結(jié)霜機(jī)理及熱泵除霜技術(shù)研究綜述

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(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海　200093)

在制冷和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，結(jié)霜是一個廣泛存在的問題。當(dāng)換熱器的表面溫度低于水的凝結(jié)點(diǎn)和空氣露點(diǎn)時，在換熱器冷表面與空氣中水蒸氣接觸的區(qū)域會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜層的形成不僅和表面溫度有關(guān)，相對濕度也是一個重要因素。在Ameen[1]的研究中表明，當(dāng)室外空氣溫度降低到-7℃至5.5℃，相對濕度大于60%時，霜的堆積尤其明顯。隨著霜層堆積越來越厚，霜層會充滿翅片和盤管之間，從而導(dǎo)致能耗增加，COP降低，制冷系統(tǒng)性能下降，有時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停車[2-3]。因此，研究結(jié)霜機(jī)理、尋求抑制結(jié)霜方法一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的主要問題。

霜層堆積會損害換熱器以及其他系統(tǒng)元件，降低系統(tǒng)性能。一般當(dāng)霜層覆蓋超過45%的表面時，除霜動作就會開始進(jìn)行除霜以確保更高的效率[4]?，F(xiàn)在普遍的除霜方式主要分為被動除霜和主動除霜。被動除霜是通過改進(jìn)換熱器表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)來延緩霜的形成，主動除霜方法主要包括有電動液壓除霜，振動除霜，超聲波除霜以及系統(tǒng)除霜方式[4]。其中針對空氣源熱泵，現(xiàn)在使用較多的除霜方式有熱電除霜、四通換向閥除霜、電加熱輔助除霜、熱氣旁通除霜、吸濕劑除霜等。雖然近年來對于除霜方式的研究逐步深入，但在熱泵實(shí)際應(yīng)用中，除霜問題并沒有得到根本的解決[27]。因此，本文將總結(jié)闡述結(jié)霜過程中結(jié)霜特性和霜層模型，為進(jìn)一步研究除霜方法提供理論基礎(chǔ)，并且對部分除霜方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，為優(yōu)化除霜方法提供思路。

1　結(jié)霜特性及研究現(xiàn)狀

結(jié)霜問題普遍存在空調(diào)、制冷、航天航空以及低溫等領(lǐng)域，一直受到國內(nèi)外研究人員的重視。為了更好地研究除霜方法，則需要對結(jié)霜機(jī)理進(jìn)行深入的了解?，F(xiàn)在相關(guān)結(jié)霜機(jī)理的研究主要是對結(jié)霜機(jī)理進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，并建立結(jié)霜現(xiàn)象的物理和數(shù)學(xué)模型[5]，為進(jìn)一步研究發(fā)展有效的除霜方法提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1.1　結(jié)霜過程特性

結(jié)霜過程是一個同時涉及了傳熱，傳質(zhì)和相變的移動邊界非穩(wěn)態(tài)過程[6]。根據(jù)吳曉敏[7]等對冷表面結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，冷面上的結(jié)霜并不是簡單的水蒸氣凝華的過程。霜層的形成需要經(jīng)歷一段復(fù)雜的過程，首先在蒸發(fā)器冷表面形成水珠，再水珠凍結(jié)，形成霜晶，霜晶生成等過程，最后在冷表面堆積形成霜層。Hayashi[8]等把霜層形成的過程分為了三個時期，包括霜核(晶)時期，霜層成長時期以及霜層完全生成時期。具體霜形成過程如圖1所示。

圖1　霜層形成過程[8]

在霜層形成的過程中，霜層密度和導(dǎo)熱系數(shù)是研究結(jié)霜問題研究的重要物性參數(shù)，它們與結(jié)霜問題密切相關(guān)[5]。其中郭憲民[9]等研究發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵翅片管蒸發(fā)器在室外環(huán)境溫度越低或者相對濕度越大的情況下，霜層一般呈現(xiàn)為針狀霜晶，并且隨著溫度降低或相對濕度增大，霜晶的直徑會逐漸減小，但霜層平均密度會隨著環(huán)境溫度的上升或相對濕度的降低而增大。Brian[10]等發(fā)現(xiàn)霜層密度會沿霜層厚度方向變化。當(dāng)結(jié)霜一段時間之后，霜層厚度基本不發(fā)生改變，但霜層密度會發(fā)生明顯變化。陳叔平、姚淑婷[11]等人利用分形理論DLA模型，建立了深冷霜層生長模型，然后利用Matlab軟件對實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行密度計(jì)算，并利用式(1)計(jì)算每層密度

(1)

模擬得出的圖2結(jié)果和Brian實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果基本相似，進(jìn)一步證明了霜層密度與霜層厚度之間的變化關(guān)系。

在結(jié)霜過程中，霜層導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況更為復(fù)雜，因?yàn)樵诮Y(jié)霜過程中除了傳熱傳質(zhì)之外，還伴隨著相變，邊界層移動等問題。經(jīng)過較多實(shí)驗(yàn)證明，霜層導(dǎo)熱系數(shù)與霜層厚度及密度密切相關(guān)[12]。

圖2　霜層密度隨厚度變化圖[11]

早年，顧祥紅，江平以及孟繁炯[13]等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)熱系數(shù)的理論公式

(2)

并與國外研究人員的研究結(jié)果進(jìn)行對比，所得出的理論導(dǎo)熱系數(shù)還是較理想的，與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果十分接近。國外學(xué)者Negrelli[14]等利用分形DLA理論以及傳熱傳質(zhì)第一定律對霜層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，將模擬出的霜層導(dǎo)熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)公式[15]進(jìn)行比較，模擬結(jié)果能夠再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且誤差在±15%以內(nèi)。近年來國內(nèi)院校對霜層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)歸納簡化，使得霜層導(dǎo)熱模型可以普遍使用[16]。

1.2　結(jié)霜現(xiàn)象的模型

為了更加深入地研究結(jié)霜過程，國內(nèi)外的研究學(xué)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的霜層生長規(guī)律，提供了各種不同的物理數(shù)學(xué)模型。Tao[17]等建立了數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測霜層密度的時間空間變化、霜層溫度，霜層密度以及熱流變化，并建立了一系列的偏微分方程式來反映霜層能量平衡，冰的連續(xù)性，以及描述水蒸氣擴(kuò)散方程。Benítez和Sherif[18]運(yùn)用正交配置法，提出了用來描述霜層形成過程的公式。霜層的時間空間變化屬性例如孔隙度和密度以及其他相關(guān)變量都能夠通過該公式計(jì)算出來。該數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)十分接近。Yun[19]等建立了在低溫空氣掠過鋁制平板上霜層生長的物理模型用于測量霜層粗糙度變化，并且提供了有關(guān)霜層平均粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)空氣當(dāng)量熱導(dǎo)率和霜層內(nèi)部熱導(dǎo)率共同影響霜層熱導(dǎo)率，霜層密度和空氣流速成比例關(guān)系。

2　熱泵除霜方法

通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)總結(jié)分析，目前用于解決除霜問題的思路有以下幾個方面：(1)增加風(fēng)量和風(fēng)速，改進(jìn)換熱器表面形式和涂層；(2)利用蓄熱水或者蓄能材料的方法緩解結(jié)霜程度；(3)通過智能控制系統(tǒng)優(yōu)化除霜系統(tǒng)，使得熱泵系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境變化[20]。本文將從改進(jìn)換熱器表面以及系統(tǒng)除霜兩種方式進(jìn)行分析，進(jìn)一步提出相應(yīng)的解決方式提高熱泵除霜效果，減少能源消耗。

2.1　換熱器表面處理

表面處理包括改變特定的表面特征，例如形狀結(jié)構(gòu)、涂層材料等。Huang[21]等使用三種不同翅片的室外機(jī)組對空氣源熱泵的性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)平翅片具有最好的熱力性質(zhì)。相比于百葉窗翅片，平翅片的制熱量，COP和輸入功率分別提高了17.1%，9.0%和7.6%。郭憲民[22]等對平翅片換熱器和條縫翅片換熱器進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)條縫翅片換熱器與平翅片換熱器的霜層生長特性相似，但總體上，平翅片結(jié)霜速度明顯低于條縫翅片結(jié)霜速度。黃康[23]等搭建了結(jié)霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于測量結(jié)霜量、霜層厚度，選擇了平片、正弦波紋片和開窗片三種翅片換熱器，探究了不同翅片類型的換熱器霜層厚度、結(jié)霜量和換熱量的差異，從圖3(b)中可以看出，三種類型換熱器的結(jié)霜量差異較大，其中波紋片結(jié)霜量最大，平片結(jié)霜量最少。圖3(c)顯示出三種不同類型的翅片換熱器換熱量變化趨勢基本相似。初期由于換熱器表面結(jié)霜程度并不嚴(yán)重，換熱量呈一個上升趨勢，系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，隨著霜層厚度增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器表面熱阻增大，使得換熱器整體換熱量下降，于是換熱量呈現(xiàn)出一個先上升后緩慢下降的趨勢。

圖3　不同翅片類型的換熱器實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比[23]

圖4　未經(jīng)涂層處理表面和涂層涂覆表面結(jié)霜厚度對比[25]

圖5　光滑鋁制表面和疏水表面在結(jié)霜過程中霜層厚度隨時間的變化關(guān)系[26]

利用親疏水材料涂覆在換熱器表面以延遲霜層形成的時間，減少霜融水殘留量，該方法目前還未廣泛的應(yīng)用于實(shí)際中[24]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對涂層材料研究較多。例如，Liu[25]使用了一塊冷板，一半涂覆抑霜涂料，另一半用塑料薄膜覆蓋。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涂覆防結(jié)霜涂料的冷板表面比未經(jīng)過涂覆處理的冷板表面結(jié)霜時間至少延遲了15 min，霜層厚度減少了至少40%，堆積的霜層質(zhì)量可能減少超過40%。經(jīng)過涂料涂覆的冷板表面與未經(jīng)過處理的冷板表面之間的霜層厚度差異如圖4所示，經(jīng)過處理的冷板表面結(jié)霜速度以及結(jié)霜時間明顯都要小于未經(jīng)過處理的冷板表面，能夠有效地抑制霜層的生成，降低霜層形成的厚度和結(jié)霜量。

Wang[26]使用鋁酸酯偶聯(lián)劑作為疏水材料涂覆在鋁制換熱器表面，該材料(疏水表面)的接觸角保持在147°，而光滑鋁制表面(親水表面)的接觸角只有62°。如圖5所示，疏水表面結(jié)霜時間比光滑表面延遲了大約60 min。整個實(shí)驗(yàn)過程中，疏水表面的結(jié)霜速度明顯比光滑表面結(jié)霜速度慢，說明疏水材料對于結(jié)霜問題有一定的抑制作用。

國內(nèi)還有學(xué)者對普通的多孔SiC涂層、特氟龍涂層以及半導(dǎo)體超疏水復(fù)合涂層[27]三種涂層進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比分析，發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵表面涂覆特氟龍材料結(jié)霜量最少，抑霜效果最好。

2.2　系統(tǒng)除霜

現(xiàn)在常規(guī)制冷系統(tǒng)中使用的系統(tǒng)除霜方式，主要有逆循環(huán)除霜，熱氣旁通除霜和電加熱除霜。逆循環(huán)除霜是通過切換四通換向閥改變制冷劑流向，使得熱制冷劑流入蒸發(fā)器，達(dá)到除霜的效果，此方法最大優(yōu)點(diǎn)就是簡易性和經(jīng)濟(jì)性；熱氣旁通除霜方式則是通過將壓縮機(jī)排除的熱氣通入換熱器中加快融霜的進(jìn)行，能夠提高系統(tǒng)的效率和COP；而電加熱除霜是最為簡單的一種除霜方式，易安裝易操作，但會消耗較多電量。

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對熱氣旁通除霜方法進(jìn)行研究，以尋求能夠進(jìn)一步改善除霜方法的思路。Reindl[28]等介紹了一種用于直接膨脹的熱氣旁通除霜方式，在除霜階段時，通過電磁閥調(diào)節(jié)來阻止高壓制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器，具體熱氣除霜過程見圖6。

圖6　熱氣旁通除霜過程的流程圖[28]

國外學(xué)者Byun[29]研究了空氣源熱泵系統(tǒng)中使用熱氣旁通除霜方式來減緩霜層的形成，該熱泵系統(tǒng)使用R22制冷劑，根據(jù)ISO5151中對于自動除霜環(huán)境條件的規(guī)定，室內(nèi)外空氣干濕球溫度具體設(shè)置見表1，并且調(diào)節(jié)熱氣旁通的流量分別為0 kg/min，0.2 kg/min，0.3 kg/min以及0.4 kg/min，系統(tǒng)運(yùn)行210 min。本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)旁通熱氣的流量對熱泵系統(tǒng)性能和霜層形成的影響進(jìn)行測試對比。

最后通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，旁通熱氣的流量達(dá)到整體制冷劑流量的20%時，整個系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)效率，除霜效果達(dá)到最佳。如果旁通熱氣的流量較大，相反則會導(dǎo)致整體熱損失也會上升，使得整個系統(tǒng)性能降低。在本實(shí)驗(yàn)中，0.2 kg/min的旁通熱氣流量為最佳流量，相較于其他的流量值，在210 min的實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)整體的平均COP上升8.5%，熱效率提高5.7%。

表1ISO5151測試條件

干球溫度/℃濕球溫度/℃室內(nèi)2012室外21

國內(nèi)學(xué)者對熱氣旁通除霜和逆循環(huán)除霜的融霜效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較[30]。熱氣旁通除霜雖然融霜時間比逆循環(huán)融霜時間長178 s，壓縮機(jī)排氣溫度過低，但熱氣旁通不會從循環(huán)水和室內(nèi)吸收熱量，避免了室內(nèi)溫度較大的波動，舒適性較好；逆循環(huán)除霜融霜時間大大縮短，但不可避免需要從室內(nèi)吸收熱量，使得室內(nèi)溫度產(chǎn)生較大波動。由此可見，兩種除霜方式各自有優(yōu)缺點(diǎn)。為克服兩者的缺點(diǎn)，有的學(xué)者也提出了基于逆循環(huán)法對熱氣旁通除霜方式進(jìn)行升級[4]。

現(xiàn)在最為廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)除霜方式是逆循環(huán)除霜(RCD)方式[31]，許多學(xué)者紛紛開始對逆循環(huán)結(jié)合其他除霜方式進(jìn)行研究。例如，Qu[32]基于逆循環(huán)除霜法結(jié)合蓄熱材料(TES)用于串聯(lián)熱泵機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對比了普通逆循環(huán)法除霜和蓄熱材料結(jié)合逆循環(huán)除霜方式的性能效果。相對于其他除霜方式而言，蓄熱材料結(jié)合逆循環(huán)的除霜方式可以更可靠地運(yùn)用于極端氣候的環(huán)境下，不僅能縮短除霜時間，而且能降低除霜能耗。由此看出，未來除霜方法的研究將會逐漸趨向逆循環(huán)結(jié)合其他方式的綜合除霜方式。

除上述除霜方式外，有許多學(xué)者也利用振動和超聲波等方式除霜。Li和Chen[33]發(fā)現(xiàn)超聲波振動除去凍結(jié)水珠有明顯的效果，在20 kHz高頻超聲波振動條件下，所有直徑2～30 mm的凍結(jié)水珠可以完全被除去。Wu和Webb[34]發(fā)現(xiàn)在表面施加低振幅振動對霜層形成有一定影響，但影響不大。

3　結(jié)論

文章簡單介紹了結(jié)霜過程中霜層形成機(jī)理、數(shù)學(xué)物理模型，以及幾種除霜方式的研究應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1)結(jié)霜過程是一個較為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，其中霜層密度和霜層導(dǎo)熱系數(shù)是研究霜層形成的重要參數(shù)。霜層密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素較為復(fù)雜。

(2)隨著研究深入，霜層形成過程中的數(shù)學(xué)物理模型逐步完善，能夠表達(dá)霜層形成的空間時間變化，以及測量霜層內(nèi)部的粗糙度、孔隙度。

(3)親疏水材料可以有效抑制霜層的形成，能夠不同程度延遲結(jié)霜時間，減緩結(jié)霜速度，且材料熱阻對換熱器影響不大，近年來成為了研究的熱點(diǎn)方向。

(4)熱氣旁通和逆循環(huán)除霜方法是現(xiàn)今最為普遍使用的除霜方式。而現(xiàn)在主要的研究方向更多的是逆循環(huán)結(jié)合熱氣旁通，逆循環(huán)結(jié)合蓄能材料等除霜方式。