受限流道沿程參數(shù)變化對豎直圓管表面結(jié)霜特性影響的實驗研究

霜經(jīng)常出現(xiàn)在自然界和工業(yè)領(lǐng)域中,如制冷空調(diào)、空氣源熱泵系統(tǒng)、航空航天和低溫工程領(lǐng)域等

。霜的生長受到多種因素制約,在不同的研究環(huán)境下具有不同的生長特性。為了獲得參數(shù)均勻,穩(wěn)定可控的霜層生長環(huán)境,目前大多數(shù)研究都是在一個相對于結(jié)霜冷表面來說的大開放空間進(jìn)行的。這種空間的特點在于氣流通道高度高于霜層厚度的25倍以上

。當(dāng)發(fā)生結(jié)霜時,濕空氣參數(shù)隨時間的變化較小,沿流動方向的分布較為均勻。在這種開放空間的實驗環(huán)境中,霜層的生長特性已經(jīng)在不同的冷卻表面,如圓筒表面、翅片、平板面上進(jìn)行了廣泛的探索

。比如在平板表面中,自然對流條件下,低的冷卻表面溫度、高的濕空氣溫度和高的相對濕度有利于霜的生長

。在低溫和強制對流條件下,霜的厚度隨著冷卻面溫度的降低而減少

。比起大開放空間,實際結(jié)霜現(xiàn)象更經(jīng)常出現(xiàn)在狹窄的換熱器流道中,比如板翅式換熱器的熱空氣流道以及管翅式換熱器翅片之間的空氣流道。這類的受限結(jié)霜空間特點在于,空氣流動通道高度略大于霜層厚度,沿流動方向濕空氣溫度和水蒸氣含量下降明顯。在此類受限流道中,結(jié)霜特性研究經(jīng)常在沿空氣流動方向恒定壁溫以及恒定入口濕空氣條件下進(jìn)行

,但實際中濕空氣參數(shù)和冷表面的溫度經(jīng)常會同時發(fā)生改變

,且通常研究的是換熱器的整體結(jié)霜特性

,而受限流道內(nèi)的霜層生長細(xì)節(jié)仍然不夠明晰。

因此,在本文中同時考慮受限流道內(nèi)沿程濕空氣參數(shù)和壁溫變化的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一個可視化的受限流道內(nèi)圓管表面結(jié)霜實驗裝置。在此裝置中,受限流道可被看成實際換熱器中的狹窄空氣流道。實驗研究了在逆流的工況中,不同濕空氣參數(shù)下受限流道內(nèi)的結(jié)霜特性,對霜的厚度、霜層生長率、結(jié)霜量和平均霜層密度進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1 實驗系統(tǒng)介紹

本文對結(jié)霜進(jìn)行的研究實驗通過改造先前搭建的實驗臺實現(xiàn)

。本結(jié)霜可視化實驗臺如圖1所示,主要由可視化結(jié)霜實驗段、濕空氣處理段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)組成。為了消除霜層的周向不均勻性和積油對換熱的影響,采用了豎直布局的可視化結(jié)霜實驗段。為了保證制冷系統(tǒng)供應(yīng)的制冷劑溫度達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定值,設(shè)置了輔助通道。在制冷系統(tǒng)能提供所需要的實驗低溫值之前,先將輔助通道與制冷系統(tǒng)連接,防止在工況未穩(wěn)定前在可視通道內(nèi)圓管上結(jié)霜。為獲得更好的換熱性能,實際中的換熱器大多數(shù)工作在逆流工況下,因此本文研究基于逆流工況,以制冷劑的入口處為起始點。

結(jié)霜可視化實驗段如圖1(a)所示,包括圓管換熱器,可視化通道、超聲波加濕器、風(fēng)機、恒溫槽和各種傳感器。為了良好的換熱效果以及觀察受限流道內(nèi)沿程的霜層特性變化,實驗選用的換熱管為銅管,管徑為40 mm,壁厚1 mm。圓管內(nèi)制冷流體為氣相R23制冷劑。為了保證能夠清楚的觀測圓管表面霜層的分布,將流道外側(cè)設(shè)計成透明的亞克力管道,管道內(nèi)徑為60 mm,受限濕空氣流道高10 mm。換熱管的制冷劑進(jìn)出口外表面部分則用保溫棉包裹至與實驗管道高度平齊,以保證管道內(nèi)空氣均勻流動。用T型熱電偶測量圓管壁溫,每間隔0.2 m有一個測點,測量范圍為0～1.0 m,如圖1(a)所示。

利用MATLAB對所拍攝的結(jié)霜圖像進(jìn)行灰度處理,再利用二值法獲得霜層的厚度變化。霜層生長率為某個測點在一定時間內(nèi)的平均霜層厚度變化值,計算公式如下

與現(xiàn)有滿足大空間特征尺寸且實驗工況相近的中霜層生長特性進(jìn)行對比。Yang的實驗工況

為

=10 ℃,

=83%,

=1 m/s,

=-25 ℃;Ostin的實驗工況

為

=21.1 ℃,

=31%,

=3 m/s,

=-10.8 ℃。以相同的計算方法進(jìn)行霜層生長率計算。圖4(b)表明了兩組開放空間實驗條件下的霜層生長率趨勢,可看出在開放空間內(nèi)的霜層生長率在初期較高,隨著霜的累積,霜層生長率在單調(diào)減小,并未出現(xiàn)顯著波動。

(1)

式中:

為霜層生長率,mm/min;

+1

為

+1

時刻測得的霜層厚度,mm;

為

時刻測得的霜層厚度,mm。

實驗所用設(shè)備類型及精度如表1所示。實驗中測量參數(shù)的不確定度如表2所示,其中霜層厚度測量誤差的主要來源為灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像分界值的設(shè)定和顯微鏡在軌道移動時的輕微移動。利用工程常用的誤差合成公式處理霜層厚度測量誤差獲得霜層厚度的不確定度

,結(jié)霜量的不確定度也采用此方法計算,平均霜層密度的不確定度通過對霜層厚度和結(jié)霜量的不確定度使用代數(shù)合成法獲得。為了研究濕空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和冷壁面溫度對結(jié)霜特性的影響規(guī)律,本文設(shè)計了以下實驗組,如表3所示,其中各參數(shù)均為受限流道的入口參數(shù)。

=∑[5(

-

)

]

(2)

式中:

為換熱管上的總結(jié)霜量,kg;

為入口含濕量,kg/kg;

為出口含濕量,kg/kg;

為干空氣質(zhì)量流量,kg/s。

霜層平均密度計算公式如下

為進(jìn)一步了解受限流道中霜層生長的具體特性,針對霜層生長率進(jìn)行分析。圓管上各點的霜層生長率隨時間的變化如圖4(a)所示,受限流道內(nèi)的霜層生長率隨時間整體呈降低趨勢。在結(jié)霜的早期階段(0～10 min),較薄的霜層和肋片類似,增加了傳熱和傳質(zhì)面積,強化了霜的生長

。因此,此時有較高的霜層生長率。隨著霜層的累積(10～20 min),霜層熱阻持續(xù)增長,熱量和質(zhì)量的傳遞受到快速積累的霜層的阻礙,霜層生長率也開始降低。然后,在20～50 min的范圍內(nèi),0 m、0.2 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m處的霜層生長率在不同時間出現(xiàn)了小幅增加,0.4 m處未出現(xiàn)明顯的增加。沿制冷劑流動方向,前段(0～0.2 m)的霜層生長率增長出現(xiàn)時間逐漸推遲。前段壁溫較低,初始水蒸氣濃度也較低。在結(jié)霜過程中,由于霜層變厚,熱阻增大,濕空氣流動過程中受限流道內(nèi)的水蒸氣濃度消耗減少。這意味著在測點上,水蒸氣濃度隨時間增加。熱阻越高的位置,水蒸氣濃度隨時間升高的幅度更大。增大的水蒸氣濃度強化了熱質(zhì)傳遞。此階段強化的結(jié)霜驅(qū)動力作用高于增大的霜層熱阻惡化作用,二者的綜合作用使霜層生長率升高,這種作用在結(jié)霜驅(qū)動力更大的地方體現(xiàn)更顯著,導(dǎo)致霜層生長率增長出現(xiàn)時間越早。霜層生長率在0.4 m處未出現(xiàn)明顯增長的原因可能是此處的壁溫已經(jīng)處于較高水平,且水蒸氣濃度水平較低,霜層的綜合驅(qū)動力較低,因此由于熱阻的緩慢積累,水蒸氣濃度上升不明顯,在二者綜合作用下,霜層生長率呈現(xiàn)較為平滑的下降。在中后段(0.6～1.0 m),壁溫較高且變化幅度小,而水蒸氣濃度充足,結(jié)霜驅(qū)動力沿制冷劑流動方向逐漸升高,因此出現(xiàn)霜層生長率增長的時間逐漸提前。當(dāng)受限流道內(nèi)的霜層進(jìn)一步積累(50～60 min)時,熱阻惡化作用占主導(dǎo),霜層生長率進(jìn)一步下降。

(3)

多維農(nóng)業(yè)休閑綜合體發(fā)展思路見圖1。多維農(nóng)業(yè)休閑綜合體是指在城市郊區(qū)或鄉(xiāng)村集鎮(zhèn)打造一個休閑娛樂區(qū)，是集休閑、娛樂、商務(wù)等多種功能于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式。在本項目中，多維主要包含時間多維、產(chǎn)業(yè)多維以及功能多維。時間多維指不同時間維度對園區(qū)發(fā)展有不同的要求，將一天、一年及一生的視角作為方案思考的出發(fā)點來進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計；產(chǎn)業(yè)多維指時間維度的豐富對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一定的要求，所以本文以柑橘產(chǎn)業(yè)為核心，以“農(nóng)業(yè)+N”為模式，使其與業(yè)態(tài)形式融合發(fā)展；功能多維作為綜合體最突出的特點，即在產(chǎn)業(yè)多維的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)生、發(fā)展不同的功能，最大程度上滿足不同人群的需求，從而豐富綜合體的體驗形式。

結(jié)霜量通過其出口含濕量的差值計算得出,由于數(shù)據(jù)每隔5 s記錄一次,因此計算時空氣含濕量和質(zhì)量流量被視為在這5 s內(nèi)相同,計算公式如下

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 受限流道內(nèi)沿程霜層生長特性

2.2.2 入口相對濕度的影響

不同時間的受限流道內(nèi)沿程霜層分布情況如圖2所示。沿制冷劑流動方向,在入口位置0 m處有較厚的霜層,隨后逐漸變薄,在0.4 m處霜層厚度降至較低;0.4～0.8 m處的霜層厚度幾乎不變,直到0.8 m之后霜層厚度才逐漸升高。冷壁面溫度是決定結(jié)霜驅(qū)動力的重要因素。沿制冷劑流動方向換熱管上各點的壁面溫度隨時間的變化如圖3所示。換熱管壁面溫度沿著制冷劑流動方向逐漸升高,圓管前半段(0～0.4 m)的壁溫升高為15.52 ℃,后半段(0.6～1.0 m)壁溫升高為3.21 ℃。從時間上來看,所有測點的壁溫前10 min內(nèi)上升,10 min后管壁溫逐漸維持在一個較小的范圍內(nèi)波動。在入口0 m處的壁溫較低,此處的傳熱溫差較大,根據(jù)劉易斯傳熱傳質(zhì)類比理論,此處的霜層厚度較大。位于中后段的0.4～0.8 m處壁溫較高,且由于受限流道內(nèi)濕空氣流動過程中水蒸氣濃度下降明顯,因此中后段的綜合結(jié)霜驅(qū)動力較弱,此段的厚度較小。由于是逆流工況,在制冷劑出口位置0.8～1.0 m,也就是在濕空氣入口段,濕空氣中的水蒸氣濃度較高。即使管壁溫已經(jīng)較高,但與0.6～0.8 m處相差不大,而更高的水蒸氣濃度使0.8～1.0 m處的霜層厚度逐漸增大。

西斯內(nèi)羅斯一方面肯定了民族文化之根的重要性，另一方面她主張擺脫狹隘的民族故步自封，在兩種文化中重建自身的文化身份，更好地融入多元化社會。賽利亞的家族在歷經(jīng)種種困難后，終在美國重獲幸福表達(dá)了西斯內(nèi)羅斯對于“混雜性”文化身份的樂觀態(tài)度。

最近，華誼集團(tuán)和臨港集團(tuán)在市國資委，普陀區(qū)委、區(qū)政府的見證下，就合作開發(fā)桃浦智創(chuàng)城603地塊簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，提升區(qū)域產(chǎn)業(yè)能級，助力603地塊實現(xiàn)從傳統(tǒng)工業(yè)到產(chǎn)業(yè)新城的華麗轉(zhuǎn)身。

2.2 環(huán)境參數(shù)對霜層特性的影響

2.2.1 入口濕空氣溫度的影響

FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀，大連依利特分析儀器有限公司；DJ型電動攪拌器，金壇市順華儀器有限公司；DZF-6020真空干燥箱、HH-S恒溫水浴裝置，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；80 mm布氏漏斗，天津市天玻玻璃儀器有限公司。

不同入口濕空氣溫度(實驗組A)下的結(jié)霜量和平均霜層密度如圖5所示,結(jié)霜量和平均霜層密度均隨著時間增加。入口濕空氣溫度從10 ℃升高到25 ℃時,更大的傳熱溫差增大了結(jié)霜驅(qū)動力,結(jié)霜量升高,如圖5(a)所示。關(guān)于結(jié)霜量的增長率,霜層熱阻隨時間逐漸升高,因此沿濕空氣流動方向的空氣溫度降低幅度減小,使得整體換熱溫差增大。在升高的熱阻和增大的換熱溫差綜合作用下,結(jié)霜量的增長率隨時間的變化較穩(wěn)定。在相對濕度不變的條件下,濕空氣溫度的升高,霜層表面的水蒸氣濃度差也增大,水蒸氣向霜層擴散的程度加劇,形成更致密的霜層,如圖5(b)所示。由于受限流道的限制,霜層厚度的生長率隨時間逐漸減小,因此隨時間的增長,霜層密度的增長速率逐漸下降。

本試驗考察了不同提取方式、不同提取時間以及不同提取溶劑下的樣品色譜圖，對比各條件下的譜圖的分離情況確定供試品溶液制備條件，具體條件見“2.3”項下。

為了分析霜的生長特性與受限流道內(nèi)沿程變濕空氣參數(shù)和變壁溫的關(guān)系,進(jìn)行了逆流結(jié)霜實驗。受限流道內(nèi)沿程的霜層生長特性基于以下工況分析,受限流道入口的環(huán)境參數(shù)

=25 ℃,

=50%,

=5 m/s;制冷劑入口位置壁溫

=-38 ℃。

不同入口相對濕度(實驗組B)的結(jié)霜量和平均霜層密度如圖6所示,結(jié)霜量和平均霜層密度均隨著時間增加。濕空氣相對濕度從30%升高到60%時,霜層表面水蒸氣濃度線性增長,結(jié)霜量均勻的增長,如圖6(a)所示。由于受限流道的限制,在熱阻增大的同時,沿濕空氣流動方向的各點水蒸氣濃度隨時間增大,促進(jìn)霜層生長,在兩者的綜合作用下結(jié)霜量隨時間近似呈線性增長。關(guān)于平均霜層密度,圖6(b)表明,隨著相對濕度升高,霜層的平均密度會降低。在垂直布局的冷表面上,當(dāng)相對濕度逐漸升高,在垂直霜晶生長的方向會發(fā)展出許多分支,分支在生長階段霜晶較為脆弱,在當(dāng)分支結(jié)構(gòu)被流動的濕空氣損壞時,會發(fā)生霜凍顆粒的散落,造成霜晶的密度減少

。

2.2.3 入口濕空氣流速的影響

李大頭幾乎不離身的手提包忘記收起來。那一刻，好奇心戰(zhàn)勝了道德、素質(zhì)、人品等字眼。我迅速地拉開皮包的拉鏈。我看到的是我們簽字的合同。我正要將包拉上，包的夾層里，一張紙的角露出來。我輕輕抽出，是另一張合同，合同上說，施工如若亡人，理賠四十萬。甲方是某建筑公司，乙方是李大頭。我腦袋轟響。這么說來，我們幫李大頭干活，若果死了一個人，他能從死人身上凈賺二十萬。那合同不但有雙方的簽名，還蓋著公章。我望著那鮮艷的公章，仿佛是我的血在成環(huán)形流淌。

不同濕空氣入口流速(實驗組C)下的結(jié)霜量和平均霜層密度如圖7所示,結(jié)霜量和平均霜層密度均隨時間升高。當(dāng)流速從3 m/s升高到4 m/s,結(jié)霜量的增幅較小,而從4 m/s升高至5 m/s之后,結(jié)霜量的增長幅度較大,如圖7(a)所示。這是因為在流速低于4 m/s時,對流換熱系數(shù)較低,此時的霜層較薄,受限流道對霜層熱阻的增長幾乎沒有阻礙,此時熱阻所帶來的阻礙結(jié)霜作用較顯著。當(dāng)流速進(jìn)一步升高之后,受限流道內(nèi)整體換熱系數(shù)升高,由于此時霜層生長較快,霜層厚度較厚,受限流道內(nèi)的霜層熱阻增長逐漸減弱,此時流速增長所帶來的強化結(jié)霜驅(qū)動力作用更顯著,結(jié)霜量增幅增大。圖7(b)顯示,平均霜層密度隨著流速的升高而增大。更高的流速下,霜層中的熱質(zhì)傳遞增強,使得霜層中的空氣空隙減少,平均霜層密度升高。

“是不是白天又餓著了？就算公事再忙，飯還是要吃的。”以前我還能照顧他的飲食，現(xiàn)在不在公司幫忙，根本不能保證他幾時吃飯，這種拼命干活的男人，基本上就是餓過頭就干脆不吃的類型，真讓人擔(dān)心。

3 結(jié) 論

本文在受限流道內(nèi)沿程的濕空氣參數(shù)和冷壁面溫度同時變化的基礎(chǔ)上,研究了逆流工況下不同入口濕空氣溫度、相對濕度和流速對結(jié)霜生長特性的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)受限流道內(nèi)沿制冷劑流動方向,前半段沿程壁溫升高幅度較大,霜層厚度逐漸減小;中后段由于逐漸升高的壁溫和水蒸氣濃度,霜層厚度維持在較低的水平,變化較小;出口段由于較高的水蒸氣濃度以及升高幅度較小的壁溫,霜層厚度逐漸升高。

(2)受限流道中的霜層生長率主要受變化的冷壁面溫度和濕空氣參數(shù)綜合作用影響。從時間角度來看,結(jié)霜初期,在較低溫度的冷表面處,霜層生長率較高;隨后,熱阻迅速增大,霜層生長率下降。在結(jié)霜中期濕空氣流動過程中,受限流道內(nèi)的水蒸氣濃度隨時間上升強化結(jié)霜,使霜層生長率升高。隨著霜層進(jìn)一步積累,霜層熱阻作用占主導(dǎo),霜層生長率下降。從流道沿程方向來看,受限流道內(nèi)壁溫越低,水蒸氣濃度越高的位置處霜層生長率出現(xiàn)局部增大的時間越早。

(3)受限流道內(nèi),入口濕空氣溫度和流速升高時,整體結(jié)霜量和平均霜層密度升高幅度較低;隨著入口濕空氣溫度和流速的進(jìn)一步增長,整體結(jié)霜量和平均霜層密度會有顯著的增長。隨相對濕度升高,結(jié)霜量均勻升高,而平均霜層密度均勻降低,均無顯著的變化波動。

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