迎面風速對翅片換熱器結霜特性的影響

游牧 周亞素 葉濤 趙敬德

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

結霜是制冷、熱泵和低溫技術領域中常見的一種問題。在低溫高濕的條件下，由于翅片換熱器表面的溫度較低，導致濕空氣中的水蒸氣在表面上凝結形成霜層。霜層的形成與生長不僅減少了翅片間的氣流流動通道和空氣流量，而且增大了翅片與空氣間的傳熱熱阻，導致換熱器的換熱性能下降[1]。因此掌握換熱器表面結霜過程的規律，對于提高系統的換熱性能極為重要。

國內外學者對結霜現象的研究主要包括：①通過建立結霜數學模型，運用數值模擬方法預測霜層的特征參數如霜層厚度、霜層密度等[2-5]。②通過理論和實驗分析霜層生長機理，探究霜層生長過程中的規律和影響因素[6-9]。由于翅片換熱器的結霜過程是一個非定常且有相變的復雜傳熱傳質過程，單純的理論和模擬研究難度較大，因此，利用實驗分析研究十分重要。

許多學者通過實驗的研究發現翅片換熱器結霜問題與換熱器結構參數和系統的環境參數等密切相關。秦海杰等[10]通過實驗研究翅片間距、翅片表面材料等對空氣冷卻器結霜特性的影響。童治文等[11]通過實驗測試了不同的入口空氣溫度、濕度、流速等環境參數下，翅片管蒸發器低溫結霜工況下結霜量、制冷量等的變化規律。但是對于不同環境參數下，霜層密度變化 的研究相對較少，霜層密度反映了霜層的厚實程度，同時也是反映除霜過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霜實驗平臺，觀察不同迎面風速下，一段時間內翅片換熱器表面的靜態結霜過程，探究翅片換熱器表面霜層密度在霜層生長過程中的變化規律，為除霜研究提供新型參考指標。

1 實驗測試系統

本文設計搭建的翅片管換熱器的實驗測試系統主要包括環境參數控制系統，制冷循環系統和數據采集系統。下面分別介紹各系統的組成部件與系統的運行原理。

1.1 系統的組成部件

實驗裝置如圖1 所示。翅片換熱器結霜實驗平臺主要由環境參數控制系統、制冷循環系統、數據采集系統組成。環境參數控制系統主要由溫度控制箱體，智能空氣加濕器和交流離心風機組成，分別控制和改變翅片所在環境中的溫度，濕度和迎面來流的風速。其中，由溫度控制箱體提供翅片換熱器結霜環境的空氣溫度，精度為0.1 ℃。通過空氣加濕器調節翅片換熱器結霜環境內的濕度，精度為 2%。變頻器可通過轉換頻率改變離心風機的轉速，進而改變迎面來流風速，如下圖所示，箭頭為密閉空間內的氣流流向，風機分為進風部分和出風部分，通過設置的導流隔板進行分隔，引導氣流的流動方向。制冷循環系統通過低溫恒溫槽制備-11 ℃的載冷液，載冷液由體積分數為 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的制冷劑管道，模擬實際制冷劑管道內的溫度，并通過循環泵循環。此外，低溫恒溫槽內設置溫度探測器，保持載冷液的溫度維持在-11 ℃。數據采集系統采用溫濕度記錄儀記錄翅片所在環境中的溫度和濕度，測量范圍分別為-40 ℃-60 ℃以及0%-100%，監測環境參數的穩定性，減小實驗誤差。

圖1 實驗裝置示意圖

實驗所用的翅片換熱器見圖2，尺寸參數見表1。

圖2 翅片換熱器示意圖

表1 翅片換熱器尺寸參數

1.2 實驗過程

在實驗開始前，設置翅片換熱器所在環境溫度Ts=-1 ℃，相對濕度φ=85%。實驗最初，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量m0。其次，將試件通入-11 ℃的載冷液，并且確保單次試驗開始時翅片表面的溫度保持 0 ℃，然后將翅片放入指定位置，在設置的條件下進行結霜試驗。結霜實驗結束后，將翅片換熱器取出，記錄結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，則該結霜條件下霜層的質量為m1-m0。

1.3 實驗數據處理

在實驗中，霜層質量是通過電子稱重設備獲取的直接測量值，霜層體積是根據翅片換熱器迎風面與背風面霜層厚度估算得出的值，而霜層密度=霜層質量/霜層體積。在一定的結霜條件下，受翅片通道迎風側水蒸氣分壓力大于背風側的影響，氣流進入與離開翅片通道處，霜層的厚度不一致，如圖3、4 所示。并且在結霜過程中，部分翅片通道中存在制冷劑管道時，管道的迎風面及前半部分的翅片通道存在霜層的生長，背風面及后半部分的翅片通道則忽略霜層的生長。因此，為方便計算霜層體積，采用以下合理假設：

1）霜層厚度是連續變化的，則在一個翅片通道內，凝結完成時，霜層的形狀為直角梯形臺。

2）結霜的現象只發生在制冷劑管道的迎風面段。

3）制冷劑管道表面的霜層厚度近似于迎風面與背風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為翅片換熱器結霜總體積，mm3；V1為含有制冷劑管道的翅片通道內的霜層體積，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現象圖可簡化為圖3 所示。由式（2），式（3）和式（4），分別計算含有制冷劑管道的翅片通道內的霜層體積、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 翅片表面結霜示意圖

圖4 翅片表面結霜局部示意圖

實驗中采用類似顯微成像觀測法[10]測量霜層厚度，運用Canon Eos Mark 相機采集翅片結霜圖片，用 Photoshop 軟件對圖片進行灰度和提升對比度處理后，將其導入 AutoCAD 中通過圖像處理方法計算翅片表面霜層厚度。如圖5 所示（此圖為V=2.5m/s，T=800s 時的局部結霜圖），測量導入 AutoCAD 后拍攝圖片中的翅片長度x1=14.7503 以及霜層厚度對應的長度x2=0.1382，并通過比例尺進行測算迎風面霜層厚度，則此時迎風面的霜層厚度為δ1=0.5×96×(x2/x1)-0.5×δ=0.35 mm。為減小測量誤差，將拍攝的10 張圖片進行上述處理后取平均值，作為該結霜條件下的迎風面霜層厚度。

圖5 霜層厚度的標定

2 實驗結果分析

本文主要研究了翅片換熱器所在環境中的迎面風速和結霜時間對霜層密度變化的影響。隨著結霜時間的增加，霜層不斷累積，霜層質量和體積均在增加，并且環境中迎面風速的變化，改變了進入翅片通道間的濕空氣量，這些都影響了霜層密度的變化。在除霜過程中，隨著霜層密度的增大，霜層緊實度也會增加，不利于除霜過程的進行。因此，分析迎面風速與結霜時間對于霜層密度生長的影響極為重要。本次實驗控制翅片所在環境溫度Ts=-1 ℃，相對濕度φ=85%的結霜工況下，設置V=0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s 五個檔位的風速，在不同風速下分別觀察在T=200 s、400 s、600 s、800 s、1000 s、1200 s、1500 s、1800 s、2400 s、2700 s 時，霜層質量，體積和密度的變化情況。對比了在不同迎面風速V下，不同結霜時間T時的霜層質量，霜層體積和霜層密度。

圖6 所示在不同迎面風速條件下，霜層質量隨時間變化的曲線圖。在相同迎面風速條件下，霜層質量隨著結霜時間的增加而增大，且質量增長曲線逐漸趨于平穩。這是由于在霜層不斷累加時，翅片間的空氣流通通道空間逐漸變窄所致。在結霜前期，霜層生長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。隨著結霜時間的增加，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，導致單位時間進入翅片通道內的濕空氣量降低，不僅降低了霜層質量生長速率，也使得霜層質量 趨于一個定值。由圖6 可知，在相同結霜時刻下，隨著迎面風速的增加，霜層質量也隨之增加。這是由于迎面風速的提高，增加了濕空氣流速和單位時間進入翅片通道內的濕空氣量，增強了霜層表面的換熱作用，霜層質量也隨之增加。

圖6 不同迎面風速下霜層質量隨時間的變化

圖7 給出了霜層體積在不同迎面風速條件下，隨時間的變化規律。在相同結霜時間下，迎面風速越大，霜層體積越大。同時，隨著結霜時間的增加，霜層體積呈遞增趨勢。由于霜層生長過程中，受空氣流通空間減小和霜層累積的影響，霜層體積增長速率曲線逐漸趨于平穩，與霜層質量隨結霜時間變化規律相類似。

圖7 不同迎面風速下霜層體積隨時間的變化

圖8 為不同迎面風速下，霜層密度隨時間的變化規律。迎面風速越高，相同時刻下霜層密度越大。并且在相同迎面風速條件下，霜層密度隨著結霜的進行不斷地增大。隨著時間的推移，霜層密度增長速率不斷減小。這是由于在結霜過程中，霜層內部由疏松多孔的狀態逐漸生長成為致密緊實的狀態所導致的。霜層的生長包含霜層的外部向外生長和內部致密化過程。其中，隨著霜層的向外生長，霜層表面的溫度升高，導致結霜傳熱驅動力降低，不利于霜層繼續向外生長，此時霜層質量和霜層體積的增長速率均在減緩，但是霜層內部致密化過程使得霜層質量增長速度減緩幅度小于霜層體積，因此在結霜時間增加的條件下，霜層密度也隨之增加，并且當霜層質量與霜層體積的值趨于穩定時，霜層密度也趨于一個定值。與此同時，在迎面風速較大時，單位時間內擴散進入霜層內部的濕空氣量也隨之增加，使得霜層更致密化，霜層密度也較低風速下的值有所增加。

圖8 不同迎面風速下霜層密度隨時間的變化

3 結論

本文對翅片換熱器表面的結霜過程進行了實驗研究，獲得了不同迎面風速條件下，霜層質量，霜層體積和霜層密度隨時間的變化規律，分析了翅片換熱器迎面風速和結霜時間對霜層質量，霜層體積和霜層密度的影響，得到如下結論：

1）在相同時刻下，較大的迎面風速增加了單位時間進入翅片通道內的濕空氣量。因此，霜層質量和霜層體積均隨迎面風速的增大而增大，并且在相同結霜時間內，迎面風速較大時，霜層密度的值也較大，霜層結構更加致密。

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