速凍冷風(fēng)機超聲波除霜技術(shù)理論與實驗研究

(1 大連冷凍機股份有限公司 大連 116630； 2 西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室 西安 710049； 3 大連市冷熱技術(shù)創(chuàng)新中心 大連 116630； 4 西安交通大學(xué) 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 西安 710049)

在制冷過程中，濕空氣流經(jīng)結(jié)霜工況下的蒸發(fā)器時，蒸發(fā)器表面會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，速凍冷風(fēng)機采用強制對流換熱，加大了傳熱溫差。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401 W/(m·K)，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/(m·K)，而霜的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.045 W/(m·K)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器少量的結(jié)霜會增強傳熱效果[2-3]，但隨著霜層厚度的不斷增加，霜層的熱阻增大，換熱器的傳熱性能降低。如不進行處理，空氣流道將逐漸變窄，增大空氣的流動阻力，使制冷裝置的換熱效率嚴(yán)重下降。因此應(yīng)對換熱器進行除霜，以恢復(fù)制冷設(shè)備的冷熱交換能力，提高制冷效果。否則，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷能力下降甚至設(shè)備損壞。傳統(tǒng)的除霜方式為水沖霜、熱工質(zhì)反向融霜和電熱融霜，這幾種除霜方法均導(dǎo)致庫溫回升，儲藏物品質(zhì)下降，同時化霜完畢還需壓縮機多做功，將庫溫重新拉至低溫狀態(tài)，增加了制冷機的負(fù)荷，反復(fù)的升溫、降溫又為加速結(jié)霜提供了條件。

與傳統(tǒng)淋水融霜、電熱融霜、熱工質(zhì)融霜等融霜方式相比，超聲波除霜是一種物理作用的主動除霜技術(shù)，不直接引入熱量融霜，減少了溫度的波動。同時，超聲波除霜具有低能耗、蒸發(fā)器連續(xù)運行周期長的優(yōu)點。

近年來許多學(xué)者在超聲波除霜方面做了大量的探索性研究：譚海輝等[4]提出超聲波除霜的間歇性加載機制，其能耗是傳統(tǒng)逆向除霜技術(shù)能耗的1/88～1/22；閻勤勞等[5]提出超聲波縱橫聯(lián)合波的除霜效果優(yōu)于單一波；錢晨露等[6]提出疏水表面特性有助于超聲波對冷表面凍結(jié)液滴的脫除；李棟等[7]提出自然對流條件下，超聲波能夠顯著抑制平板表面霜層的生長。然而對于高濕、低溫、大風(fēng)壓、大風(fēng)量條件下的速凍冷風(fēng)機超聲波除霜的研究依然較少。

1 超聲波除霜機理

超聲波以波動的形式作用于物質(zhì)時，會產(chǎn)生同波有關(guān)的折射、反射等現(xiàn)象。蒸發(fā)器的翅片一般為鋁，鋁的密度高于冰。霜附著在翅片表面時，由于霜層密度低于翅片層，超聲波會在霜和翅片表面的界面上產(chǎn)生反射現(xiàn)象，翅片對聲波的吸收很少，聲波的能量將主要被反射回霜層中。選擇合適的振動頻率，使其同霜層的振動頻率相吻合，產(chǎn)生共振。聲波振動頻率高于20 kHz，每秒將造成冰雪層發(fā)生上萬次的反復(fù)膨脹、收縮運動，雖然霜層內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力達不到使冰雪層破壞的臨界值，但短時間內(nèi)可以積累足夠的次數(shù)，使霜層疲勞而破壞。

同時，超聲波的機械效應(yīng)引發(fā)的機械振動傳遞到翅片上，會引起翅片上質(zhì)點進行高頻率、低振幅、高加速度的交替振動。研究發(fā)現(xiàn)，振幅超過1 mm后，對結(jié)構(gòu)易造成損害[8]，除霜應(yīng)用中，超聲波振幅在3 μm左右，對換熱管和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)沒有影響。

2 超聲波除霜的簡易理論建模

2.1 物理模型

根據(jù)實驗中采用的蒸發(fā)器建立簡易三維實體模型，在三維軟件SolidWorks中建立蒸發(fā)器的實體模型，用有限元軟件COMSOL打開并進行離散處理。

2.2 數(shù)學(xué)模型

計算中，蒸發(fā)器的單元類型選擇為殼單元，網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格進行離散。整個系統(tǒng)的振動有限元方程與壓電有限元方程為[9-10]：

振動有限元方程與壓電有限元方程的完全解可利用插值法求解線性方程組，因此，式(1)、式(2)可表示為[11]：

2.3 數(shù)值計算

計算中，超聲波換能器選用壓電NEPEC 6壓電材料，密度為7 730 kg/m3，壓電片半徑為38 mm，厚度2.5 mm，沿厚度方向極化，彈性矩陣、耦合矩陣，相對介電常數(shù)為：

壓電材料彈性矩陣(單位：1010N/m2)：

壓電材料耦合矩陣(單位：C/m2)：

壓電材料的相對介電常數(shù)：

當(dāng)不考慮壓電片的機械損耗時，最大導(dǎo)納頻率(最小阻抗頻率)等于串聯(lián)諧振頻率和諧振頻率，最小導(dǎo)納頻率(最大阻抗頻率)等于并聯(lián)諧振頻率和反諧振頻率。因此，認(rèn)為最大導(dǎo)納頻率為壓電片振動的諧振頻率，在此頻率處壓電片可輸出最大能量。

在COMSOL中分別對壓電片和壓電結(jié)構(gòu)模型進行阻抗分析，分析過程中銅板和冰層的材料參數(shù)如表1所示。壓電片、銅板與冰層間相互黏貼，無滑移。得到頻率介于20～80 kHz導(dǎo)納-頻率曲線，如圖1所示。

由圖1可知，獨立壓電片和壓電片在銅板上安裝獲得的系統(tǒng)在低頻范圍內(nèi)的最大導(dǎo)納頻率約為28 kHz，最大導(dǎo)納為0.054 S。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖1 20～80 kHz的導(dǎo)納-頻率曲線Fig.1 Admittance frequency curve at 20～80 kHz

在進行數(shù)值模擬時，壓電換能器為圓片狀，并按照最大導(dǎo)納頻率加載交變電壓發(fā)生諧振，產(chǎn)生縱波。壓電片、金屬板和冰層構(gòu)成的組合體結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置為自由模式。在劃分網(wǎng)格時，由于3種材料的物體尺寸相差較大，分別對金屬板、壓電片和冰層采用剖分四邊形劃分面，并采用掃掠方式劃分網(wǎng)格。

為保證計算速度，網(wǎng)格劃分不能過于密集，實際中2.5 mm厚壓電片沿z軸方向劃分為5層，將1.7 mm厚度的冰層沿z軸劃分為5層，3.8 mm的厚度冰層劃分為5格，0.7 mm金屬板沿z軸方向劃分為4層，得到的三維實體模型和有限元模型如圖2所示。

圖2 壓電/冰層物理模型Fig.2 Piezoelectric/ice physical model

在獲得諧振頻率的基礎(chǔ)上，通過對壓電片輸入連續(xù)交變的高頻電U=50sin(56 000πt)，求解壓電振動在基板與覆冰界面處激發(fā)的xy平面剪切力大小和分布如圖3所示。

圖3 基板與覆冰的xy平面剪切應(yīng)力(單位：MPa)Fig.3 Shear stress on the xy plane of the substrate and ice

由圖3可知，基板表面分布有較大面積的xy平面剪切應(yīng)力并呈現(xiàn)正負(fù)交替分布，并且剪切力大于部分覆冰的最大黏附力0.4 MPa[12]，具備除霜的力學(xué)可行性。剪切力的正負(fù)交替出現(xiàn)，有利于霜層的破碎與剝離。在剪切應(yīng)力小于覆冰黏附力的區(qū)域，易形成除霜死區(qū)現(xiàn)象。因此，超聲高頻振動對霜的作用機理是高頻振動激發(fā)的加速度在霜與基板界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，使結(jié)霜折斷或剝離，難以黏附在翅片上。

為了研究蒸發(fā)器在換能器激勵下發(fā)生的高頻強迫振動特性，判斷超聲振動對蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的影響，本文對翅-管式蒸發(fā)器模型的特征頻率及對應(yīng)的模態(tài)振型進行了求解，結(jié)果如表2和圖4所示。

由表2和圖4可知，在超聲高頻振動激勵下，蒸發(fā)器做高頻強迫振動，呈現(xiàn)出振動波的振動模式，伴隨頻率的增加，兩個周期內(nèi)振幅的強弱交替距離變短，符合波動特性。振幅的強弱交替是波傳播到蒸發(fā)器邊界處經(jīng)過發(fā)射回來與發(fā)射波疊加產(chǎn)生的。

表2 蒸發(fā)器高階模態(tài)下的特征頻率Tab.2 The characteristic frequency of the high-mode evaporator

圖4 蒸發(fā)器在超聲下的振動模態(tài)(單位：mm)Fig.4 The vibration mode of the evaporator at the ultrasonic frequency

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器出現(xiàn)波紋狀位移分布。由于超聲波在傳播過程中受蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的影響，在結(jié)構(gòu)邊界處發(fā)生反射，相當(dāng)于在邊界處有多個發(fā)射波源，同頻率的兩個波在蒸發(fā)器的某些部位發(fā)生疊加。表現(xiàn)為某些區(qū)域振動加強的特性，因此，超聲高頻振動在蒸發(fā)器的某些部位由于波的相互疊加出現(xiàn)除霜死區(qū)，某些部位除霜效果增強。

理論上冰的最大黏附應(yīng)力為0.4 MPa，不考慮超聲耗散的情況下，超聲波在鋁板與結(jié)霜界面處所激發(fā)剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于霜的黏附應(yīng)力。因此，基于超聲高頻振動除霜技術(shù)在理論上是可行的。

3 超聲波除霜實驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

實驗在焓差室內(nèi)高濕、低溫環(huán)境下進行，研究了超聲波對速凍冷風(fēng)機翅片表面霜層的抑制和去除效果，比較分析3種不同的傳振板(直板型、T字型、L型)對超聲波實際除霜的影響。實驗用速凍冷風(fēng)機及探頭連接形式見圖5，參數(shù)見表3，其中制冷劑為R717(氨)，換熱管材質(zhì)為銅，翅片材質(zhì)為鋁，采用泵供液。

3.2 實驗方法

1)將超聲波傳振板固定于換熱管上，直板型焊接在蒸發(fā)器左側(cè)換熱室的鋁管；T型和L型則脹緊在蒸發(fā)器右側(cè)換熱室鋁管。

圖5 實驗用速凍冷風(fēng)機及探頭連接形式Fig.5 The form of experimental quick-freezing cooling fan and probe connection

參數(shù)數(shù)值換熱管間距/mm60翅片間距/mm12～30傳熱面積/m2199風(fēng)量/(m3/h)16 000風(fēng)壓/Pa250

2)將超聲換能器按照一定的順序和間距粘貼在3種傳振板上，T型、L型和直板型3條傳振板上安裝若干40 kHz超聲換能器，陣子粘貼后，靜待24～48 h以保證膠水完全固化。安裝完成后，超聲換能器在3種傳振板上的布置如圖6所示。

圖6 超聲換能器在3種傳振板上的布置Fig.6 The arrangement of the ultrasonic transducer on three kinds of vibration plate

3)在超聲換能器安裝完成后，對傳振板上各換能器及各傳振板上的超聲換能器組的最小阻抗進行測量。根據(jù)各超聲換能器的平均阻抗和各傳振板超聲振動系統(tǒng)的最小阻抗，確定超聲電源的系統(tǒng)輸出頻率，以此對超聲電源進行調(diào)節(jié)，并通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在回路中的電感抵消系統(tǒng)的電抗，使其成為純阻系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)諧。

4)降溫、加濕開始實驗。在實驗過程中，通過繼電器控制電路的通斷，調(diào)節(jié)換能器的工作和間歇時間長短，從而實現(xiàn)換能器的間歇工作。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 直板型、L型、T型傳振板對超聲波除霜效果的影響

設(shè)定制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-30 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃，實驗室通入熱濕蒸汽，保持相對濕度在95%以上，功率超聲波頻率38.76 kHz，加載機制為間隔50 s振動10 s。實驗過程中，環(huán)境溫度測量精度為0.1 ℃，相對濕度測量精度為0.1%，通過設(shè)置環(huán)境干濕球溫度控制實驗過程中溫濕度，并打開電加熱器以維持實驗環(huán)境工況的穩(wěn)定運行，并在實驗工況穩(wěn)定后進行實驗。實驗共分3次，每次實驗單獨激勵直板型、T型、L型傳振板的換能器組連續(xù)運行4 h，比較3種傳振結(jié)構(gòu)的抑、除霜效果。為了控制實驗變量，得到準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，每次實驗前停機待霜層全部融化，保證冷風(fēng)機翅片、換熱管表面干燥，實驗室內(nèi)溫、濕度與外界環(huán)境相同。實驗結(jié)果如下：

1)3次實驗無論在霜層的厚度還是在積霜量方面，施加超聲側(cè)換熱室翅片上的結(jié)霜量明顯少于不加超聲側(cè)的結(jié)霜量。說明超聲波對速凍冷風(fēng)機翅片表面結(jié)霜具有顯著的抑制作用，3種傳振板均能將超聲能量有效傳播到翅片表面上。

2)對比3種傳振板周圍翅片上的結(jié)霜量，直板型霜層最薄，T型次之，L型稍厚。

3)對比3種傳振板的超聲波抑霜影響范圍，直板型的范圍大于T型及L型。

4.2 長時間連續(xù)工作時超聲波除霜效果

選取超聲波除霜效果最好的直板型傳振板上的換能器組，在相同的環(huán)境條件下連續(xù)實驗，進一步觀察在高濕、低溫環(huán)境下超聲波對速凍冷風(fēng)機翅片表面的抑、除霜效果。受冷風(fēng)機結(jié)構(gòu)限制，顯微圖像測量系統(tǒng)無法布置于蒸發(fā)器前，因此無法通過圖像處理技術(shù)得到霜層厚度隨運行時間的定量關(guān)系曲線。僅在相同工況下，對翅表結(jié)霜過程進行定性分析，得到超聲波對翅表結(jié)霜過程的影響。實驗8 h后，冷風(fēng)機換熱室結(jié)霜情況如圖7所示。

圖7 連續(xù)實驗8 h超聲波除霜效果Fig.7 Continuous experiment 8 hours ultrasonic defrosting effect

由圖7可知，與施加超聲波側(cè)換熱室翅片上結(jié)霜量相比，未加超聲波側(cè)翅片上的霜層多且厚，幾乎將整個換熱室表面全部覆蓋，嚴(yán)重影響其通風(fēng)和換熱特性。

5 結(jié)論

本文針對速凍冷風(fēng)機在高濕低溫環(huán)境下結(jié)霜速度快，運行效率低的問題，建立了超聲波除霜系統(tǒng)，搭建實驗平臺，并對超聲除霜速凍冷風(fēng)機進行測試，得出以下結(jié)論：

1)從理論建模、激光測振和超聲高頻振動除霜實驗效果的對比來看，結(jié)果完全一致。因此，基于超聲高頻振動的除霜技術(shù)在理論和實際上是可行的。

2)超聲高頻振動在結(jié)霜與基板界面處激發(fā)的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于結(jié)霜的黏附應(yīng)力，具備除霜的力學(xué)可行性；剪切應(yīng)力的強弱交替，有利于結(jié)霜的破碎和剝離。

3)超聲換能器的振動通過T型或L型傳振板傳遞到換熱管、翅片上時，受振面處于不完全固定狀態(tài)，振動能量不能完全通過傳振面進行傳遞，超聲波能量發(fā)生衰減。

4)與T型及L型傳振板相比，直板型傳振板工作時處于完全鎖定狀態(tài)，超聲波能量傳遞效率更高，有利于超聲波對速凍冷風(fēng)機翅片表面霜層的抑制和去除。

針對超聲波除霜技術(shù)的實際工程應(yīng)用，今后會在超聲波傳振結(jié)構(gòu)、連接形式、超聲波頻率及加載機制等方面深入研究，并融合新型翅片工藝，提升超聲波除霜的效果。