低温高湿环境中冷面结霜的实验和模拟研究

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1、低温高湿环境中冷面结霜的实验和模拟研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：马强指导教师：吴晓敏教授二〇一五年五月ExperimentalandNumericalInvestigationsofFrostFormationwithLowTemperatureandHighRelativeHumidityThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeri

2、ngandEngineeringThermophysicsbyMaQiangThesisSupervisor::ProfessorWuXiaominMay,2015摘要摘要结霜是湿冷环境中的一种常见现象。换热器表面结霜会造成热阻增加、空气流道堵塞等危害。对冷面上结霜规律和表面特性对结霜影响的认识，以及对霜层生长过程的准确模拟，对于探索合适的抑霜手段和低温高湿工况下运行的换热器的设计具有指导意义。本文实验和数值模拟研究了冷面上霜层生长过程，数值模拟研究了翅片管换热器表面霜层分布，主要工作及结果如下：对低温高湿环境中亲水表面、裸铝表面和疏水表面上结霜过程进行实验研究。oo实验条件为

3、：冷面温度-20~-5C，湿空气温度-5~2C，相对湿度85%，湿空气流速0.31~0.92m/s。结果表明：冷面温度越低，裸铝表面上冷凝水珠冻结越早，冻结时水珠越小，而且霜晶沿垂直冷面方向生长越快；冷面温度越低、湿空气流速越快，霜层生长越快；疏水表面具有延缓冷凝水珠冻结和减慢霜层高度增长速率的作用，但随冷面温度降低，延缓效果减弱；用于结霜/融霜循环中的表面，较好的排液效果可以有效减少再结霜量。对水平冷面上霜层生长过程进行了数值模拟。结果显示：霜层平均高度和密度均随时间增长，冷面前沿处水蒸气浓度高，相转移速率快，霜密度较大；霜层内部热传递以导热为主，霜层外以对流换热为主，霜层界

4、面处温度曲线出现拐点。模拟结果与本文实验结果的对比显示：霜层平均高度90%以上的数据在-15%到+40%的偏差范围内，霜层质量所有数据点在-30%到+20%的偏差范围内。对翅片管换热器三维模型表面霜层生长过程进行了数值模拟。结果显示：在各基管后都存在一个背风无霜的区域，换热器翅片上霜层分布的模拟结果与实验结果吻合较好；在本文的模拟工况下，结霜后湿空气流过换热器的压降约为结霜前的2倍，且与实验结果吻合较好。上述结果表明霜层生长模型可以用于翅片管换热器表面霜层分布及湿空气流动阻力的预测。关键词：结霜；表面特性；实验和模拟；霜层生长模型；翅片管换热器IAbstractAbstract

5、Frostformationisaverycommonphenomenonincoldandwetair.Frostonheatexchangerincreasesthermalresistanceandblocksairflowpassage,whichreducesthesystemenergyefficiency.Therefore,investigationsoffrostformation,especiallyinfluencesofsurfacecharacteristicsandsimulationoffrostlayergrowthareessentialfor

6、exploringanti-frostingmethodsanddesigningheatexchangersoperatingwithfrostingconditions.Experimentalandnumericalinvestigationsoffrostingprocessandnumericalinvestigationoffrostlayergrowthonfinsurfaceshavebeencarriedout.Themainworksofthispaperaresummarizedasfollows.Frostingprocessonhydrophilics

7、urface,barealuminumsurfaceandhydrophobicsurfacewithlowtemperatureandhighrelativehumidityisexperimentallyinvestigated.ooTheexperimentalconditionsare-20~-5Ccoolingsurfacetemperature,-5~2Chumidairdry-bulbtemperature,85%relativehumidityand0.31~0.92m/sh