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        基于抑霜方法的大流量低溫空氣補償換熱器設(shè)計

        2020-09-10 08:03:50李冬梅馬建軍
        環(huán)境技術(shù) 2020年4期

        李冬梅,馬建軍

        (中國飛機強度研究所,西安 710065)

        前言

        在氣候?qū)嶒炇疫M(jìn)行飛機發(fā)動機低溫起動試驗時,根據(jù)試驗要求,需向環(huán)境室內(nèi)補充流量高達(dá)400 kg/s的0~-55 ℃的低溫氣體。這些低溫氣體是室外空氣經(jīng)由換熱器多級換熱后生成的。當(dāng)室外空氣流經(jīng)低溫?fù)Q熱器時必將造成換熱器表面結(jié)霜,而霜的形成會對換熱器的換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響,當(dāng)結(jié)霜達(dá)到一定程度,換熱系統(tǒng)運行效率將大大降低,進(jìn)而影響試驗系統(tǒng)的正常工作,因此有必要進(jìn)行除霜操作以保證試驗持續(xù)性。

        通過研究,在換熱器結(jié)霜早期,霜層的形成增加了傳熱表面的粗糙度以及換熱面積,使總換熱系數(shù)呈增長趨勢。隨著霜層厚度δ繼續(xù)增大,導(dǎo)熱熱阻也將增加,風(fēng)側(cè)阻力逐漸增大,總換熱系數(shù)開始降低。這時就要開始對換熱器除霜,以保持實驗室溫度始終處于可控狀態(tài)。

        通常的除霜方法有兩種:抑制結(jié)霜和主動融霜。目前工程中采用的除霜方法是先停止換熱器工作,再用熱氣或電加熱對霜層融化處理。但是,發(fā)動機低溫起動試驗連續(xù)性要求高,試驗過程不容中斷,故不宜采用除霜模式。鑒于此,借鑒美國麥金利氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的成功經(jīng)驗,對空氣補償系統(tǒng)采用抑霜設(shè)計,控制試驗過程中低溫?fù)Q熱器表面的結(jié)霜厚度δ不大于某個值,處于合理區(qū)間,從而維持換熱器的正常換熱效率[1-3]。

        其中抑制結(jié)霜技術(shù)有兩種:①通過降低外來氣流濕度和表面改性等被動手段;②利用外加電場、磁場、超聲波等主動手段進(jìn)行。上述方法只能推遲結(jié)霜發(fā)生的時間或減小結(jié)霜速度,并不能完全避免結(jié)霜,不適用于發(fā)動機低溫起動試驗超大空氣流量、極端低溫的使用條件。因此有必要依據(jù)氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的技術(shù)指標(biāo),針對性的研究一種換熱器有效抑霜技術(shù),來保持其正常的換熱效率,保證試驗在規(guī)定時間內(nèi)能夠連續(xù)進(jìn)行[9]。

        1 結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率的影響[9,10]

        當(dāng)換熱器表面溫度低于0 ℃時,就會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,對蒸發(fā)器換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱效率下降,嚴(yán)重者甚至影響制冷系統(tǒng)運行效率。分析原因主要表現(xiàn)在下述方面:①在蒸發(fā)器表面大量沉積會增加熱阻;②蒸發(fā)器表面結(jié)霜引起氣流通道截面積縮小,阻力增大,流量減小;③霜層積聚填充了翅片和管子之間的空隙,因此減小了翅片和管子的接觸熱阻。

        為了減少甚至消除結(jié)霜現(xiàn)象對系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響,國內(nèi)外許多學(xué)者對換熱器結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Jeng-MinHuang等用數(shù)值計算的方法,研究了結(jié)霜厚度對管片式換熱器換熱性能的影響,得出了不同翅片間距情況下,換熱器的傳熱率與霜層厚度的關(guān)系,如圖1所示。明確指出表面結(jié)霜的管子換熱性能主要受臨界半徑的影響,而不是表面粗糙度的影響。文中建議在管片式換熱器單根管子有一半發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時,應(yīng)開始化霜,否則此時隨著結(jié)霜現(xiàn)象的繼續(xù),換熱量會大幅下降。

        圖1 霜層厚度對傳熱率的影響

        2 氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車試驗空氣補償系統(tǒng)之換熱器設(shè)計[4-8]

        2.1 發(fā)動機開車空氣補償原理

        圖2所示為氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車大流量冷空氣補償工作原理。試驗之前,根據(jù)環(huán)境溫度需求,設(shè)定合理的制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度,通過初始換熱將冷量交換給載冷劑,并儲存在載冷劑儲罐1中。當(dāng)進(jìn)行發(fā)動機低溫起動試驗時,將儲罐1中的載冷劑冷量供給換熱器組,與引入的大量室外空氣進(jìn)行冷熱交換,將空氣溫度調(diào)節(jié)至試驗所需溫度后送至環(huán)境室。經(jīng)過換熱后的載冷劑被送回至載冷劑儲罐2中,再次與制冷系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行熱交換,然后繼續(xù)存貯在載冷劑儲罐1中,供再次試驗所需。

        2.2 換熱器組設(shè)計

        美國麥金利實驗室發(fā)動機低溫起動試驗?zāi)M系統(tǒng)為了規(guī)避大量冷空氣補償帶來的結(jié)霜問題,對補償空氣在熱交換處理程序上進(jìn)行了改進(jìn):即先采用降溫除濕的方法除去空氣中的大部分水蒸氣,使流經(jīng)低溫?fù)Q熱器時的補償空氣露點溫度足夠低,絕對含濕量很小,使結(jié)霜厚度控制在合理范圍內(nèi),從而保證了試驗過程不會因為換熱器大面積結(jié)冰而被迫中斷。

        參考麥金利實驗室做法,根據(jù)實驗室送風(fēng)風(fēng)道大?。? 000 m×6 000 m),如圖3對空氣補償換熱器組進(jìn)行四級布置,并進(jìn)行了設(shè)計。

        設(shè)定圖3中所示的一級換熱器為冷凝盤管,二級換熱器為結(jié)霜盤管,三級換熱器為中溫?fù)Q熱器,四級換熱器為低溫?fù)Q熱器。室外空氣進(jìn)入送風(fēng)風(fēng)道經(jīng)過濾消聲處理后,通過冷凝盤管進(jìn)行初級預(yù)冷,使空氣被處理為+6 ℃的飽和濕空氣冷凝析出空氣中的大量水分,降低其絕對含濕量;+6 ℃的飽和濕空氣接著進(jìn)入二級換熱器,即結(jié)霜盤管將空氣冷卻至-10 ℃,再次析出空氣中的水分,減小了補償空氣直接進(jìn)入中、低溫?fù)Q熱器引起換熱器表面大面積結(jié)冰(霜)的可能性。其中第一級換熱器可稱作結(jié)冰換熱器,主要作用是在低溫高濕試驗時使空氣中的水提前凝結(jié)此換熱器上,降低中溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器的結(jié)冰風(fēng)險,保證換熱效率。

        表1為各級換熱器功能及其中的載冷介質(zhì)。試驗室在做-25 ℃以上的發(fā)動機開車試驗時,采用載冷劑LM-8與制冷劑換熱進(jìn)行蓄冷。在試驗開始時,載冷劑被送入空氣補償單元前三級換熱器與補償空氣進(jìn)行冷熱交換,處理補償空氣到試驗要求溫度。當(dāng)試驗環(huán)境在-25~-55℃之間時,制冷系統(tǒng)低溫級啟動,低溫級制冷系統(tǒng)將低溫載冷劑二氯甲烷溫度降至設(shè)計溫度,并將其儲存在儲罐中。試驗開始時,蓄冷的載冷劑被泵入空氣補償單元第四級換熱器與補償空氣進(jìn)行冷熱交換,將補償空氣溫度處理到試驗要求溫度,然后通過送風(fēng)管道送入環(huán)境室。

        圖2 發(fā)動機低溫起動空氣補償工作原理

        圖3 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償流程圖

        表1 各級換熱器功能

        2.2.1 冷空氣補償技術(shù)要求

        空氣補償系統(tǒng)用于為在密閉的環(huán)境室內(nèi),發(fā)動機瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)運行時提供所需的滿足試驗溫度的冷空氣,以維持環(huán)境室內(nèi)外的設(shè)計壓差并保證環(huán)境室內(nèi)恒定的溫度,從而保證發(fā)動機開車試驗的持續(xù)性、有效性與安全性。要求:

        1)空氣補償量:總風(fēng)量最大400 kg/s,每條風(fēng)道最大80 kg/s;

        2)補償空氣溫度范圍:-55~0 ℃;

        3)壓降:≤2 000 Pa;

        4)空氣補償持續(xù)時間:8 h 3次,每次持續(xù)20 min。

        2.2.2 換熱器換熱面積確定

        由于室外空氣中不可避免地存在水分,蒸發(fā)溫度低于0 ℃時,換熱器管路和翅片上將十分容易結(jié)霜。一般熱泵機組換熱器表面霜層生長可分為初始階段、減速生長段及加速生長段三個階段,三個階段的霜層形態(tài)并不相同。結(jié)霜初期先是形成霜粒,管壁表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,氣流擾動增強,傳熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數(shù)開始逐漸減小,導(dǎo)致?lián)Q熱效率快速降低。當(dāng)霜層厚度達(dá)到一定程度時,將帶來一系列的問題。

        據(jù)研究測量結(jié)果,在一定的霜層范圍內(nèi),霜層厚度每增加1mm可能導(dǎo)致蒸發(fā)溫度下降0.5 ℃(見圖4),而蒸發(fā)溫度的降低會使COP迅速下降。表明當(dāng)霜層厚度超過1 mm時,換熱器的換熱效率急劇下降,故各級換熱器的結(jié)霜厚度在試驗期間應(yīng)控制在1 mm以內(nèi)[11]。

        設(shè)定發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償每個風(fēng)道最大補氣量M空氣=80 kg/s,最低處理空氣溫度為-55 ℃,外界空氣分別經(jīng)過四級換熱器逐級降溫,降溫處理后的空氣均為飽和空氣。

        經(jīng)過一級換熱器將空氣溫度處理至+6 ℃,相對濕度為φ1=100 %,根據(jù)空氣焓濕圖查得此時空氣的含濕量d1=5.87 g/kg。二級換熱器為結(jié)霜盤管,處理+6 ℃空氣到-10 ℃。-10 ℃空氣相對濕度φ2=100 %,含濕量d2=1.62 g/kg。按發(fā)動機開車試驗空氣補償單元最長補氣時間t=20 min計算,經(jīng)二級換熱器空氣中結(jié)霜水的質(zhì)量為:

        根據(jù)換熱器結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率影響關(guān)系,當(dāng)結(jié)霜厚度超過1 mm時,換熱器的換熱效率將急劇下降,最高可達(dá)25 %。假設(shè)二級換熱器結(jié)霜盤管在20 min補氣中表面結(jié)霜厚度均勻分布于盤管表面。由于換熱器結(jié)冰過程迎風(fēng)面的霜層厚度遠(yuǎn)大于被風(fēng)面(見圖6),故結(jié)冰厚度取δ≤0.5 mm(留有50 %的結(jié)霜厚度余量),可得出所需設(shè)計盤管的換熱總表面面積A,該溫度下霜的密度ρ=110 kg/m3[12],可得:

        2.2.3 中、低溫?fù)Q熱器結(jié)冰厚度校核

        按照二級換熱器的換熱面積對中、低溫?fù)Q熱器的結(jié)冰厚度進(jìn)行校核。

        三級(中溫)換熱器處理-10.3 ℃空氣到-25.8 ℃,-10.3 ℃空氣相對濕度φ=100 %,含濕量d=1.62 g/kg,-25.8 ℃空氣相對濕度φ=100 %,含濕量d=0.394 g/kg,得出結(jié)冰厚度d=0.125 mm;

        四級(低溫)換熱器處理-25.8 ℃空氣到-55.1 ℃,-55.1 ℃空氣相對濕度φ=100 %,含濕量d=0.015 g/kg,計算可得:

        四級換熱器的結(jié)冰厚度d=0.048 mm。

        由此看出,中、低溫?fù)Q熱器結(jié)霜(冰)厚度遠(yuǎn)小于0.5 mm,不會影響換熱效率。

        2.2.4 換熱器結(jié)霜試驗[13-15]

        針對換熱器結(jié)霜形式、結(jié)霜時間、融霜方法搭建試驗平臺進(jìn)行研究。實驗平臺主要由試驗箱、風(fēng)機、變頻器、加濕器、進(jìn)風(fēng)口均流網(wǎng)、空氣流量計、溫濕度傳感器、壓差變送器、流量計、數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)等部件組成,詳見圖5。

        圖4 蒸發(fā)溫度隨霜層厚度的變化情況

        圖5 換熱器結(jié)冰融霜試驗平臺

        換熱器布置在實驗箱體內(nèi),材質(zhì)為銅管鋁翅片,銅管外直徑16.6 mm,翅片厚度0.3 mm。共有三組,每組10排,尺寸是: 24 mm/3排 +12 mm/3排+8 mm/4排,迎風(fēng)面尺寸為1 200 mm×800 mm。

        試驗過程:制冷系統(tǒng)及載冷載熱系統(tǒng)開始工作,在實驗箱內(nèi)空氣溫度達(dá)到-5 ℃時,開始朝換熱器噴蒸汽進(jìn)行結(jié)冰,30 min后,換熱器兩側(cè)壓差達(dá)到了300 Pa,關(guān)閉風(fēng)機。稍后開啟艙門,查看結(jié)冰狀態(tài)。見圖6。

        試驗結(jié)果:如圖6所示,第一排翅片已結(jié)滿了霜,第二排翅片結(jié)了很少量的霜,第三排翅片未見結(jié)霜。換熱器的迎風(fēng)面結(jié)霜明顯,霜質(zhì)松軟均勻,利用游標(biāo)卡尺測得迎風(fēng)面霜層厚度約0.9 mm;背風(fēng)面也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,但是霜層厚度較薄。

        圖6 換熱器結(jié)霜狀態(tài)

        由此得出變片距結(jié)霜換熱器能夠有效對來流空氣預(yù)除濕,提前結(jié)霜,從而降低后續(xù)主換熱器的結(jié)冰風(fēng)險,保證換熱性能。

        2.2.5 換熱器組設(shè)計

        依據(jù)上述計算得到的空氣補償換熱器所需換熱面積,綜合考慮換熱器的工作環(huán)境和風(fēng)道內(nèi)的安裝維護需求,對換熱器組各級換熱器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。每級換熱器由4個相同的三層翅片管組成,材質(zhì)為鋼管鋁翅片,翅片厚度0.285 mm;肋管材料為304鋼,外徑15 mm。詳細(xì)參數(shù)見表2。

        表2 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償單元換熱器參數(shù)

        3 結(jié)論

        通過分析計算,設(shè)計了一種能夠有效抑制換熱器結(jié)霜的間接式制冷換熱器,可保證氣候?qū)嶒炇覂?nèi)飛機發(fā)動機低溫起動試驗全過程始終維持高效換熱。該方案解決了試驗時,由于室外大量的高濕度空氣經(jīng)過低溫?fù)Q熱器而導(dǎo)致?lián)Q熱器表面積大量結(jié)霜,可能出現(xiàn)的試驗中止現(xiàn)象,從而可以滿足試驗過程的連續(xù)性要求,為氣候?qū)嶒炇医ㄔO(shè)大冷量空氣補償系統(tǒng)提供了設(shè)計依據(jù)。

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