迎面風(fēng)速對(duì)翅片換熱器結(jié)霜特性的影響

游牧 周亞素 葉濤 趙敬德

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

結(jié)霜是制冷、熱泵和低溫技術(shù)領(lǐng)域中常見(jiàn)的一種問(wèn)題。在低溫高濕的條件下，由于翅片換熱器表面的溫度較低，導(dǎo)致濕空氣中的水蒸氣在表面上凝結(jié)形成霜層。霜層的形成與生長(zhǎng)不僅減少了翅片間的氣流流動(dòng)通道和空氣流量，而且增大了翅片與空氣間的傳熱熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱性能下降[1]。因此掌握換熱器表面結(jié)霜過(guò)程的規(guī)律，對(duì)于提高系統(tǒng)的換熱性能極為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)結(jié)霜現(xiàn)象的研究主要包括：①通過(guò)建立結(jié)霜數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)霜層的特征參數(shù)如霜層厚度、霜層密度等[2-5]。②通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析霜層生長(zhǎng)機(jī)理，探究霜層生長(zhǎng)過(guò)程中的規(guī)律和影響因素[6-9]。由于翅片換熱器的結(jié)霜過(guò)程是一個(gè)非定常且有相變的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過(guò)程，單純的理論和模擬研究難度較大，因此，利用實(shí)驗(yàn)分析研究十分重要。

許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)翅片換熱器結(jié)霜問(wèn)題與換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)等密切相關(guān)。秦海杰等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究翅片間距、翅片表面材料等對(duì)空氣冷卻器結(jié)霜特性的影響。童治文等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同的入口空氣溫度、濕度、流速等環(huán)境參數(shù)下，翅片管蒸發(fā)器低溫結(jié)霜工況下結(jié)霜量、制冷量等的變化規(guī)律。但是對(duì)于不同環(huán)境參數(shù)下，霜層密度變化 的研究相對(duì)較少，霜層密度反映了霜層的厚實(shí)程度，同時(shí)也是反映除霜過(guò)程難易程度的重要因素。為此，本文利用搭建的翅片換熱器結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀察不同迎面風(fēng)速下，一段時(shí)間內(nèi)翅片換熱器表面的靜態(tài)結(jié)霜過(guò)程，探究翅片換熱器表面霜層密度在霜層生長(zhǎng)過(guò)程中的變化規(guī)律，為除霜研究提供新型參考指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)搭建的翅片管換熱器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)，制冷循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。下面分別介紹各系統(tǒng)的組成部件與系統(tǒng)的運(yùn)行原理。

1.1 系統(tǒng)的組成部件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。翅片換熱器結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)主要由溫度控制箱體，智能空氣加濕器和交流離心風(fēng)機(jī)組成，分別控制和改變翅片所在環(huán)境中的溫度，濕度和迎面來(lái)流的風(fēng)速。其中，由溫度控制箱體提供翅片換熱器結(jié)霜環(huán)境的空氣溫度，精度為0.1 ℃。通過(guò)空氣加濕器調(diào)節(jié)翅片換熱器結(jié)霜環(huán)境內(nèi)的濕度，精度為 2%。變頻器可通過(guò)轉(zhuǎn)換頻率改變離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變迎面來(lái)流風(fēng)速，如下圖所示，箭頭為密閉空間內(nèi)的氣流流向，風(fēng)機(jī)分為進(jìn)風(fēng)部分和出風(fēng)部分，通過(guò)設(shè)置的導(dǎo)流隔板進(jìn)行分隔，引導(dǎo)氣流的流動(dòng)方向。制冷循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)低溫恒溫槽制備-11 ℃的載冷液，載冷液由體積分?jǐn)?shù)為 23% 的CaCl2溶液制成，并用隔熱保溫管道將載冷液輸送至換熱器內(nèi)的制冷劑管道，模擬實(shí)際制冷劑管道內(nèi)的溫度，并通過(guò)循環(huán)泵循環(huán)。此外，低溫恒溫槽內(nèi)設(shè)置溫度探測(cè)器，保持載冷液的溫度維持在-11 ℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用溫濕度記錄儀記錄翅片所在環(huán)境中的溫度和濕度，測(cè)量范圍分別為-40 ℃-60 ℃以及0%-100%，監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定性，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)所用的翅片換熱器見(jiàn)圖2，尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 翅片換熱器示意圖

表1 翅片換熱器尺寸參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，設(shè)置翅片換熱器所在環(huán)境溫度Ts=-1 ℃，相對(duì)濕度φ=85%。實(shí)驗(yàn)最初，將表面干燥的翅片換熱器放置在精度為± 0.01 g 電子稱重儀上，多次稱重取平均值得質(zhì)量m0。其次，將試件通入-11 ℃的載冷液，并且確保單次試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)翅片表面的溫度保持 0 ℃，然后將翅片放入指定位置，在設(shè)置的條件下進(jìn)行結(jié)霜試驗(yàn)。結(jié)霜實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將翅片換熱器取出，記錄結(jié)霜情況并清理周邊多余霜層，稱取此刻翅片換熱器的重量記為m1，則該結(jié)霜條件下霜層的質(zhì)量為m1-m0。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)中，霜層質(zhì)量是通過(guò)電子稱重設(shè)備獲取的直接測(cè)量值，霜層體積是根據(jù)翅片換熱器迎風(fēng)面與背風(fēng)面霜層厚度估算得出的值，而霜層密度=霜層質(zhì)量/霜層體積。在一定的結(jié)霜條件下，受翅片通道迎風(fēng)側(cè)水蒸氣分壓力大于背風(fēng)側(cè)的影響，氣流進(jìn)入與離開(kāi)翅片通道處，霜層的厚度不一致，如圖3、4 所示。并且在結(jié)霜過(guò)程中，部分翅片通道中存在制冷劑管道時(shí)，管道的迎風(fēng)面及前半部分的翅片通道存在霜層的生長(zhǎng)，背風(fēng)面及后半部分的翅片通道則忽略霜層的生長(zhǎng)。因此，為方便計(jì)算霜層體積，采用以下合理假設(shè)：

1）霜層厚度是連續(xù)變化的，則在一個(gè)翅片通道內(nèi)，凝結(jié)完成時(shí)，霜層的形狀為直角梯形臺(tái)。

2）結(jié)霜的現(xiàn)象只發(fā)生在制冷劑管道的迎風(fēng)面段。

3）制冷劑管道表面的霜層厚度近似于迎風(fēng)面與背風(fēng)面霜層厚度的平均值。

因此，霜層的體積由以下三部分組成：

式中：V為翅片換熱器結(jié)霜總體積，mm3；V1為含有制冷劑管道的翅片通道內(nèi)的霜層體積，mm3；V2為不含有 制冷劑管道的翅片通道的霜層體積，mm3；V3為翅片前端與后端的霜層體積，mm3。

在一定條件下，翅片換熱器霜層的凝結(jié)現(xiàn)象圖可簡(jiǎn)化為圖3 所示。由式（2），式（3）和式（4），分別計(jì)算含有制冷劑管道的翅片通道內(nèi)的霜層體積、不含有制冷劑管道的翅片通道的霜層體積以及翅片前端與后端的霜層體積。

圖3 翅片表面結(jié)霜示意圖

圖4 翅片表面結(jié)霜局部示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用類似顯微成像觀測(cè)法[10]測(cè)量霜層厚度，運(yùn)用Canon Eos Mark 相機(jī)采集翅片結(jié)霜圖片，用 Photoshop 軟件對(duì)圖片進(jìn)行灰度和提升對(duì)比度處理后，將其導(dǎo)入 AutoCAD 中通過(guò)圖像處理方法計(jì)算翅片表面霜層厚度。如圖5 所示（此圖為V=2.5m/s，T=800s 時(shí)的局部結(jié)霜圖），測(cè)量導(dǎo)入 AutoCAD 后拍攝圖片中的翅片長(zhǎng)度x1=14.7503 以及霜層厚度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度x2=0.1382，并通過(guò)比例尺進(jìn)行測(cè)算迎風(fēng)面霜層厚度，則此時(shí)迎風(fēng)面的霜層厚度為δ1=0.5×96×(x2/x1)-0.5×δ=0.35 mm。為減小測(cè)量誤差，將拍攝的10 張圖片進(jìn)行上述處理后取平均值，作為該結(jié)霜條件下的迎風(fēng)面霜層厚度。

圖5 霜層厚度的標(biāo)定

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文主要研究了翅片換熱器所在環(huán)境中的迎面風(fēng)速和結(jié)霜時(shí)間對(duì)霜層密度變化的影響。隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，霜層不斷累積，霜層質(zhì)量和體積均在增加，并且環(huán)境中迎面風(fēng)速的變化，改變了進(jìn)入翅片通道間的濕空氣量，這些都影響了霜層密度的變化。在除霜過(guò)程中，隨著霜層密度的增大，霜層緊實(shí)度也會(huì)增加，不利于除霜過(guò)程的進(jìn)行。因此，分析迎面風(fēng)速與結(jié)霜時(shí)間對(duì)于霜層密度生長(zhǎng)的影響極為重要。本次實(shí)驗(yàn)控制翅片所在環(huán)境溫度Ts=-1 ℃，相對(duì)濕度φ=85%的結(jié)霜工況下，設(shè)置V=0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s 五個(gè)檔位的風(fēng)速，在不同風(fēng)速下分別觀察在T=200 s、400 s、600 s、800 s、1000 s、1200 s、1500 s、1800 s、2400 s、2700 s 時(shí)，霜層質(zhì)量，體積和密度的變化情況。對(duì)比了在不同迎面風(fēng)速V下，不同結(jié)霜時(shí)間T時(shí)的霜層質(zhì)量，霜層體積和霜層密度。

圖6 所示在不同迎面風(fēng)速條件下，霜層質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線圖。在相同迎面風(fēng)速條件下，霜層質(zhì)量隨著結(jié)霜時(shí)間的增加而增大，且質(zhì)量增長(zhǎng)曲線逐漸趨于平穩(wěn)。這是由于在霜層不斷累加時(shí)，翅片間的空氣流通通道空間逐漸變窄所致。在結(jié)霜前期，霜層生長(zhǎng)受到空氣流通通道空間減小的影響較小，因此霜層可不受限制的自由生長(zhǎng)。隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，翅片通道由于大量霜層的累積，空氣流通通道空間較最初值降低較大，導(dǎo)致單位時(shí)間進(jìn)入翅片通道內(nèi)的濕空氣量降低，不僅降低了霜層質(zhì)量生長(zhǎng)速率，也使得霜層質(zhì)量 趨于一個(gè)定值。由圖6 可知，在相同結(jié)霜時(shí)刻下，隨著迎面風(fēng)速的增加，霜層質(zhì)量也隨之增加。這是由于迎面風(fēng)速的提高，增加了濕空氣流速和單位時(shí)間進(jìn)入翅片通道內(nèi)的濕空氣量，增強(qiáng)了霜層表面的換熱作用，霜層質(zhì)量也隨之增加。

圖6 不同迎面風(fēng)速下霜層質(zhì)量隨時(shí)間的變化

圖7 給出了霜層體積在不同迎面風(fēng)速條件下，隨時(shí)間的變化規(guī)律。在相同結(jié)霜時(shí)間下，迎面風(fēng)速越大，霜層體積越大。同時(shí)，隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，霜層體積呈遞增趨勢(shì)。由于霜層生長(zhǎng)過(guò)程中，受空氣流通空間減小和霜層累積的影響，霜層體積增長(zhǎng)速率曲線逐漸趨于平穩(wěn)，與霜層質(zhì)量隨結(jié)霜時(shí)間變化規(guī)律相類似。

圖7 不同迎面風(fēng)速下霜層體積隨時(shí)間的變化

圖8 為不同迎面風(fēng)速下，霜層密度隨時(shí)間的變化規(guī)律。迎面風(fēng)速越高，相同時(shí)刻下霜層密度越大。并且在相同迎面風(fēng)速條件下，霜層密度隨著結(jié)霜的進(jìn)行不斷地增大。隨著時(shí)間的推移，霜層密度增長(zhǎng)速率不斷減小。這是由于在結(jié)霜過(guò)程中，霜層內(nèi)部由疏松多孔的狀態(tài)逐漸生長(zhǎng)成為致密緊實(shí)的狀態(tài)所導(dǎo)致的。霜層的生長(zhǎng)包含霜層的外部向外生長(zhǎng)和內(nèi)部致密化過(guò)程。其中，隨著霜層的向外生長(zhǎng)，霜層表面的溫度升高，導(dǎo)致結(jié)霜傳熱驅(qū)動(dòng)力降低，不利于霜層繼續(xù)向外生長(zhǎng)，此時(shí)霜層質(zhì)量和霜層體積的增長(zhǎng)速率均在減緩，但是霜層內(nèi)部致密化過(guò)程使得霜層質(zhì)量增長(zhǎng)速度減緩幅度小于霜層體積，因此在結(jié)霜時(shí)間增加的條件下，霜層密度也隨之增加，并且當(dāng)霜層質(zhì)量與霜層體積的值趨于穩(wěn)定時(shí)，霜層密度也趨于一個(gè)定值。與此同時(shí)，在迎面風(fēng)速較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入霜層內(nèi)部的濕空氣量也隨之增加，使得霜層更致密化，霜層密度也較低風(fēng)速下的值有所增加。

圖8 不同迎面風(fēng)速下霜層密度隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

本文對(duì)翅片換熱器表面的結(jié)霜過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同迎面風(fēng)速條件下，霜層質(zhì)量，霜層體積和霜層密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析了翅片換熱器迎面風(fēng)速和結(jié)霜時(shí)間對(duì)霜層質(zhì)量，霜層體積和霜層密度的影響，得到如下結(jié)論：

1）在相同時(shí)刻下，較大的迎面風(fēng)速增加了單位時(shí)間進(jìn)入翅片通道內(nèi)的濕空氣量。因此，霜層質(zhì)量和霜層體積均隨迎面風(fēng)速的增大而增大，并且在相同結(jié)霜時(shí)間內(nèi)，迎面風(fēng)速較大時(shí)，霜層密度的值也較大，霜層結(jié)構(gòu)更加致密。

2）霜層質(zhì)量和霜層體積均隨時(shí)間呈遞增趨勢(shì)，但是隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，霜層質(zhì)量和體積的增長(zhǎng)曲線逐漸趨于平穩(wěn)，與此同時(shí)，在相同迎面風(fēng)速條件下，霜層密度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)先逐漸增大后趨于平坦的趨勢(shì)。