間接制冷換熱器除霜方案研究

馬建軍，劉海燕

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

氣候環(huán)境實驗室采用翅片管式換熱器對空氣進行直接溫度處理[1-2]，可實現(xiàn)極端溫度范圍為-55～+74 ℃，換熱器采用液態(tài)載冷劑作為冷媒。在低溫環(huán)境下還要進行降雪、凍霧、凍雨等低溫高濕試驗，這將導致?lián)Q熱器結霜。在結霜早期，由于霜層的形成增加了傳熱表面的粗糙度以及換熱面積，使總換熱系數(shù)有所增加。隨著霜層厚度和導熱熱阻逐漸增加，風側阻力增大，總換熱系數(shù)降低[3]。若不及時除霜將導致實驗室溫度失控，甚至導致試驗失敗。除霜的方式[4-5]可概括為兩種：抑制結霜和主動融霜。抑制結霜技術手段主要包括通過降低來流濕度、表面改性等被動手段來抑霜，利用外加電場、磁場、超聲波等主動手段抑霜。以上抑霜手段推遲了結霜發(fā)生的時間或減小結霜速度，并不能完全避免結霜。換熱器結霜后，還須采取措施進行融霜。目前針對換熱器的融霜研究主要集中在制冷劑直膨式蒸發(fā)器的融霜，有多種成熟手段[6-12]，如電加熱融霜、反向循環(huán)熱氣融霜、液體冷媒融霜、基于能量存儲的旁通融霜等。對于采用液體冷媒的超低溫換熱器的除霜缺乏研究。

1 換熱器除霜方案設計

為將空氣處理至極端低溫，通常需要兩套或多套適用溫度不同的換熱器，不同的換熱器內(nèi)充注適用溫度不同的載冷劑，如圖 1所示。中溫換熱器用于-25 ℃以上的工況，低溫換熱器用于-25～-55 ℃的工況。由于實驗室溫度低至-55 ℃，且有低溫高濕的試驗工況，換熱器的結霜將很嚴重，若頻繁進行融霜，勢必會影響實驗室溫度穩(wěn)定性。因此，換熱器的除霜將從兩方面考慮：一是采取措施抑制結霜，降低結霜的影響，避免頻繁進行融霜；二是設計融霜系統(tǒng)，在適當?shù)臅r機對換熱器進行融霜。

低溫工況下，換熱器首先在迎風面開始結霜，在風道內(nèi)增加一臺“結霜換熱器”，置于主換熱器前面，對來流空氣進行預除濕，進而降低主換熱器的結霜風險，保證主換熱器的換熱能力。結霜換熱器為變翅片間距換熱器，迎風面片距較大，背風面片距較小。這種結構可以保證即使迎風面結霜嚴重也不會阻塞空氣流通[13]，提高系統(tǒng)對結霜的耐受度，避免頻繁停機融霜。

隨著換熱器結霜越來越嚴重，空氣流通面積會越來越小，阻力會越來越大，因此還需要采取措施對換熱器進行融霜。可利用蒸汽作為熱源，設計加熱系統(tǒng)，在合適時機對換熱器進行加熱融霜。第一種融霜方案是增設一套冷媒旁路循環(huán)，串聯(lián)一臺蒸汽加熱器，如圖2所示。需要進行融霜時，關閉主路閥門K1和風閥F1、F2，打開旁路閥門K2，開啟循環(huán)泵和蒸汽加熱器，通過循環(huán)加熱換熱器內(nèi)的冷媒，進而加熱換熱器，對換熱器進行加熱融霜。稱這種對換熱器由內(nèi)及外加熱的方式為內(nèi)融霜方案。

第二種融霜方案是增設一套空氣旁路循環(huán)，串聯(lián)一臺蒸汽加熱器，如圖3所示。需要進行融霜時，關閉主路風閥F1、F2，打開旁路風閥F3、F4，啟動蒸汽加熱器和旁路風機，將換熱器段的空氣循環(huán)加熱，對換熱器進行熱空氣吹掃融霜。稱這種對換熱器由外及內(nèi)加熱的方式為外融霜方案。

2 除霜方案實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

根據(jù)氣候環(huán)境實驗室空氣處理機組的運行原理和除霜系統(tǒng)的設計方案，搭建了融霜試驗平臺，如圖

4所示。對結霜換熱器的功能和內(nèi)、外融霜方案的可行性進行了實驗研究。

試驗系統(tǒng)主要包括以下部分。

1）冷水機組：為單級壓縮制冷機組，通過蒸發(fā)器冷卻冷媒，為系統(tǒng)提供冷源。

2）閉式水箱：為冷媒循環(huán)提供穩(wěn)定的壓力，冷媒為SH-60。

3）變頻循環(huán)水泵：驅動冷媒在管道和換熱器內(nèi)流動，泵的流量為16 m3/h。實際運行中根據(jù)渦輪流量計來控制流量，使得換熱器管內(nèi)載冷劑流速與設計值1.33 m/s保持一致。

4）管道電加熱器：加熱功率為20 kW，對冷媒進行加熱。為方便搭建系統(tǒng)，在此以電加熱器代替蒸氣加熱器作為熱源，不影響試驗結果。

5）變頻循環(huán)風機：驅動空氣流過換熱器，風機功率為5 kW，風量為14 800 m3/h，使換熱器迎面風速與設計值3.93 m/s一致。

6）輔助電加熱器：加熱功率為15 kW，對空氣加熱，以電加熱代替蒸汽加熱，不影響試驗結果。

7）干蒸汽加濕器：對空氣進行加濕，濕空氣遇到低溫換熱器結霜。

8）換熱器試件：換熱器的迎風面尺寸為1200 mm×800 mm，為變片距換熱器，材質(zhì)為銅管鋁翅片，一共10排，尺寸分別為3R24 mm+3R12 mm+4R8 mm。銅管外徑為16.6 mm，翅片厚度為0.3 mm。

2.2 實驗步驟

在實驗室-5 ℃左右的凍雨試驗中，實驗室中的濕度最大，換熱器表面最易結霜，因此主要進行了-5 ℃的結霜和除霜實驗。實驗共分為兩個階段，第一階段是換熱器結霜，第二階段進行換熱器內(nèi)融霜或外融霜，各階段的實驗步驟如下。

1）換熱器結霜：打開閥門1、2、4、5，關閉閥門3；開啟循環(huán)水泵、制冷機組、循環(huán)風機；觀察載冷劑溫度及艙內(nèi)空氣溫度；待空氣溫度達到目標溫度-5 ℃后，開啟干蒸汽加濕器向艙內(nèi)送入蒸汽，換熱器結冰，待換熱器兩側的壓差ΔP增加值達到300 Pa后，關閉加濕器，結霜完成。

2）換熱器內(nèi)融霜：關閉風機，關閉閥門1、2，打開閥門3，切換到全旁通狀態(tài)；將管道電加熱投入，加熱功率為 20 kW，對冷媒進行加熱，切換到內(nèi)融霜模式；觀察并記錄融霜過程中霜的變化及冷媒溫度的變化，直至融霜完成。

3）外融霜：關閉閥門4、5或停止循環(huán)水泵，使載冷劑停止流動；開啟空氣輔助電加熱，加熱功率為15 kW，連同風機5 kW電功率，加熱功率一共20 kW，與內(nèi)融霜加熱功率相同，切換到外融霜模式；觀察并記錄融霜過程中霜的變化及空氣溫度的變化，直到融霜完成。

2.3 實驗結果

換熱器的結霜狀態(tài)如圖 5所示，迎風面片距較大，為24 mm，背風面片距為8 mm。在迎風面結霜嚴重，霜層厚度約2 mm，背風面輕度結霜，僅有小冰晶出現(xiàn)，結霜情況對空氣流通影響不大。可見變片距結構的結霜換熱器可有效預先對來流空氣進行除濕，降低后續(xù)換熱器的結霜風險，保證換熱性能。

外融霜模式下霜的狀態(tài)變化如圖 7所示。當空氣溫度上升至0 ℃后，霜開始融化。不同于內(nèi)融霜，外融霜模式下翅片和管表面的霜幾乎同時開始融化，但融霜速度比內(nèi)融霜要慢得多，需要 2倍的時間才能完全融化，且產(chǎn)生大量的水滴附著在換熱器表面。

造成內(nèi)融霜速率高于外融霜的原因主要有兩點：一是液體冷媒的熱傳導性能遠高于空氣，與管壁間的換熱系數(shù)更高，加熱功率相同的情況下，冷媒的溫度響應更快。二是內(nèi)融霜的能量利用率更高，內(nèi)融霜投入的加熱量除用于冷媒、換熱器的升溫外，其余用于融霜，基本不會對周圍空氣產(chǎn)生影響；而外融霜投入的加熱量首先加熱空氣，隨后用于融霜，為徹底融霜，還須進一步加熱換熱器和冷媒以使換熱器表面溫度高于 0 ℃。同時外融霜過程中，空氣的相對濕度一直保持在95%左右，這表明還有一部分熱量被用于水蒸發(fā)引起的潛熱。

圖 8顯示了內(nèi)融霜模式下冷媒進出口溫度和外融霜模式下空氣進出口溫度的變化趨勢，相同加熱功率下，冷媒的升溫速率明顯高于空氣的升溫速率。

內(nèi)融霜和外融霜完畢后，均有大量的水滴附著在換熱器表面，若不將水滴清除，再次降溫過程中，水滴將再次凝結成冰，因此融霜結束后需要去除換熱器表面的水。實驗同時研究了除水方法，在內(nèi)融霜完畢后，繼續(xù)加熱冷媒，將水加熱蒸發(fā)，同時開啟風機進行吹掃，將水蒸氣排出試驗箱。這種方法可以在20 min內(nèi)將換熱器表面的水完全去除。

3 結果應用

為了提高系統(tǒng)的可靠性、可控性和冗余度，氣候環(huán)境實驗室的空氣處理系統(tǒng)通常由兩套以上的獨立機組構成。根據(jù)實驗結果，融合結霜換熱器、內(nèi)融霜和外融霜的特性，設計了適用于采用載冷劑為冷媒的換熱器的除霜系統(tǒng)方案，如圖9所示。

為了避免單套機組由于融霜而完全停機，將機組分成了兩個獨立的通道，兩個通道不同時融霜，每種冷媒各設計了一套內(nèi)融霜系統(tǒng)。為降低融霜后換熱器表面的附著水量以減少除水時間，可對換熱器表面進行處理，形成疏水層[15-17]，并在融霜結束后繼續(xù)加熱載冷劑，使水蒸發(fā)，同時使用室外新風吹掃換熱器，徹底除水。

實驗過程中通過檢測換熱器前后壓差ΔP的變化來判斷是否需要進行融霜。可對單個或多個機組同時進行融霜，靈活配置，以適應不同的試驗需求。目前該除霜系統(tǒng)已成功應用于大型氣候環(huán)境實驗室。

若不具備大功率加熱的能力，可對上述融霜系統(tǒng)稍加改進，成為基于能量存儲的融霜系統(tǒng)，如圖 10所示。在融霜系統(tǒng)中串聯(lián)一個儲液罐，并增加一個冷媒加熱內(nèi)循環(huán)。不需要融霜時，關閉K2，打開K1，將儲液罐及一部分管道內(nèi)的冷媒循環(huán)加熱至設定溫度，將熱量存儲起來。需要融霜時關閉K1、打開K2將已經(jīng)存儲的熱量送入換熱器進行融霜。因此，只需要小功率的加熱源就可滿足融霜需要，如電甚至壓縮機的排熱。

4 結論

通過對結霜換熱器、內(nèi)融霜方案和外融霜方案的實驗研究，得出以下結論。

1）變片距結霜換熱器能夠有效對來流空氣預除濕，提前結霜，降低后續(xù)主換熱器的結霜風險，保證換熱性能。

2）內(nèi)融霜和外融霜均能對換熱器進行融霜，內(nèi)融霜效果最好。

3）根據(jù)實驗結果，設計了一套采用蒸汽為熱源、內(nèi)融霜為主、新風吹掃為輔的適用于以載冷劑為冷媒的換熱器的除霜系統(tǒng)方案，已成功應用于大型氣候環(huán)境實驗室空氣處理系統(tǒng)。