蒸發(fā)器盤管結(jié)霜特性的實驗研究

張志，賈少波，謝偉，盧大杰

（1-西克制冷（無錫）有限公司，江蘇無錫 214028；2-雷諾士全球有限公司，美國）

蒸發(fā)器盤管結(jié)霜特性的實驗研究

張志*1，賈少波2，謝偉1，盧大杰1

（1-西克制冷（無錫）有限公司，江蘇無錫 214028；2-雷諾士全球有限公司，美國）

本文在不同結(jié)霜工況下對蒸發(fā)器盤管的結(jié)霜特性進(jìn)行了實驗研究，考察了空氣的相對濕度、盤管表面溫度和驅(qū)動溫度三種控制因素對盤管結(jié)霜特性的影響，得出了盤管空氣側(cè)的壓力降、制冷量在結(jié)霜過程中的動態(tài)變化規(guī)律，以及空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況、盤管管排的霜層分布特點。實驗結(jié)果表明，這三種控制因素對蒸發(fā)器盤管的結(jié)霜性能有不同程度的影響。較低的相對濕度，較高的盤管表面溫度，較低的驅(qū)動溫度都可抑制霜層的生長。為以后的結(jié)霜性能研究提供了較好的研究經(jīng)驗。

蒸發(fā)器盤管；結(jié)霜特性；控制因素；實驗研究

0 引言

結(jié)霜現(xiàn)象是制冷工程、空調(diào)熱泵以及其他低溫領(lǐng)域中常見的問題之一，結(jié)霜現(xiàn)象對換熱系統(tǒng)都會造成一定的危害，因此國內(nèi)外許多學(xué)者對結(jié)霜問題都曾做過大量研究，主要通過以下三個方面對結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行研究。

結(jié)霜機理研究方面[1-6]：利用實驗或理論模擬的方法研究了環(huán)境溫度、濕度、空氣流速、冷表面溫度和冷表面特性對霜層生長的厚度、密度和晶體形態(tài)等的研究。

結(jié)霜對系統(tǒng)性能的影響方面：如羅超等[7]考察了在低溫工況下（-18℃）、進(jìn)口空氣溫度、空氣相對濕度和空氣風(fēng)速對蒸發(fā)器性能的影響，給出了換熱量、空氣側(cè)壓降、結(jié)霜量和總傳熱系數(shù)在結(jié)霜過程中的動態(tài)變化規(guī)律。其他學(xué)者[8-9]通過建立數(shù)學(xué)模型、實驗研究的方法，論證了空氣溫度、濕度和風(fēng)速對換熱器系統(tǒng)結(jié)霜性能（如換熱量和空氣側(cè)壓降等）有不同程度的影響。

在除霜抑霜方面：除霜的方法主要有電加熱除霜和熱氣融霜等，文獻(xiàn)[10]提出了空氣源熱泵“蓄能熱氣除霜”新系統(tǒng)，解決了常規(guī)除霜時低位熱源供給熱量不足的問題。抑霜主要通過改變冷表面特性、外加電場（磁場）、盤管型式設(shè)計等，劉中良等[11]綜述了抑霜技術(shù)的研究進(jìn)展，表明通過外加電場（磁場）和表面改性在一定條件下可以延緩或有效地抑制結(jié)霜過程。此外，近年來學(xué)者們[12-13]對化霜邏輯的控制方面也做了較多的研究，旨在準(zhǔn)確判斷化霜時機，減少化霜所需要的時間及能量。

本文基于作者早期對蒸發(fā)器盤管結(jié)霜現(xiàn)象的觀察實驗，較為全面地研究了在三種不同結(jié)霜工況下，空氣的相對濕度、盤管表面溫度、驅(qū)動溫度三種控制因素對盤管結(jié)霜特性的影響，得出了盤管空氣側(cè)的壓力降和制冷量在結(jié)霜過程中動態(tài)變化規(guī)律以及空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況和盤管的霜層分布的特點。

1 實驗裝置

圖1為我們設(shè)計的LET090冷風(fēng)機的實驗裝置，采用R404A制冷劑，固定轉(zhuǎn)速的電機。實驗工況見表1。

圖1 LET090冷風(fēng)機實驗裝置

表1 LET090冷風(fēng)機實驗工況

在3種工況下，分別控制空氣的相對濕度（Relative humidity，RH）為55%、75%、90%進(jìn)行實驗研究。觀察相對濕度對盤管結(jié)霜性能影響的實驗是在工況1下，相對濕度分別控制在57%、74%、87%，考察相對濕度對盤管的結(jié)霜特性（空氣側(cè)壓力降、空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況、霜層在每排管排的結(jié)霜量和制冷量變化）的影響。研究盤管表面溫度對盤管的結(jié)霜特性影響是在對比工況1和工況2的實驗基礎(chǔ)上的，而分析溫差TD影響的實驗是在工況2和工況3的條件下進(jìn)行的。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 相對濕度對盤管結(jié)霜特性的影響

在工況1下隨著結(jié)霜過程的進(jìn)行，盤管空氣側(cè)壓降的變化見圖2。

圖2 工況1下空氣側(cè)壓降隨結(jié)霜時間的變化

從圖2可知在不同相對濕度（57%、74%、87%）下，盤管壓力降（風(fēng)量損失）也會有較大的不同。同時在實驗中觀察到，最大的壓降發(fā)生在停機之前；相對濕度越高，結(jié)霜速度越快。

在空氣進(jìn)口側(cè)（如圖3），相對濕度較低時（55%）沒有發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象；當(dāng)相對濕度在75%時，實驗進(jìn)行到7 h，盤管上有部分結(jié)霜；當(dāng)相對濕度在90%時，實驗僅進(jìn)行到2 h，盤管上已全部結(jié)霜。在空氣出口側(cè)（如圖4）盤管的結(jié)霜量沒有空氣進(jìn)口側(cè)結(jié)霜量受相對濕度的影響明顯，但當(dāng)相對濕度較大時，盤管上也有部分結(jié)霜。

圖3 工況1下不同相對濕度時空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

圖4 工況1下不同相對濕度時空氣出口側(cè)的結(jié)霜情況

從圖5可見，55%RH時每排管排的結(jié)霜量為0 kg，而75%RH實驗7 h的總結(jié)霜量比90%RH實驗2 h的結(jié)霜量大，可能原因是90%RH時結(jié)霜較快，阻礙了濕空氣的進(jìn)入。

圖5 工況1下不同RH每排管排的結(jié)霜

圖6中通過風(fēng)量和焓變來估算制冷量，可知相對濕度越大，制冷量的衰減也越快。

圖6 工況1下不同RH時制冷量隨結(jié)霜時間的變化

2.2 盤管表面溫度對盤管結(jié)霜特性的影響

在蒸發(fā)器盤管中，空氣溫度Tair>露點溫度Tdew>盤管表面溫度Tcoil>蒸發(fā)溫度TSST，溫差ΔT（空氣溫度和盤管表面溫度之差ΔT=Tair-Tcoil）、DF（盤管表面溫度與露點溫度之差DF=Tdew-Tcoil）、TD，其中DF為驅(qū)動溫差。通過工況1和工況2的實驗，對比分析了Tcoil對盤管結(jié)霜特性的影響。

圖7 工況2下空氣側(cè)的壓降隨結(jié)霜時間的變化

工況1比工況2的室溫低，相同的TD說明工況1的Tcoil也比工況2的低。對比圖1和圖7兩圖，在相同濕度下工況1空氣側(cè)壓力降比工況2的壓力降要高，說明在較低的Tcoil有較大的壓力損失或風(fēng)量損失。

從圖8知，空氣進(jìn)口側(cè)在75%RH下工況1比工況2的結(jié)霜量略大，而在90%RH下工況1在2 h內(nèi)的結(jié)霜量明顯比工況2在4 h內(nèi)的結(jié)霜量大的多。

圖8 工況1、2下空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

對比圖5和圖9可知：75%RH下，工況2管排的總結(jié)霜量略小于工況1；90%RH下，由于工況1空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜量較大，導(dǎo)致空氣無法進(jìn)入盤管而造成工況1的管排總結(jié)霜量遠(yuǎn)小于工況2。

對比圖6與圖10，74%RH和55%RH時，工況2制冷量衰減比工況1小，表明較低的Tcoil時制冷量隨著結(jié)霜過程的進(jìn)行衰減較快。

圖9 工況2下不同RH時每排管排的結(jié)霜量

圖10 工況2下制冷量隨著結(jié)霜時間的變化

2.3 空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差對盤管結(jié)霜特性的影響

此實驗是在工況2和工況3下進(jìn)行的，工況2和工況3具有相同的室溫-6.7 ℃，工況2比工況3有較大的TD，為-5.6 ℃，工況3的TD為-2.8 ℃。

通過對比分析工況2和工況3盤管結(jié)霜的實驗結(jié)果（圖7和圖11），在90%RH下，TD較小時空氣側(cè)壓力降（風(fēng)量損失）也較小；在75%RH下，較小的TD時不會結(jié)霜。

圖11 工況3下空氣側(cè)的壓降隨著結(jié)霜時間的變化

從圖12可知，工況2比工況3的出口結(jié)霜量大，同時比較圖12和圖9（b）都說明在較低的TD下結(jié)霜量會減少。

圖12 工況2、3下空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

圖13 工況3下每排管排的結(jié)霜量

圖14和圖10說明當(dāng)TD較低時，制冷量的衰減也較緩慢，因此在結(jié)霜情況下為了達(dá)到相同的制冷量需要有較大的盤管換熱面積。

圖14 工況3下制冷量隨著結(jié)霜時間的變化

3 結(jié)論

1）兩種條件會影響霜層生長：一是驅(qū)動溫度；二是濕度條件，任何促進(jìn)這兩個條件的行為都會促進(jìn)結(jié)霜。

2）在較低的Tcoil、較大的TD和較高的相對濕度下結(jié)霜較快，霜層也較為疏松，在很短時間內(nèi)就會阻礙風(fēng)量。

3） 控制結(jié)霜方面：用較小的TD來減緩結(jié)霜（需要較大的盤管換熱面積）；及時檢測到結(jié)霜并使用正確的除霜方法（需要精確的結(jié)霜傳感器和控制邏輯）。

4）風(fēng)速的影響、霜的微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物性（如密度、熱導(dǎo)率和表面粗糙度）以及創(chuàng)新的盤管設(shè)計和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。

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Experimental Study of Frost Formation Characteristics on Evaporator Coil

ZHANG Zhi*1, JIA Shao-bo2, XIE Wei1, LU Da-jie1
（1-Heatcraft Refrigeration (Wuxi) Co., LTD., Wuxi, Jiangsu 214000, China; 2-Lennox Global LTD., USA）

Frosting characteristics on evaporator coil were experimentally studied in various frosting cases. The effects of three controlling factors, air relative humidity, coil surface temperature and driven temperature, on the frosting characteristics were investigated. The dynamic variations of the air pressure drop over the coil and cooling capacity during the frosting were obtained. The frost distributions at the air inlet and outlet and the coil were presented. The experimental results show that the three controlling factors have distinct effects on the frosting characteristics. The lower relative humidity, higher coil surface temperature and lower driven temperature inhibit the frost growth. The study provides experiences for future frosting characteristics research.

Evaporator coil; Frosting characteristics; Controlling factor; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.107

*張志（1981-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷設(shè)備設(shè)計。聯(lián)系地址：江蘇省無錫市新加坡工業(yè)園區(qū)新都路12號，郵編：214028。聯(lián)系電話：0510-85282020-230。Email：zhi.zhang@heatcraft.com.cn