陳列柜蒸發器結霜的研究

李飛

（大連三洋冷鏈有限公司 遼寧大連 116600）

當含濕氣流與溫度低于其露點溫度的表面接觸時，就會發生凝結現象；如果該露點溫度低于0℃，該凝結物就會凝結并在表面形成一層霜，這一現象廣泛發生在制冷及低溫工程等領域中。特別是在普冷(-5℃)以下的低溫環境中，其霜形成規律與-5℃以上(包括熱泵工況)又有明顯的差別。因而對于-5℃以下的環境工況，要單獨地研究其霜生長規律。這對于更好的設計和運行該種范圍內的制冷系統，比如低溫冷凍型的陳列柜，從而提高在結霜工況下制冷系統的效率具有重要的現實意義。

陳列柜是超市中用來冷凍、冷藏食品的設備。為了便于顧客挑選，陳列柜的一面敞開，利用出風口吹成的風幕將低溫食品和高溫環境隔開，以減少熱量的侵入。陳列柜的大部分熱負荷來自于環境熱空氣的卷入。因此，形成良好的風幕是減少熱負荷、節約能源的有效措施。當陳列柜蒸發器表面溫度降到0℃以下時，其表面開始有霜形成。少量的霜可以提高蒸發器的傳熱性能；而大量的霜將會增大傳熱熱阻，降低流過蒸發器的空氣的流量，導致蒸發器制冷量的減少，對陳列柜的性能產生不良影響。采用風幕減少外界熱空氣的滲入，可以在一定程度上降低蒸發器上霜的形成速度，但不能完全防止霜的積聚。相反，結霜對風幕的送風速度影響很大。因此，蒸發器需定期融霜以保證風幕封閉敞口的能力和陳列柜的正常運行。

1 蒸發器結霜的原理

含在空氣中的水分與溫度低于水三相點的傳熱面接觸時，就會附著在傳熱面上而形成霜。從霜生長機理研究表明：霜生長需要一定的溫度勢和濃度勢。霜的成長過程既包含由溫度差引起的傳熱質過程，又包含由濃度差引起的傳熱過程,所以霜的成長模型就是熱、質傳遞的模型。霜層是冰—空氣混合形成的，霜層的構造，強烈地依賴于霜層的成長過程。霜層的成長過程可分類為霜柱發生期、霜層成長期和霜層成熟期。因為霜層成熟期在工程上已進入除霜的工作區間，所以在此處，作為考慮對象的僅為前兩個過程。

在冷表面上，可以認為冰結晶是一維的，并且是在局部地方上生長的，在冷表面上形成垂直的霜柱群，這些霜柱群就變為霜層構成的構造骨架。這就是霜柱發生期。在相同的水蒸汽濃度Δc(水蒸汽質量kg/干燥空氣質量kg)下，冷卻表面溫度Tw(℃)愈低，成長速度v(μm/s)就愈大。隨著結霜速度的增大，τc之值有減小的趨勢。另外，在相同的結霜速度下，冷卻面溫度較低和蒸汽濃度差Δc較大時，在短時間內霜柱發生期就終止了。由于已形成的霜柱群頭部的結晶遷移或結晶相互干涉作用，樹枝狀的三維的霜層厚度在增長，而且由于水蒸汽分子向霜層內擴散和凝結作用，使霜的密度增大，逐漸成長為較穩定的霜層，此過程稱為霜層成長期。霜層的性狀是由主流與冷表面之間的水蒸汽濃度差Δc和冷表面的溫度Tw決定的。

2 蒸發器結霜的影響因素分析

影響陳列柜蒸發器結霜的因素有很多，包括：環境相對濕度、風幕空氣速度、風幕空氣溫度、制冷劑蒸發溫度、蒸發器翅片間距等。本文主要研究風幕氣流組織和環境空氣兩個方面的影響。其中風幕氣流組織的影響主要是指：風幕空氣流速的影響；環境空氣的影響主要是指：環境空氣相對濕度的影響。以下是一個翅片管換熱器的結霜實驗數據。

對于盤管套片式翅片管換熱器（外形尺寸為300×80×270mm,由紫銅盤管和鋁質平板套片構成），保持環境空氣溫度Ta（℃）、換熱器壁溫Tw（℃）和換熱器翅片間距U（mm）不變,依此改變空氣流速Va（m/s）、環境空氣相對濕度φa,其結霜量Mf(kg)隨時間t(min)的變化關系如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，空氣流速越大、環境空氣的相對濕度越大，換熱器的結霜量隨時間增長也就越快。其中環境空氣的相對濕度對結霜量的影響最大,其次是空氣流速。比如：在結霜100min后，φa=80%時，Mf=0.1kg；Va=1.0m/s時，Mf=0.065kg。另外，結霜量隨時間的增長速度開始很快,之后逐漸降低。這說明開始時由于濕空氣與冷壁表面的濃度勢和溫度勢都很大，使得開始結霜速度很快。當霜生長到一定程度時，霜層的絕緣作用使濕空氣與霜表面的溫度勢和濃度勢逐漸降低，從而使霜生長速度變得越來越慢，結霜量也就越來越少。圖1中Ta=-11℃,Tw=-15℃,U=8mm,a=74%。圖2中Ta=-11℃,Tw=-15℃,U=8mm,Va=0.8m/s。

圖1 空氣流速對蒸發器結霜量的影響

圖2 環境空氣相對濕度對蒸發器結霜量的影響

3 陳列柜蒸發器結霜的實驗研究

3.1 實驗條件

3.1.1 實驗環境條件

恒溫恒濕實驗室，環境溫度可調范圍20℃～30℃,環境相對濕度可調范圍50%～80%，與柜體長度方向平行的環境空氣風速為0.2m/s以下。

3.1.2 實驗設備和測試儀器

臥式陳列柜TEM-CK088FA和立式陳列柜FEW-CK9085（雙層風幕）各一臺，使用溫度范圍分別為-20℃～-18℃和5℃～10℃，由大連三洋冷鏈公司生產。不同型號（126＃，110＃，103＃；124＃，117＃，128＃）的風機扇葉各三個。測風速的為熱線風速儀，空氣相對濕度由濕度儀和濕度傳感器測出。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 風幕氣流組織（空氣流速）的影響

(1) TEM-CK088FA

環境溫度30℃，環境相對濕60%；分別采用不同角度的蒸發器風機扇葉：126＃，110＃，103＃，其風幕出風速度相應為1.1m/s,1.3m/s,1.5m/s，觀察蒸發器結霜情況；運行3小時后，停機融霜，收集融霜水，并稱取融霜水重量。

(2) FEW-CK9085

環境溫度27℃,環境相對濕70%；采用不同角度的蒸發器風機（內層風幕）扇葉124＃,117＃，128＃，其風幕出風速度相應為0.7m/s,0.8m/s,0.9m/s，外層風幕風速均為0.2～0.3m/s，觀察蒸發器結霜情況；運行3小時后，停機融霜，收集融霜水，并稱取融霜水重量。

從圖3、圖4可以看出，在其他條件相同的情況下，風幕的空氣流速越大，陳列柜蒸發器的結霜量越大。對于陳列柜的蒸發器而言，這包括兩方面的原因：一方面，是由換熱器結霜本身的規律（如圖1所示）決定的，換熱器周圍的空氣流速越大，其結霜量越大；另一方面，由于風幕是敞口的，風幕的流速越大，卷入濕度較高的環境空氣也就越多，結霜量自然增大。另外，在相近的環境條件下，立式柜的融霜水量比臥式柜的大很多。這是由于立式陳列柜的風幕敞口，更容易卷入較多的環境空氣。

3.2.2 環境空氣（環境空氣濕度）的影響

（1）TEM-CK088FA

環境溫度30℃；改變環境空氣相對濕度（50%,60%,70%,80%），蒸發器風機的扇葉采用110#,其風幕出風速度為1.3m/s，觀察蒸發器結霜情況；運行3h，停機融霜，收集融霜水，并稱取融霜水重量。

（2）FEW-CK9085

環境溫度27℃；改變環境空氣相對濕度（50%,60%,70%,80%），蒸發器風機（內層風幕）的扇葉采用128#，其風幕出風速度為0.9m/s，觀察蒸發器結霜情況；運行15h，停機融霜，收集融霜水，并稱取融霜水重量。

從圖5、圖6可以看出，在其他條件相同的情況下，環境空氣的相對濕度越大，陳列柜蒸發器的結霜量越大。而且，結霜量隨環境濕度的升高增加的速度很快。當環境的相對濕度從60%上升到80%時，臥式陳列柜TEM-CK088FA的結霜量增加了1.4倍；立式陳列柜FEW-CK9085的結霜量增加了60%。對于陳列柜的蒸發器而言，這也是由兩方面的原因造成的。一方面，由于陳列柜的風幕是敞口的，不斷卷入濕度相對較高的環境空氣，環境空氣濕度大，蒸發器周圍的空氣濕度也越大；另一方面，是由換熱器結霜本身的規律（如圖2所示）決定的，換熱器周圍的空氣濕度越大，其結霜量越大。

4 結論

陳列柜風幕的空氣流速越大、環境空氣的相對濕度越大，其蒸發器的結霜量就越大。其中環境空氣的相對濕度對結霜量的影響更大,其次是空氣流速。另外，在相近的環境條件下，立式柜的融霜水量比臥式柜的大很多。因此，在設計和運行陳列柜的過程中，應考慮兩點：（1）在滿足柜內溫度需要的前提下，盡量避免選用角度即風速較大的扇葉；（2）對陳列柜運行的空調環境進行定期除濕，保證其相對濕度穩定在較低的水平。

圖3 TEM-CK088FA：送風速度對蒸發器結霜的影響

圖4 FEW-CK9085：送風速度對蒸發器結霜的影響

圖5 TEM-CK088FA：環境相對濕度對蒸發器結霜的影響

圖6 FEW-CK9085：環境相對濕度對蒸發器結霜的影響