蒸发器盘管结霜特性的实验研究

张志，贾少波，谢伟，卢大杰

（1-西克制冷（无锡）有限公司，江苏无锡 214028；2-雷诺士全球有限公司，美国）

蒸发器盘管结霜特性的实验研究

张志*1，贾少波2，谢伟1，卢大杰1

（1-西克制冷（无锡）有限公司，江苏无锡 214028；2-雷诺士全球有限公司，美国）

本文在不同结霜工况下对蒸发器盘管的结霜特性进行了实验研究，考察了空气的相对湿度、盘管表面温度和驱动温度三种控制因素对盘管结霜特性的影响，得出了盘管空气侧的压力降、制冷量在结霜过程中的动态变化规律，以及空气进出口侧的结霜情况、盘管管排的霜层分布特点。实验结果表明，这三种控制因素对蒸发器盘管的结霜性能有不同程度的影响。较低的相对湿度，较高的盘管表面温度，较低的驱动温度都可抑制霜层的生长。为以后的结霜性能研究提供了较好的研究经验。

蒸发器盘管；结霜特性；控制因素；实验研究

0 引言

结霜现象是制冷工程、空调热泵以及其他低温领域中常见的问题之一，结霜现象对换热系统都会造成一定的危害，因此国内外许多学者对结霜问题都曾做过大量研究，主要通过以下三个方面对结霜现象进行研究。

结霜机理研究方面[1-6]：利用实验或理论模拟的方法研究了环境温度、湿度、空气流速、冷表面温度和冷表面特性对霜层生长的厚度、密度和晶体形态等的研究。

结霜对系统性能的影响方面：如罗超等[7]考察了在低温工况下（-18℃）、进口空气温度、空气相对湿度和空气风速对蒸发器性能的影响，给出了换热量、空气侧压降、结霜量和总传热系数在结霜过程中的动态变化规律。其他学者[8-9]通过建立数学模型、实验研究的方法，论证了空气温度、湿度和风速对换热器系统结霜性能（如换热量和空气侧压降等）有不同程度的影响。

在除霜抑霜方面：除霜的方法主要有电加热除霜和热气融霜等，文献[10]提出了空气源热泵“蓄能热气除霜”新系统，解决了常规除霜时低位热源供给热量不足的问题。抑霜主要通过改变冷表面特性、外加电场（磁场）、盘管型式设计等，刘中良等[11]综述了抑霜技术的研究进展，表明通过外加电场（磁场）和表面改性在一定条件下可以延缓或有效地抑制结霜过程。此外，近年来学者们[12-13]对化霜逻辑的控制方面也做了较多的研究，旨在准确判断化霜时机，减少化霜所需要的时间及能量。

本文基于作者早期对蒸发器盘管结霜现象的观察实验，较为全面地研究了在三种不同结霜工况下，空气的相对湿度、盘管表面温度、驱动温度三种控制因素对盘管结霜特性的影响，得出了盘管空气侧的压力降和制冷量在结霜过程中动态变化规律以及空气进出口侧的结霜情况和盘管的霜层分布的特点。

1 实验装置

图1为我们设计的LET090冷风机的实验装置，采用R404A制冷剂，固定转速的电机。实验工况见表1。

图1 LET090冷风机实验装置

表1 LET090冷风机实验工况

在3种工况下，分别控制空气的相对湿度（Relative humidity，RH）为55%、75%、90%进行实验研究。观察相对湿度对盘管结霜性能影响的实验是在工况1下，相对湿度分别控制在57%、74%、87%，考察相对湿度对盘管的结霜特性（空气侧压力降、空气进出口侧的结霜情况、霜层在每排管排的结霜量和制冷量变化）的影响。研究盘管表面温度对盘管的结霜特性影响是在对比工况1和工况2的实验基础上的，而分析温差TD影响的实验是在工况2和工况3的条件下进行的。

2 实验结果及分析

2.1 相对湿度对盘管结霜特性的影响

在工况1下随着结霜过程的进行，盘管空气侧压降的变化见图2。

图2 工况1下空气侧压降随结霜时间的变化

从图2可知在不同相对湿度（57%、74%、87%）下，盘管压力降（风量损失）也会有较大的不同。同时在实验中观察到，最大的压降发生在停机之前；相对湿度越高，结霜速度越快。

在空气进口侧（如图3），相对湿度较低时（55%）没有发生结霜现象；当相对湿度在75%时，实验进行到7 h，盘管上有部分结霜；当相对湿度在90%时，实验仅进行到2 h，盘管上已全部结霜。在空气出口侧（如图4）盘管的结霜量没有空气进口侧结霜量受相对湿度的影响明显，但当相对湿度较大时，盘管上也有部分结霜。

图3 工况1下不同相对湿度时空气进口侧的结霜情况

图4 工况1下不同相对湿度时空气出口侧的结霜情况

从图5可见，55%RH时每排管排的结霜量为0 kg，而75%RH实验7 h的总结霜量比90%RH实验2 h的结霜量大，可能原因是90%RH时结霜较快，阻碍了湿空气的进入。

图5 工况1下不同RH每排管排的结霜

图6中通过风量和焓变来估算制冷量，可知相对湿度越大，制冷量的衰减也越快。

图6 工况1下不同RH时制冷量随结霜时间的变化

2.2 盘管表面温度对盘管结霜特性的影响

在蒸发器盘管中，空气温度Tair>露点温度Tdew>盘管表面温度Tcoil>蒸发温度TSST，温差ΔT（空气温度和盘管表面温度之差ΔT=Tair-Tcoil）、DF（盘管表面温度与露点温度之差DF=Tdew-Tcoil）、TD，其中DF为驱动温差。通过工况1和工况2的实验，对比分析了Tcoil对盘管结霜特性的影响。

图7 工况2下空气侧的压降随结霜时间的变化

工况1比工况2的室温低，相同的TD说明工况1的Tcoil也比工况2的低。对比图1和图7两图，在相同湿度下工况1空气侧压力降比工况2的压力降要高，说明在较低的Tcoil有较大的压力损失或风量损失。

从图8知，空气进口侧在75%RH下工况1比工况2的结霜量略大，而在90%RH下工况1在2 h内的结霜量明显比工况2在4 h内的结霜量大的多。

图8 工况1、2下空气进口侧的结霜情况

对比图5和图9可知：75%RH下，工况2管排的总结霜量略小于工况1；90%RH下，由于工况1空气进口侧的结霜量较大，导致空气无法进入盘管而造成工况1的管排总结霜量远小于工况2。

对比图6与图10，74%RH和55%RH时，工况2制冷量衰减比工况1小，表明较低的Tcoil时制冷量随着结霜过程的进行衰减较快。

图9 工况2下不同RH时每排管排的结霜量

图10 工况2下制冷量随着结霜时间的变化

2.3 空气温度与蒸发温度之差对盘管结霜特性的影响

此实验是在工况2和工况3下进行的，工况2和工况3具有相同的室温-6.7 ℃，工况2比工况3有较大的TD，为-5.6 ℃，工况3的TD为-2.8 ℃。

通过对比分析工况2和工况3盘管结霜的实验结果（图7和图11），在90%RH下，TD较小时空气侧压力降（风量损失）也较小；在75%RH下，较小的TD时不会结霜。

图11 工况3下空气侧的压降随着结霜时间的变化

从图12可知，工况2比工况3的出口结霜量大，同时比较图12和图9（b）都说明在较低的TD下结霜量会减少。

图12 工况2、3下空气进口侧的结霜情况

图13 工况3下每排管排的结霜量

图14和图10说明当TD较低时，制冷量的衰减也较缓慢，因此在结霜情况下为了达到相同的制冷量需要有较大的盘管换热面积。

图14 工况3下制冷量随着结霜时间的变化

3 结论

1）两种条件会影响霜层生长：一是驱动温度；二是湿度条件，任何促进这两个条件的行为都会促进结霜。

2）在较低的Tcoil、较大的TD和较高的相对湿度下结霜较快，霜层也较为疏松，在很短时间内就会阻碍风量。

3） 控制结霜方面：用较小的TD来减缓结霜（需要较大的盘管换热面积）；及时检测到结霜并使用正确的除霜方法（需要精确的结霜传感器和控制逻辑）。

4）风速的影响、霜的微观结构、宏观物性（如密度、热导率和表面粗糙度）以及创新的盘管设计和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。

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Experimental Study of Frost Formation Characteristics on Evaporator Coil

ZHANG Zhi*1, JIA Shao-bo2, XIE Wei1, LU Da-jie1
（1-Heatcraft Refrigeration (Wuxi) Co., LTD., Wuxi, Jiangsu 214000, China; 2-Lennox Global LTD., USA）

Frosting characteristics on evaporator coil were experimentally studied in various frosting cases. The effects of three controlling factors, air relative humidity, coil surface temperature and driven temperature, on the frosting characteristics were investigated. The dynamic variations of the air pressure drop over the coil and cooling capacity during the frosting were obtained. The frost distributions at the air inlet and outlet and the coil were presented. The experimental results show that the three controlling factors have distinct effects on the frosting characteristics. The lower relative humidity, higher coil surface temperature and lower driven temperature inhibit the frost growth. The study provides experiences for future frosting characteristics research.

Evaporator coil; Frosting characteristics; Controlling factor; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.107

*张志（1981-），男，工程师，学士。研究方向：制冷设备设计。联系地址：江苏省无锡市新加坡工业园区新都路12号，邮编：214028。联系电话：0510-85282020-230。Email：zhi.zhang@heatcraft.com.cn