自然对流深冷结霜工况下湿空气流动状态实验分析

安彭军 谢福寿 陈叔平 姚淑婷 韩宏茵 常智新

(1乌鲁木齐市隆盛达环保科技有限公司 乌鲁木齐 830088)(2兰州理工大学石油化工学院 兰州 730050)

1 引言

结霜现象广泛存在于食品冷藏、低温工程及航天航空等领域［1］。冷表面温度低于湿空气露点温度时，在其表面会发生结露现象;当冷表面的温度低于水的冰点温度时，水蒸气会在冷表面上凝华结霜。一般情况下，由于霜层的存在将增大对冷表面的传热热阻，使传热量下降［2］。

前人重点对结霜过程作了描述和分析［3－10］，针对自然对流深冷竖直平板结霜工况下湿空气流动状态却研究甚少。但湿空气流动状态是影响结霜现象的主要因素之一，要想抑制结霜，就要分析清楚湿空气流动状态，故研究自然对流深冷竖直平板结霜工况下湿空气流动状态，对抑制结霜、强化传热具有实际的工程应用价值。

本文拟对霜层厚度变化规律、湿空气在竖直平板附近流动状态及温度变化进行实验观察，为研究人员对深冷自然对流工况下抑制结霜提供一定的实验基础。

2 实验系统和方法

2.1 实验系统

实验系统如图1所示，包括供液系统、竖直平板表面、图像采集系统和数据采集系统。室内工况使用dph系列大气温度湿度计测量，精度为0.5级，量程为－20—125℃，0—100RH‰。液氮从容积为20 L的液氮瓶流出，然后途径真空绝热管进入低温容器，使用真空绝热管的目的是尽量减少液氮进入低温容器之前的冷量损失。竖直平板与室内湿空气进行自然对流换热，使低温容器内液氮吸热气化，通过放空口排出;湿空气受冷，使湿空气中水蒸气在竖直平板表面上结霜。

图1 实验系统图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

竖直平板上布置两个热电偶以测量竖直平板表面温度;竖直平板附近按一定规律布置14个热电偶，以测量湿空气在竖直平板附近流动区域的温度。热电偶分布如图2所示，图3为实验系统照片图。竖直平板表面非稳态结霜过程由Canon A3300 IS数码相机记录。低温容器底部用软管连接U型玻璃管液位计，来测量低温容器内液氮的高度。竖直平板自上往下10 mm处，用游标卡尺测霜层随时间变化的厚度。

2.2 实验方法

图2 热电偶分布图Fig.2 Arrangement of thermocouples

图3 实验系统照片图Fig.3 Picture of experimental system

每次实验先用丙酮清洗竖直平板表面，再将实验装置按图1连接好。打开截止阀4和放空阀10，通过液氮瓶自增压系统，把液氮输入低温容器内，使U型玻璃管液位差达到300 mm时，关闭截止阀4，然后开启温度巡检仪和图像采集系统进行数据记录。每隔半个小时人工记录一次室温和相对湿度。霜层厚度数据记录时间:前半个小时隔2 min记录1次，以后隔5 min记1次。温度数据采集时间:先隔1 min记1次，记15次;再隔2 min记1次，记15次;最后每隔5 min记1次。图片采集时间:先隔2 min拍1次，拍15次，再每隔5 min拍1次。

实验期间环境参数基本保持不变:温度为16.3℃，湿度为55%。

3 实验结果及分析

3.1 霜层厚度变化

图4为竖直平板自上往下10 mm处霜层厚度随时间变化的曲线。由此图可知，霜层厚度变化速率在前75 min内较大，后125 min内变化速率很小，霜层厚度达到最厚点，并保持不变。

3.2 霜层沿竖直平板切线方向生长距离变化

图5为霜层随时间变化沿竖直平板切线方向生长的距离变化曲线。由此图可知，初始(20 min内)霜层沿竖直平板切线方向速度(0.5 mm/min)很小，生长距离为10 mm;随着时间的变化，生长速度增大到0.9 mm/min，霜层快速沿竖直平板切线方向生长，直至覆盖整个竖直平板表面。

图4 霜层厚度变化曲线Fig.4 Variation of frost layer’s thickness

图5 霜层沿竖直平板切线方向生长距离变化Fig.5 Variation of frost layer’s thickness along tangent direction of vertical plate

3.3 竖直平板表面温度变化

图6为热电偶1紧贴竖直平板表面时温度随时间的变化曲线。由于热电偶一侧紧贴竖直平板表面，其余侧在湿空气中，故热电偶测得温度为湿空气与竖直平板表面的耦合温度。随着霜层的不断增厚并向下生长，使湿空气中的温度越来越低，热电偶测得温度受湿空气的影响也越来越低。在96 min时，掉霜使温度上升;137 min时，竖直平板表面大面积掉霜，使温度迅速上升，继而下降，这一时段出现温度上升的反常现象。

3.4 竖直平板附近湿空气流动状态

通过细微观察可知，湿空气在自然对流条件下沿着竖直平板自上往下流动为主流动，其余方向湿空气都朝主流动方向流动，并汇入主流动中。这是由于竖直平板附近湿空气受冷密度增加形成向下流动。

图6 竖直平板表面温度变化曲线Fig.6 Variation of temperature on vertical plate surface

图7为湿空气沿竖直平板自上往下19 mm处法线方向流动温度随时间变化的曲线。从此图中可知，湿空气有远处流向竖直平板表面法向时，温度不断降低。其中热电偶3和热电偶4由于随着霜层不断地增厚，受其影响，温度随时间变化，不断降低直至稳定;热电偶6、热电偶7、热电偶8和热电偶9由于离竖直平板表面较远(热电偶6离竖直平板表面19 mm)，影响已不是很明显，随时间变化呈水平线。

图7 沿竖直平板法线方向湿空气温度变化曲线Fig.7 Variation of moist air temperature towards normal direction of vertical plate

图8为湿空气沿竖直平板自上而下19 mm处和81 mm处切线方向温度随时间变化的曲线。由图可知，湿空气沿着竖直平板切线方向向下流动，主流动温度逐渐降低，且随时间变化同一位置温度也不断下降，这是由于霜层不断地增厚，影响了该位置的温度。在81 mm处热电偶13、14、15和16测得的温度均小于19 mm处热电偶6、7、8和9测得的温度，且主流动温度的热电偶4、11和13都随时间变化而不断降低。

图8 沿竖直平板切线方向湿空气温度变化曲线Fig.8 Variation of moist air temperature along tangential direction of vertical plate

4 结论

在湿空气温度为16.3℃、相对湿度为55%、冷表面温度为－196℃的结霜条件下，实验结论如下:

(1)湿空气在自然对流条件下沿着竖直平板自上往下流动为主流动，其余方向湿空气都朝主流动方向流动，并汇入主流动中。

(2)湿空气沿竖直平板切线方向向下流动，主流动温度逐渐降低，且随时间变化同一位置温度也不断下降;竖直平板法线方向温度分布自远处到竖直平板依次降低。

1 Emery A F，Siegel B L.Experimental measurements of the effects of frost formation on heat exchanger performance［C］.In:Proceedings of AIAA/ASME thermophysics and heat transfer conference，heat and mass transfer in frost and ice packed beds and environmental discharges.ASME HTD，1990，139:1－7.

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8 陈叔平，韩宏茵，谢福寿，等.翅片管气化器管内相变传热流动数值模拟［J］. 低温与超导，2012，20(2):52－56.

9 安彭军，谢福寿，陈叔平，等.非稳态下翅片管气化器霜层内温度分布数值研究［J］. 低温与超导，2012，40(1):57－61.

10 陈叔平，姚淑婷，谢福寿，等.空温式翅片管气化器结霜模型及数值模拟［J］. 低温与超导，2011，39(11):64－67.