翅片換熱器表面霜層質(zhì)量生長特性及平均堵塞率的試驗研究

濤，周亞素，李后明

（1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海濕騰電器有限公司，上海 200000）

0 引言

結(jié)霜是制冷與低溫領(lǐng)域中常見的一種現(xiàn)象，特別是在低溫高濕的冬季制熱工況下，空氣源熱泵系統(tǒng)室外蒸發(fā)器表面就會出現(xiàn)結(jié)霜情況，此時換熱器的換熱效果會隨著霜層質(zhì)量的生長及堵塞率的上升而逐漸變差，以至于影響整個系統(tǒng)的制熱性能。因此，研究換熱器表面霜層質(zhì)量生長特性及翅片堵塞率是優(yōu)化換熱器除霜規(guī)律和確保空氣源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定且高效工作所必須考慮的關(guān)鍵性問題。換熱器表面結(jié)霜一方面增加了換熱熱阻和空氣流動阻力，降低了熱泵系統(tǒng)的制熱量和可靠性；另一方面，由于與結(jié)霜周期不匹配的周期性停機除霜也會進一步減小空氣源熱泵系統(tǒng)的工作效率。目前，出于對翅片換熱器模型的簡化以便于研究的原因，進而國內(nèi)外學(xué)者對冷平板表面霜層生長特性及數(shù)學(xué)模型進行了廣泛研究，但對于翅片換熱器表面霜層質(zhì)量生長特性及霜層對于結(jié)霜后翅片堵塞狀況的研究卻較少，而翅片堵塞率也應(yīng)該作為空氣源熱泵系統(tǒng)換熱器優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵性因素。因此，研究翅片換熱器表面霜層質(zhì)量生長和翅片堵塞特性對優(yōu)化空氣源熱泵換熱器的設(shè)計具有重要理論意義。

近年來，國內(nèi)外對于結(jié)霜的研究對象從簡化的冷平板模型到實際的翅片換熱器模型，并主要從結(jié)霜機理、霜層生長特性影響因素、霜層物性等3個方面切入研究。

在冷平板結(jié)霜模型研究方面，Neal等［1］及Lee等［2］建立了一維平板表面霜層傳熱傳質(zhì)方程，為結(jié)霜模型的建立奠定了基礎(chǔ)。Piucco等［3］提出平板表面非均勻霜晶成核數(shù)學(xué)模型，通過該模型可以分析霜晶成核條件。劉中良等［4］通過試驗研究自然對流下豎直平板表面結(jié)霜過程，以晶體生長理論為依據(jù)，建立了較為完整的冰柱-冰塊混合結(jié)霜物理模型和一維平板凝華結(jié)霜數(shù)學(xué)模型。王軍等［5］對冷平面結(jié)霜過程的一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進行求解，分析了結(jié)霜過程的特征，研究了濕空氣流速、相對濕度及冷表面溫度對結(jié)霜過程的影響。?stin等［6］研究了在不同環(huán)境溫度、相對濕度和風(fēng)速下，對受氣流作用的水平平板結(jié)霜厚度特性的影響。

對霜層熱物性的研究是計算霜層生長和致密化過程的關(guān)鍵，Hayash等［7］對霜層熱傳導(dǎo)等熱物性展開了大量的試驗研究。Hermes等［8］和Sommers等［9］先后均通過試驗和理論對比研究，通過對Jakob關(guān)聯(lián)式進行改進，建立了新型霜層密度半經(jīng)驗公式。孟繁炯［10］提出了水平表面結(jié)霜的管子網(wǎng)格多孔介質(zhì)霜層物理模型，并建立了一維凝華結(jié)霜傳熱傳質(zhì)控制微分方程。顧祥紅等［11］依據(jù)隨機管子多孔介質(zhì)霜層模型，進一步考慮到了幾何結(jié)構(gòu)和壁面溫度等因素，建立了更為完善的霜層導(dǎo)熱系數(shù)表達式，但由于限定了空隙率致使方程不適合結(jié)霜晚期。馬強等［12-14］對水平冷面上霜層生長過程進行試驗及數(shù)值模擬，隨后又對低溫高濕條件下的波紋表面的結(jié)霜過程進行了試驗研究，分析了冷面溫度、濕空氣流速及波紋結(jié)構(gòu)等因素對波紋表面冷凝水珠凍結(jié)和霜層生長的影響。趙玲倩等［15］研究了不同疏水性對豎直冷表面上自然對流結(jié)霜特性影響。盛偉等［16］通過試驗及數(shù)值模擬的方法研究了水平鋁表面結(jié)霜特性，試驗結(jié)果表明該模擬模型能夠很好預(yù)測鋁表面結(jié)霜。從以上文獻可以看出，近年來國內(nèi)外學(xué)者對于平板表面霜層生長特性及模型研究的較為全面。

在翅片換熱器模型研究方面，Wu等［17］通過試驗研究了不同形式翅片冷表面對霜層分布特性的影響規(guī)律，并建立了結(jié)霜質(zhì)量與翅片結(jié)構(gòu)等的無因次經(jīng)驗公式。Kondepud等［18］對翅片換熱器表面結(jié)霜特性進行研究，定量分析了翅片幾何參數(shù)等對換熱器性能影響。Yang等［19］考慮了結(jié)霜對于空氣流量的影響，建立了翅片換熱器霜層生長模型。張魯夢等［20］進一步研究了環(huán)境溫度、相對濕度及迎面風(fēng)速對翅片換熱器表面霜層生長特性的影響規(guī)律。李景善等［21］考慮到結(jié)霜過程蒸發(fā)壓力的變化，研究了一臺空氣源熱泵室外換熱器表面霜層厚度生長特性及機組動態(tài)性能。梁媛媛等［22］測試了平行流換熱器在結(jié)霜工況下的換熱性能，研究了換熱器的換熱面積及表面換熱效率隨霜層厚度的變化。朱建民等［23］在焓差法空調(diào)器性能試驗臺上對一個汽車空調(diào)用平行流蒸發(fā)器的結(jié)霜過程進行了試驗研究，分析了蒸發(fā)器的翅片霜層厚度、結(jié)霜量、制冷量和空氣壓降隨結(jié)霜時間的變化規(guī)律。陳軼光等通過試驗研究了進風(fēng)溫度及相對濕度對低溫高濕環(huán)境下翅片換熱器結(jié)霜量及結(jié)霜厚度等的影響［24-31］。

相較于平板表面結(jié)霜特性，目前對于翅片管換熱器結(jié)霜的研究不夠充分，本文通過稱重法首次研究載冷劑溫度等對于翅片換熱器霜層生長特性的影響，并借助霜層的密度-時間關(guān)系式［9］，首次提出平均堵塞率概念，進而得出平均堵塞率變化曲線，為優(yōu)化除霜周期提供新型參考指標(biāo)和設(shè)計依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置

作者搭建了翅片換熱器表面結(jié)霜可視化稱重試驗平臺結(jié)霜，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該試驗臺主要由空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、翅片換熱器結(jié)霜風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)、載冷液制冷循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測控采集系統(tǒng)4個部分組成。其中，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要設(shè)備溫度控制箱體、加濕器和變頻離心風(fēng)機分別用來調(diào)控來流濕空氣的溫度、相對濕度和迎面風(fēng)速，用于模擬冬季室外側(cè)工況條件；載冷液制冷循環(huán)系統(tǒng)接恒溫循環(huán)水浴箱，以模擬試件能夠達到測試蒸發(fā)溫度而提供冷源，其中載冷液采用的是體積分數(shù)為23%的氯化鈣濃溶液；數(shù)據(jù)測控采集系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集器和試驗稱重儀分別用于采集翅片式換熱器進風(fēng)前的空氣參數(shù)及其霜層質(zhì)量變化情況。

圖1 結(jié)霜可視化試驗結(jié)構(gòu)示意

表1給出了試驗中結(jié)霜試件翅片式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 翅片換熱器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) mm

1.2 試驗過程

確保翅片換熱器試件表面干燥，將試件接通恒溫水浴箱預(yù)冷至溫度為0 ℃左右，完全排水拆卸取下?lián)Q熱器經(jīng)多次稱重取平均值記為m0；迅速將試件放入結(jié)霜循環(huán)風(fēng)道中，打開風(fēng)機調(diào)至試驗條件溫度，開始計時；達到試驗預(yù)定時間后拆卸下試件取出并多次稱重取平均值記為，則該工況下該預(yù)定時間內(nèi)的結(jié)霜量為m0-。為保證試驗準(zhǔn)確性及精度，在處理稱重數(shù)據(jù)時采用剔除最大值及最小值，并進行多次試驗稱重取平均值而達到消除粗大誤差減小隨機誤差的目的。試驗過程中所使用的儀器型號及精度見表2。

表2 試驗儀器型號及精度

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

在試驗過程中，結(jié)霜過程中霜層質(zhì)量是通過試驗電子稱重儀器而獲取的直接測量值，翅片平均堵塞率為計算值，換熱器翅片平均堵塞率定義為：結(jié)霜之后的霜層在流通方向上的截面積占翅片管換熱器總流通面積的比例，通過下式計算。

式中 ε ——翅片間隙堵塞率，%；

m0——翅片換熱器凈重，g；

ρf——霜層密度，kg/m3，隨時間變化；

s ——翅片換熱器結(jié)霜面積，mm2；

L ——翅片換熱器翅片間距，mm。

本文根據(jù)文獻［9］提供的霜層密度數(shù)據(jù)，得出霜層的密度-時間關(guān)系式如下：

式中 Λ——改進的Jakob數(shù)；

t ——結(jié)霜時間，s；

θ ——翅片表面接觸角，°；

φ——來流空氣相對濕度，%；

CP——干空氣比熱，J/（kg·K）；

isv——升華潛熱，J/kg；

Tsat,a——來流空氣飽和溫度，℃；

Tw——翅片表面溫度，℃；

ωa——濕空氣含濕量，kg/kg；

ωsat,w——翅片表面飽和空氣含濕量，kg/kg。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 迎面風(fēng)速對翅片換熱器霜層質(zhì)量生長特性及平均堵塞率的影響

迎面風(fēng)速是影響霜層質(zhì)量生長變化的重要因素，在迎面風(fēng)速較高的情況下，更多的濕空氣可以進入翅片間空間，進而導(dǎo)致所形成的霜層密度更大，不利于快速除霜；在迎面風(fēng)速較低的情況下，結(jié)霜前期更利于水蒸氣在翅片表面凝結(jié)附著形成粒狀冰晶，霜層密度較為疏松，霜層厚度增加較快導(dǎo)致除霜更加頻繁。因此研究迎面風(fēng)速對于結(jié)霜質(zhì)量生長特性的影響對于換熱器除霜是非常有必要的。本文模擬環(huán)境溫度TS為1 ℃、相對濕度φs為90%的結(jié)霜工況，在設(shè)定載冷劑溫度為Tr為-11 ℃不變的條件下，改變迎面風(fēng)速分別為V=1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 m/s進行試驗。對比了在不同迎面風(fēng)速V工況下?lián)Q熱器霜層質(zhì)量生長特性及平均堵塞率隨時間的變化差異，如圖2，3所示。從圖2可以看出，在載冷劑溫度為-11 ℃時，隨著時間的推移，同一風(fēng)速下的霜層質(zhì)量在前20 min增加的速率較快，這也增加了換熱器與濕空氣之間的傳熱熱阻，所以隨后霜層質(zhì)量增加速率趨于平緩直至趨向于零。在相同結(jié)霜時間內(nèi)，迎面風(fēng)速越大結(jié)霜量就越大。這是由于迎面風(fēng)速越大則單位時間經(jīng)過翅片間的水蒸氣量就越大，且流速增大使得霜層上方水蒸氣濃度變化的傳質(zhì)邊界層變得更薄，使得靠近霜面處水蒸氣分壓較大，從而傳質(zhì)驅(qū)動力和相變驅(qū)動力都變大。因此導(dǎo)致結(jié)霜前期迎面風(fēng)速越大相同時間內(nèi)結(jié)霜量越大。

圖2 不同迎面風(fēng)速下結(jié)霜量隨時間變化

圖3 不同迎面風(fēng)速下平均堵塞率隨時間變化

從圖3可以看出，平均翅片堵塞率的變化趨勢與結(jié)霜量隨時間變化趨勢類似，也是結(jié)霜前期平均堵塞率增長迅速，然后漸漸趨近一個穩(wěn)定值，且隨著迎面風(fēng)速的增加，平均堵塞率達到穩(wěn)定的時間逐漸延后，如圖3中曲線L所示。

2.2 載冷液溫度對翅片換熱器霜層質(zhì)量生長特性及平均堵塞率的影響

載冷劑溫度直接決定換熱器表面溫度，而換熱器表面溫度又直接影響霜層表面溫度，更低的載冷劑溫度會使得霜層表面更低，從而使結(jié)霜面附近的水蒸氣分壓力降低，增加了傳質(zhì)和相變的驅(qū)動力，從而使得霜層的結(jié)構(gòu)和厚度均有所變化。本文模擬環(huán)境溫度TS為1 ℃、相對濕度φs為90%的結(jié)霜工況，在設(shè)定迎面風(fēng)速V=1.5 m/s不變的條件下，改變載冷劑溫度分別為Tr=-11，-9，-7，-5，-3 ℃進行試驗。對比了在不同載冷劑溫度（Tr）工況下?lián)Q熱器霜層質(zhì)量生長特性及平均堵塞率隨時間的變化差異，如圖4，5所示。

圖4 不同載冷液溫度下結(jié)霜量隨時間變化

圖5 不同載冷液溫度下平均堵塞率隨時間變化

由圖4可以看出，在進口風(fēng)速為1.5 m/s下，隨著時間的推移，同一載冷劑溫度下的霜層質(zhì)量在結(jié)霜前期增加的速率較快，隨后霜層質(zhì)量增加速率趨近一個穩(wěn)定值；在相同結(jié)霜時間內(nèi)，前15 min時載冷劑溫度越低結(jié)霜量越大，20 min之后載冷劑溫度在-7，-9，-11 ℃的試驗工況下霜層質(zhì)量生長趨勢出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，相同時間內(nèi)載冷劑溫度低結(jié)霜量越小。

從圖5可以看出，平均翅片堵塞率的變化趨勢與結(jié)霜量隨時間變化趨勢類似，結(jié)霜前期載冷劑溫度越低平均堵塞率越大，20 min后載冷劑溫度在-7，-9，-11 ℃的試驗工況下平均堵塞率增長趨勢出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

根據(jù)結(jié)霜量和翅片平均堵塞率隨時間變化規(guī)律，結(jié)合試驗過程中對霜層生長的觀察。在迎面風(fēng)速不變的情況下，相同時間內(nèi)載冷劑溫度越低霜層質(zhì)量越大。如圖6所示，由于迎風(fēng)側(cè)接觸到的水蒸氣分壓力大，致使該處相較于翅片內(nèi)部及背風(fēng)側(cè)，其傳質(zhì)驅(qū)動力和相變驅(qū)動力都大，進而迎風(fēng)面霜層生長較快導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)過早堵塞，導(dǎo)致后期結(jié)霜變緩。這也是圖4中霜層質(zhì)量生長曲線和圖5中平均堵塞率曲線出現(xiàn)交叉的原因。

圖6 翅片表面結(jié)霜示意

3 結(jié)論

本文通過搭建翅片換熱器表面結(jié)霜可視化試驗平臺，探究了翅片換熱器表面的霜層質(zhì)量生長特性，分析了翅片迎面速度和管內(nèi)載冷液溫度對霜層質(zhì)量生長特性及翅片間隙堵塞特性的影響。

（1）在相同時間內(nèi)，迎面風(fēng)速越大結(jié)霜量越大；載冷劑溫度對結(jié)霜質(zhì)量生長影響分兩個階段：在結(jié)霜前期載冷劑溫度越低結(jié)霜量越大，促進結(jié)霜。結(jié)霜中后期載冷劑溫度越低結(jié)霜量越小，抑制結(jié)霜。

（2）在同一風(fēng)速下，翅片平均堵塞率先增長迅速然后漸漸趨近一個穩(wěn)定值，且隨著迎面風(fēng)速的增加，平均堵塞率達到穩(wěn)定的時間逐漸延后；載冷劑溫度越低平均堵塞率越大隨后出現(xiàn)交匯現(xiàn)象，此后載冷劑溫度越低平均堵塞率越小。

（3）對于翅片管換熱器在結(jié)霜環(huán)境下工作時，會出現(xiàn)沿濕空氣流動方向翅片上霜層厚度由厚逐漸變薄的普遍現(xiàn)象，進而迎風(fēng)側(cè)翅片過早堵塞，導(dǎo)致霜層質(zhì)量生長及平均換熱器曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。