陈列柜蒸发器结霜的研究

李飞

（大连三洋冷链有限公司 辽宁大连 116600）

当含湿气流与温度低于其露点温度的表面接触时，就会发生凝结现象；如果该露点温度低于0℃，该凝结物就会凝结并在表面形成一层霜，这一现象广泛发生在制冷及低温工程等领域中。特别是在普冷(-5℃)以下的低温环境中，其霜形成规律与-5℃以上(包括热泵工况)又有明显的差别。因而对于-5℃以下的环境工况，要单独地研究其霜生长规律。这对于更好的设计和运行该种范围内的制冷系统，比如低温冷冻型的陈列柜，从而提高在结霜工况下制冷系统的效率具有重要的现实意义。

陈列柜是超市中用来冷冻、冷藏食品的设备。为了便于顾客挑选，陈列柜的一面敞开，利用出风口吹成的风幕将低温食品和高温环境隔开，以减少热量的侵入。陈列柜的大部分热负荷来自于环境热空气的卷入。因此，形成良好的风幕是减少热负荷、节约能源的有效措施。当陈列柜蒸发器表面温度降到0℃以下时，其表面开始有霜形成。少量的霜可以提高蒸发器的传热性能；而大量的霜将会增大传热热阻，降低流过蒸发器的空气的流量，导致蒸发器制冷量的减少，对陈列柜的性能产生不良影响。采用风幕减少外界热空气的渗入，可以在一定程度上降低蒸发器上霜的形成速度，但不能完全防止霜的积聚。相反，结霜对风幕的送风速度影响很大。因此，蒸发器需定期融霜以保证风幕封闭敞口的能力和陈列柜的正常运行。

1 蒸发器结霜的原理

含在空气中的水分与温度低于水三相点的传热面接触时，就会附着在传热面上而形成霜。从霜生长机理研究表明：霜生长需要一定的温度势和浓度势。霜的成长过程既包含由温度差引起的传热质过程，又包含由浓度差引起的传热过程,所以霜的成长模型就是热、质传递的模型。霜层是冰—空气混合形成的，霜层的构造，强烈地依赖于霜层的成长过程。霜层的成长过程可分类为霜柱发生期、霜层成长期和霜层成熟期。因为霜层成熟期在工程上已进入除霜的工作区间，所以在此处，作为考虑对象的仅为前两个过程。

在冷表面上，可以认为冰结晶是一维的，并且是在局部地方上生长的，在冷表面上形成垂直的霜柱群，这些霜柱群就变为霜层构成的构造骨架。这就是霜柱发生期。在相同的水蒸汽浓度Δc(水蒸汽质量kg/干燥空气质量kg)下，冷却表面温度Tw(℃)愈低，成长速度v(μm/s)就愈大。随着结霜速度的增大，τc之值有减小的趋势。另外，在相同的结霜速度下，冷却面温度较低和蒸汽浓度差Δc较大时，在短时间内霜柱发生期就终止了。由于已形成的霜柱群头部的结晶迁移或结晶相互干涉作用，树枝状的三维的霜层厚度在增长，而且由于水蒸汽分子向霜层内扩散和凝结作用，使霜的密度增大，逐渐成长为较稳定的霜层，此过程称为霜层成长期。霜层的性状是由主流与冷表面之间的水蒸汽浓度差Δc和冷表面的温度Tw决定的。

2 蒸发器结霜的影响因素分析

影响陈列柜蒸发器结霜的因素有很多，包括：环境相对湿度、风幕空气速度、风幕空气温度、制冷剂蒸发温度、蒸发器翅片间距等。本文主要研究风幕气流组织和环境空气两个方面的影响。其中风幕气流组织的影响主要是指：风幕空气流速的影响；环境空气的影响主要是指：环境空气相对湿度的影响。以下是一个翅片管换热器的结霜实验数据。

对于盘管套片式翅片管换热器（外形尺寸为300×80×270mm,由紫铜盘管和铝质平板套片构成），保持环境空气温度Ta（℃）、换热器壁温Tw（℃）和换热器翅片间距U（mm）不变,依此改变空气流速Va（m/s）、环境空气相对湿度φa,其结霜量Mf(kg)随时间t(min)的变化关系如图1、图2所示。

从图1、图2可以看出，空气流速越大、环境空气的相对湿度越大，换热器的结霜量随时间增长也就越快。其中环境空气的相对湿度对结霜量的影响最大,其次是空气流速。比如：在结霜100min后，φa=80%时，Mf=0.1kg；Va=1.0m/s时，Mf=0.065kg。另外，结霜量随时间的增长速度开始很快,之后逐渐降低。这说明开始时由于湿空气与冷壁表面的浓度势和温度势都很大，使得开始结霜速度很快。当霜生长到一定程度时，霜层的绝缘作用使湿空气与霜表面的温度势和浓度势逐渐降低，从而使霜生长速度变得越来越慢，结霜量也就越来越少。图1中Ta=-11℃,Tw=-15℃,U=8mm,a=74%。图2中Ta=-11℃,Tw=-15℃,U=8mm,Va=0.8m/s。

图1 空气流速对蒸发器结霜量的影响

图2 环境空气相对湿度对蒸发器结霜量的影响

3 陈列柜蒸发器结霜的实验研究

3.1 实验条件

3.1.1 实验环境条件

恒温恒湿实验室，环境温度可调范围20℃～30℃,环境相对湿度可调范围50%～80%，与柜体长度方向平行的环境空气风速为0.2m/s以下。

3.1.2 实验设备和测试仪器

卧式陈列柜TEM-CK088FA和立式陈列柜FEW-CK9085（双层风幕）各一台，使用温度范围分别为-20℃～-18℃和5℃～10℃，由大连三洋冷链公司生产。不同型号（126＃，110＃，103＃；124＃，117＃，128＃）的风机扇叶各三个。测风速的为热线风速仪，空气相对湿度由湿度仪和湿度传感器测出。

3.2 实验结果分析

3.2.1 风幕气流组织（空气流速）的影响

(1) TEM-CK088FA

环境温度30℃，环境相对湿60%；分别采用不同角度的蒸发器风机扇叶：126＃，110＃，103＃，其风幕出风速度相应为1.1m/s,1.3m/s,1.5m/s，观察蒸发器结霜情况；运行3小时后，停机融霜，收集融霜水，并称取融霜水重量。

(2) FEW-CK9085

环境温度27℃,环境相对湿70%；采用不同角度的蒸发器风机（内层风幕）扇叶124＃,117＃，128＃，其风幕出风速度相应为0.7m/s,0.8m/s,0.9m/s，外层风幕风速均为0.2～0.3m/s，观察蒸发器结霜情况；运行3小时后，停机融霜，收集融霜水，并称取融霜水重量。

从图3、图4可以看出，在其他条件相同的情况下，风幕的空气流速越大，陈列柜蒸发器的结霜量越大。对于陈列柜的蒸发器而言，这包括两方面的原因：一方面，是由换热器结霜本身的规律（如图1所示）决定的，换热器周围的空气流速越大，其结霜量越大；另一方面，由于风幕是敞口的，风幕的流速越大，卷入湿度较高的环境空气也就越多，结霜量自然增大。另外，在相近的环境条件下，立式柜的融霜水量比卧式柜的大很多。这是由于立式陈列柜的风幕敞口，更容易卷入较多的环境空气。

3.2.2 环境空气（环境空气湿度）的影响

（1）TEM-CK088FA

环境温度30℃；改变环境空气相对湿度（50%,60%,70%,80%），蒸发器风机的扇叶采用110#,其风幕出风速度为1.3m/s，观察蒸发器结霜情况；运行3h，停机融霜，收集融霜水，并称取融霜水重量。

（2）FEW-CK9085

环境温度27℃；改变环境空气相对湿度（50%,60%,70%,80%），蒸发器风机（内层风幕）的扇叶采用128#，其风幕出风速度为0.9m/s，观察蒸发器结霜情况；运行15h，停机融霜，收集融霜水，并称取融霜水重量。

从图5、图6可以看出，在其他条件相同的情况下，环境空气的相对湿度越大，陈列柜蒸发器的结霜量越大。而且，结霜量随环境湿度的升高增加的速度很快。当环境的相对湿度从60%上升到80%时，卧式陈列柜TEM-CK088FA的结霜量增加了1.4倍；立式陈列柜FEW-CK9085的结霜量增加了60%。对于陈列柜的蒸发器而言，这也是由两方面的原因造成的。一方面，由于陈列柜的风幕是敞口的，不断卷入湿度相对较高的环境空气，环境空气湿度大，蒸发器周围的空气湿度也越大；另一方面，是由换热器结霜本身的规律（如图2所示）决定的，换热器周围的空气湿度越大，其结霜量越大。

4 结论

陈列柜风幕的空气流速越大、环境空气的相对湿度越大，其蒸发器的结霜量就越大。其中环境空气的相对湿度对结霜量的影响更大,其次是空气流速。另外，在相近的环境条件下，立式柜的融霜水量比卧式柜的大很多。因此，在设计和运行陈列柜的过程中，应考虑两点：（1）在满足柜内温度需要的前提下，尽量避免选用角度即风速较大的扇叶；（2）对陈列柜运行的空调环境进行定期除湿，保证其相对湿度稳定在较低的水平。

图3 TEM-CK088FA：送风速度对蒸发器结霜的影响

图4 FEW-CK9085：送风速度对蒸发器结霜的影响

图5 TEM-CK088FA：环境相对湿度对蒸发器结霜的影响

图6 FEW-CK9085：环境相对湿度对蒸发器结霜的影响