》：Effect of air velocity and fin spacing on the frosting pattern and heat transfer in fin channels

　　

摘要

翅片管换热器上的结霜会降低传热能力，并导致制冷和热泵系统性能下降。风速和翅片间距对翅片表面的霜层空间分布具有重要影响。促使翅片前缘附近霜层过度积聚的运行条件是不利的，因为它们会加速传热性能恶化。本研究调查了风速和翅片间距对翅片通道内霜层积聚模式和传热的影响。研究者开发了一个两相欧拉-欧拉结霜模型，并将其与实验观测到的霜层分布和实测传热率进行了验证。针对两种翅片间距和一系列入口风速进行了数值模拟。结果表明，由Teertstra、Yovanovich和Culham（2000年）定义的修正雷诺数 ${\text{Re}}_{\mathrm{b}}^{*}$ 是翅片前缘附近霜层过度积聚的有效指标。在充分发展流动条件下（${\text{Re}}_{\mathrm{b}}^{*}$ < 10），霜层积聚在前缘附近，由于气流阻塞导致传热急剧下降。相比之下，在较高雷诺数下，霜层沿翅片表面分布更加均匀，传热性能下降最初由霜层保温效应主导，而随着结霜进程推进，质量流量的减少变得越来越重要。在所调查的所有工况中，性能损失范围为44.42%至88.77%，具体取决于入口风速和翅片间距。最严重的性能恶化出现在促进前缘霜层强烈积聚的条件下，证实了局部阻塞是传热性能下降的主要驱动因素。

引言

翅片管蒸发器的传热效率对制冷系统的制冷量和能耗具有重要影响。在结霜条件下，沉积的霜层引入了额外的热阻，并逐渐阻塞气流通道，从而降低制冷性能。因此，可靠的霜层生长模型对于低温高湿环境下换热器的设计而言是宝贵的工具。

从分析角度来看，霜层生长模型的理论基础由Jones和Parker（1975年）奠定，他们将结霜描述为一种扩散控制过程，其中传入的水蒸气既促进霜层生长，又促进内部致密化。此后许多研究集中于平板构型以隔离主要物理机理。Lee等人（2003年）通过引入过饱和程度提高了预测精度，表明霜层表面的蒸气压可以超过界面温度下的饱和压力。Kandula（2011年）随后利用相似变量推导了层流结霜的精确解析解，提供了霜层厚度随时间和雷诺数变化的代数标度关系。

关于翅片换热器的实验研究表明，结霜行为强烈依赖于运行条件和几何结构。Kondepudi和O'Neal（1989年）研究了百叶翅片换热器，报告相对湿度、正面速度和翅片密度显著影响霜层积聚、压降和传热。Yan等人（2003年）表明气流减小会促进霜层积聚并增加压降，而Deng等人（2003年）则表明更窄的翅片间距会加速总传热系数的下降。Zhang等人（2019年）进一步报告，较低的正面速度会导致翅片管换热器上更厚的霜层。总体而言，这些研究证实，气侧流动条件和翅片几何结构共同决定了结霜相关的传热和压降惩罚。

数值研究采用了复杂度各异的模型来处理结霜问题，从半经验一维公式到多维计算流体力学方法。Seker等人（2004年）应用了一种基于经典传热传质关系和霜层特性经验关联的瞬态模型。Yao等人（2004年）使用分布式模型预测局部霜层生长速率，并发现换热器不同区域之间存在显著的非均匀性。Tso等人（2006年）引入了非均匀壁面温度分布，证明了其在决定局部霜层生长和致密化方面的重要性。Lenic等人（2009年）通过瞬态二维模型表明霜层在进口区域附近生长更快，强调了前缘霜层积聚的重要性。Da Silva等人（2011年）进一步强调了风机与盘管相互作的重要性，表明气流衰减可能是性能下降的主要原因。其他研究还考察了几何结构和局部流动限制的影响：Padhmanabhan等人（2011年）和Armengol等人（2016年）表明非均匀的霜层剖面图和通道缩窄会显著改变局部传热和压降。更详细的计算流体力学方法也得到了发展。Cui等人（2011a）捕捉了霜层的空间演化过程并量化了前缘效应，而Cui等人（2011b）则表明初始阶段霜层生长对表面结构和润湿性敏感。Wu等人（2017年）、Popovac等人（2021年）和Zhao等人（2022年）进一步证明，复杂翅片几何结构中的结霜会导致严重的局部阻塞、压降升高和高度非均匀的沉积。最近，Saygin等人（2023年）采用了一种欧拉多相计算流体力学模型，将湿空气和霜晶视为相互渗透的连续介质，从而能够详细模拟结霜过程中的耦合传热传质。

尽管换热器中的结霜已被广泛研究，但实验调查通常关注全尺寸几何结构，而数值研究往往依赖简化域，并且通常主要与霜层分布模式或压降数据进行验证。相比之下，较少有研究直接使用传热测量数据来验证结霜模型。本研究考察了一个实验室规模的翅片管换热器，通过实验测量了翅片上的霜层分布和传热数据，并用于模型验证。验证之后，该模型被用于分析翅片间距和入口湿空气速度对霜层演化和传热性能的影响。传热结果还以无量纲形式进行了进一步解释，以阐明结霜条件下导致性能下降的机理。

各节摘要

实验装置与测量不确定度

实验在图1所示的闭式风洞中进行。翅片管换热器放置在风洞的试验段中。实验所用换热器的几何结构如图2所示。换热器连接至一台制冷恒温水浴，该水浴将水-单乙二醇混合液泵入换热器的管内。风洞内的空气由位于试验段下游的轴流风机驱动循环，如图

结霜模型的控制方程

结霜采用基于欧拉-欧拉方法的两相模型进行建模，其中湿空气和冰被视为两个相互渗透的相。此外，还求解了水蒸气的组分输运方程，以考虑由于霜层积聚导致的水蒸气含量减少。控制方程列于表2中。

由于相变引起的质量、动量和能量传递通过添加在方程右侧的源项进行建模。除源项之外

入口速度对结霜和传热的影响

本节讨论不同入口速度条件对四翅片和八翅片翅片通道构型中结霜行为的影响。测试条件参数列于表5中。在所有模拟中，相对湿度保持在80%，入口湿空气温度设定为7°C，翅片表面温度取为-18°C。在计算域入口设置总压水平而非恒定速度条件。该方法允许质量流量

结论

本研究数值分析了风速和翅片间距对翅片通道内结霜模式和传热的影响。所开发的数值模型使用在实验室规模翅片管换热器上获取的实验数据进行了验证。然而，由于完整的三维管-翅几何结构未

CRediT作者贡献声明

Kaan Demirhan：形式分析、方法学、调查、可视化、写作——审阅与编辑。Alper Abdusoglu：方法学、调查。Enes Murat Yakut：调查。Altug Melik Basol：构思、方法学、监督、项目管理、写作——审阅与编辑。Mehmet Arik：资源、监督。

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