基于抑霜方法的大流量低溫空氣補償換熱器設(shè)計

李冬梅,馬建軍

（中國飛機強度研究所,西安 710065）

前言

在氣候?qū)嶒炇疫M行飛機發(fā)動機低溫起動試驗時，根據(jù)試驗要求，需向環(huán)境室內(nèi)補充流量高達400 kg/s的0～-55 ℃的低溫氣體。這些低溫氣體是室外空氣經(jīng)由換熱器多級換熱后生成的。當室外空氣流經(jīng)低溫換熱器時必將造成換熱器表面結(jié)霜，而霜的形成會對換熱器的換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響，當結(jié)霜達到一定程度，換熱系統(tǒng)運行效率將大大降低，進而影響試驗系統(tǒng)的正常工作，因此有必要進行除霜操作以保證試驗持續(xù)性。

通過研究，在換熱器結(jié)霜早期，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)呈增長趨勢。隨著霜層厚度δ繼續(xù)增大，導熱熱阻也將增加，風側(cè)阻力逐漸增大，總換熱系數(shù)開始降低。這時就要開始對換熱器除霜，以保持實驗室溫度始終處于可控狀態(tài)。

通常的除霜方法有兩種：抑制結(jié)霜和主動融霜。目前工程中采用的除霜方法是先停止換熱器工作，再用熱氣或電加熱對霜層融化處理。但是，發(fā)動機低溫起動試驗連續(xù)性要求高，試驗過程不容中斷，故不宜采用除霜模式。鑒于此，借鑒美國麥金利氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的成功經(jīng)驗，對空氣補償系統(tǒng)采用抑霜設(shè)計，控制試驗過程中低溫換熱器表面的結(jié)霜厚度δ不大于某個值，處于合理區(qū)間，從而維持換熱器的正常換熱效率[1-3]。

其中抑制結(jié)霜技術(shù)有兩種：①通過降低外來氣流濕度和表面改性等被動手段；②利用外加電場、磁場、超聲波等主動手段進行。上述方法只能推遲結(jié)霜發(fā)生的時間或減小結(jié)霜速度，并不能完全避免結(jié)霜，不適用于發(fā)動機低溫起動試驗超大空氣流量、極端低溫的使用條件。因此有必要依據(jù)氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的技術(shù)指標，針對性的研究一種換熱器有效抑霜技術(shù)，來保持其正常的換熱效率，保證試驗在規(guī)定時間內(nèi)能夠連續(xù)進行[9]。

1 結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率的影響[9,10]

當換熱器表面溫度低于0 ℃時，就會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，對蒸發(fā)器換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響，導致?lián)Q熱器傳熱效率下降，嚴重者甚至影響制冷系統(tǒng)運行效率。分析原因主要表現(xiàn)在下述方面：①在蒸發(fā)器表面大量沉積會增加熱阻；②蒸發(fā)器表面結(jié)霜引起氣流通道截面積縮小,阻力增大，流量減小；③霜層積聚填充了翅片和管子之間的空隙，因此減小了翅片和管子的接觸熱阻。

為了減少甚至消除結(jié)霜現(xiàn)象對系統(tǒng)帶來的負面影響，國內(nèi)外許多學者對換熱器結(jié)霜現(xiàn)象進行了研究。Jeng-MinHuang等用數(shù)值計算的方法，研究了結(jié)霜厚度對管片式換熱器換熱性能的影響，得出了不同翅片間距情況下，換熱器的傳熱率與霜層厚度的關(guān)系，如圖1所示。明確指出表面結(jié)霜的管子換熱性能主要受臨界半徑的影響，而不是表面粗糙度的影響。文中建議在管片式換熱器單根管子有一半發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時，應開始化霜，否則此時隨著結(jié)霜現(xiàn)象的繼續(xù)，換熱量會大幅下降。

圖1 霜層厚度對傳熱率的影響

2 氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車試驗空氣補償系統(tǒng)之換熱器設(shè)計[4-8]

2.1 發(fā)動機開車空氣補償原理

圖2所示為氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車大流量冷空氣補償工作原理。試驗之前，根據(jù)環(huán)境溫度需求，設(shè)定合理的制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，通過初始換熱將冷量交換給載冷劑，并儲存在載冷劑儲罐1中。當進行發(fā)動機低溫起動試驗時，將儲罐1中的載冷劑冷量供給換熱器組，與引入的大量室外空氣進行冷熱交換，將空氣溫度調(diào)節(jié)至試驗所需溫度后送至環(huán)境室。經(jīng)過換熱后的載冷劑被送回至載冷劑儲罐2中，再次與制冷系統(tǒng)的制冷劑進行熱交換，然后繼續(xù)存貯在載冷劑儲罐1中，供再次試驗所需。

2.2 換熱器組設(shè)計

美國麥金利實驗室發(fā)動機低溫起動試驗模擬系統(tǒng)為了規(guī)避大量冷空氣補償帶來的結(jié)霜問題，對補償空氣在熱交換處理程序上進行了改進：即先采用降溫除濕的方法除去空氣中的大部分水蒸氣，使流經(jīng)低溫換熱器時的補償空氣露點溫度足夠低，絕對含濕量很小，使結(jié)霜厚度控制在合理范圍內(nèi)，從而保證了試驗過程不會因為換熱器大面積結(jié)冰而被迫中斷。

參考麥金利實驗室做法，根據(jù)實驗室送風風道大小（5 000 m×6 000 m），如圖3對空氣補償換熱器組進行四級布置，并進行了設(shè)計。

設(shè)定圖3中所示的一級換熱器為冷凝盤管，二級換熱器為結(jié)霜盤管，三級換熱器為中溫換熱器，四級換熱器為低溫換熱器。室外空氣進入送風風道經(jīng)過濾消聲處理后，通過冷凝盤管進行初級預冷，使空氣被處理為+6 ℃的飽和濕空氣冷凝析出空氣中的大量水分，降低其絕對含濕量；+6 ℃的飽和濕空氣接著進入二級換熱器，即結(jié)霜盤管將空氣冷卻至-10 ℃，再次析出空氣中的水分，減小了補償空氣直接進入中、低溫換熱器引起換熱器表面大面積結(jié)冰（霜）的可能性。其中第一級換熱器可稱作結(jié)冰換熱器，主要作用是在低溫高濕試驗時使空氣中的水提前凝結(jié)此換熱器上，降低中溫換熱器、低溫換熱器的結(jié)冰風險，保證換熱效率。

表1為各級換熱器功能及其中的載冷介質(zhì)。試驗室在做-25 ℃以上的發(fā)動機開車試驗時，采用載冷劑LM-8與制冷劑換熱進行蓄冷。在試驗開始時，載冷劑被送入空氣補償單元前三級換熱器與補償空氣進行冷熱交換，處理補償空氣到試驗要求溫度。當試驗環(huán)境在-25～-55℃之間時，制冷系統(tǒng)低溫級啟動，低溫級制冷系統(tǒng)將低溫載冷劑二氯甲烷溫度降至設(shè)計溫度，并將其儲存在儲罐中。試驗開始時，蓄冷的載冷劑被泵入空氣補償單元第四級換熱器與補償空氣進行冷熱交換，將補償空氣溫度處理到試驗要求溫度，然后通過送風管道送入環(huán)境室。

圖2 發(fā)動機低溫起動空氣補償工作原理

圖3 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償流程圖

表1 各級換熱器功能

2.2.1 冷空氣補償技術(shù)要求

空氣補償系統(tǒng)用于為在密閉的環(huán)境室內(nèi)，發(fā)動機瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)運行時提供所需的滿足試驗溫度的冷空氣，以維持環(huán)境室內(nèi)外的設(shè)計壓差并保證環(huán)境室內(nèi)恒定的溫度，從而保證發(fā)動機開車試驗的持續(xù)性、有效性與安全性。要求：

1）空氣補償量：總風量最大400 kg/s，每條風道最大80 kg/s；

2）補償空氣溫度范圍：-55～0 ℃；

3）壓降：≤2 000 Pa；

4）空氣補償持續(xù)時間：8 h 3次，每次持續(xù)20 min。

2.2.2 換熱器換熱面積確定

由于室外空氣中不可避免地存在水分，蒸發(fā)溫度低于0 ℃時，換熱器管路和翅片上將十分容易結(jié)霜。一般熱泵機組換熱器表面霜層生長可分為初始階段、減速生長段及加速生長段三個階段，三個階段的霜層形態(tài)并不相同。結(jié)霜初期先是形成霜粒，管壁表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,氣流擾動增強，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數(shù)開始逐漸減小，導致?lián)Q熱效率快速降低。當霜層厚度達到一定程度時，將帶來一系列的問題。

據(jù)研究測量結(jié)果，在一定的霜層范圍內(nèi)，霜層厚度每增加1mm可能導致蒸發(fā)溫度下降0.5 ℃（見圖4），而蒸發(fā)溫度的降低會使COP迅速下降。表明當霜層厚度超過1 mm時，換熱器的換熱效率急劇下降，故各級換熱器的結(jié)霜厚度在試驗期間應控制在1 mm以內(nèi)[11]。

設(shè)定發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償每個風道最大補氣量M空氣=80 kg/s，最低處理空氣溫度為-55 ℃，外界空氣分別經(jīng)過四級換熱器逐級降溫，降溫處理后的空氣均為飽和空氣。

經(jīng)過一級換熱器將空氣溫度處理至+6 ℃，相對濕度為φ1=100 %，根據(jù)空氣焓濕圖查得此時空氣的含濕量d1=5.87 g/kg。二級換熱器為結(jié)霜盤管，處理+6 ℃空氣到-10 ℃。-10 ℃空氣相對濕度φ2=100 %，含濕量d2=1.62 g/kg。按發(fā)動機開車試驗空氣補償單元最長補氣時間t=20 min計算,經(jīng)二級換熱器空氣中結(jié)霜水的質(zhì)量為:

根據(jù)換熱器結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率影響關(guān)系，當結(jié)霜厚度超過1 mm時，換熱器的換熱效率將急劇下降，最高可達25 %。假設(shè)二級換熱器結(jié)霜盤管在20 min補氣中表面結(jié)霜厚度均勻分布于盤管表面。由于換熱器結(jié)冰過程迎風面的霜層厚度遠大于被風面（見圖6），故結(jié)冰厚度取δ≤0.5 mm（留有50 %的結(jié)霜厚度余量），可得出所需設(shè)計盤管的換熱總表面面積A，該溫度下霜的密度ρ=110 kg/m3[12]，可得：

2.2.3 中、低溫換熱器結(jié)冰厚度校核

按照二級換熱器的換熱面積對中、低溫換熱器的結(jié)冰厚度進行校核。

三級（中溫）換熱器處理-10.3 ℃空氣到-25.8 ℃，-10.3 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=1.62 g/kg，-25.8 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=0.394 g/kg，得出結(jié)冰厚度d=0.125 mm；

四級（低溫）換熱器處理-25.8 ℃空氣到-55.1 ℃，-55.1 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=0.015 g/kg，計算可得：

四級換熱器的結(jié)冰厚度d=0.048 mm。

由此看出，中、低溫換熱器結(jié)霜（冰）厚度遠小于0.5 mm，不會影響換熱效率。

2.2.4 換熱器結(jié)霜試驗[13-15]

針對換熱器結(jié)霜形式、結(jié)霜時間、融霜方法搭建試驗平臺進行研究。實驗平臺主要由試驗箱、風機、變頻器、加濕器、進風口均流網(wǎng)、空氣流量計、溫濕度傳感器、壓差變送器、流量計、數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)等部件組成，詳見圖5。

圖4 蒸發(fā)溫度隨霜層厚度的變化情況

圖5 換熱器結(jié)冰融霜試驗平臺

換熱器布置在實驗箱體內(nèi)，材質(zhì)為銅管鋁翅片，銅管外直徑16.6 mm，翅片厚度0.3 mm。共有三組，每組10排，尺寸是： 24 mm/3排 +12 mm/3排+8 mm/4排，迎風面尺寸為1 200 mm×800 mm。

試驗過程：制冷系統(tǒng)及載冷載熱系統(tǒng)開始工作，在實驗箱內(nèi)空氣溫度達到-5 ℃時，開始朝換熱器噴蒸汽進行結(jié)冰，30 min后，換熱器兩側(cè)壓差達到了300 Pa，關(guān)閉風機。稍后開啟艙門，查看結(jié)冰狀態(tài)。見圖6。

試驗結(jié)果：如圖6所示，第一排翅片已結(jié)滿了霜，第二排翅片結(jié)了很少量的霜，第三排翅片未見結(jié)霜。換熱器的迎風面結(jié)霜明顯，霜質(zhì)松軟均勻，利用游標卡尺測得迎風面霜層厚度約0.9 mm；背風面也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，但是霜層厚度較薄。

圖6 換熱器結(jié)霜狀態(tài)

由此得出變片距結(jié)霜換熱器能夠有效對來流空氣預除濕，提前結(jié)霜，從而降低后續(xù)主換熱器的結(jié)冰風險，保證換熱性能。

2.2.5 換熱器組設(shè)計

依據(jù)上述計算得到的空氣補償換熱器所需換熱面積，綜合考慮換熱器的工作環(huán)境和風道內(nèi)的安裝維護需求，對換熱器組各級換熱器參數(shù)進行了設(shè)計。每級換熱器由4個相同的三層翅片管組成，材質(zhì)為鋼管鋁翅片，翅片厚度0.285 mm；肋管材料為304鋼，外徑15 mm。詳細參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償單元換熱器參數(shù)

3 結(jié)論

通過分析計算，設(shè)計了一種能夠有效抑制換熱器結(jié)霜的間接式制冷換熱器，可保證氣候?qū)嶒炇覂?nèi)飛機發(fā)動機低溫起動試驗全過程始終維持高效換熱。該方案解決了試驗時，由于室外大量的高濕度空氣經(jīng)過低溫換熱器而導致?lián)Q熱器表面積大量結(jié)霜，可能出現(xiàn)的試驗中止現(xiàn)象，從而可以滿足試驗過程的連續(xù)性要求，為氣候?qū)嶒炇医ㄔO(shè)大冷量空氣補償系統(tǒng)提供了設(shè)計依據(jù)。