结霜机理及热泵除霜技术研究综述

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(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海　200093)

在制冷和空气调节系统中，结霜是一个广泛存在的问题。当换热器的表面温度低于水的凝结点和空气露点时，在换热器冷表面与空气中水蒸气接触的区域会产生结霜现象。霜层的形成不仅和表面温度有关，相对湿度也是一个重要因素。在Ameen[1]的研究中表明，当室外空气温度降低到-7℃至5.5℃，相对湿度大于60%时，霜的堆积尤其明显。随着霜层堆积越来越厚，霜层会充满翅片和盘管之间，从而导致能耗增加，COP降低，制冷系统性能下降，有时甚至导致系统停车[2-3]。因此，研究结霜机理、寻求抑制结霜方法一直是国内外学者研究的主要问题。

霜层堆积会损害换热器以及其他系统元件，降低系统性能。一般当霜层覆盖超过45%的表面时，除霜动作就会开始进行除霜以确保更高的效率[4]。现在普遍的除霜方式主要分为被动除霜和主动除霜。被动除霜是通过改进换热器表面的形态结构来延缓霜的形成，主动除霜方法主要包括有电动液压除霜，振动除霜，超声波除霜以及系统除霜方式[4]。其中针对空气源热泵，现在使用较多的除霜方式有热电除霜、四通换向阀除霜、电加热辅助除霜、热气旁通除霜、吸湿剂除霜等。虽然近年来对于除霜方式的研究逐步深入，但在热泵实际应用中，除霜问题并没有得到根本的解决[27]。因此，本文将总结阐述结霜过程中结霜特性和霜层模型，为进一步研究除霜方法提供理论基础，并且对部分除霜方式进行优缺点分析，为优化除霜方法提供思路。

1　结霜特性及研究现状

结霜问题普遍存在空调、制冷、航天航空以及低温等领域，一直受到国内外研究人员的重视。为了更好地研究除霜方法，则需要对结霜机理进行深入的了解。现在相关结霜机理的研究主要是对结霜机理进行理论和实验研究，并建立结霜现象的物理和数学模型[5]，为进一步研究发展有效的除霜方法提供相应的理论基础和实验依据。

1.1　结霜过程特性

结霜过程是一个同时涉及了传热，传质和相变的移动边界非稳态过程[6]。根据吴晓敏[7]等对冷表面结霜现象进行了研究发现，冷面上的结霜并不是简单的水蒸气凝华的过程。霜层的形成需要经历一段复杂的过程，首先在蒸发器冷表面形成水珠，再水珠冻结，形成霜晶，霜晶生成等过程，最后在冷表面堆积形成霜层。Hayashi[8]等把霜层形成的过程分为了三个时期，包括霜核(晶)时期，霜层成长时期以及霜层完全生成时期。具体霜形成过程如图1所示。

图1　霜层形成过程[8]

在霜层形成的过程中，霜层密度和导热系数是研究结霜问题研究的重要物性参数，它们与结霜问题密切相关[5]。其中郭宪民[9]等研究发现空气源热泵翅片管蒸发器在室外环境温度越低或者相对湿度越大的情况下，霜层一般呈现为针状霜晶，并且随着温度降低或相对湿度增大，霜晶的直径会逐渐减小，但霜层平均密度会随着环境温度的上升或相对湿度的降低而增大。Brian[10]等发现霜层密度会沿霜层厚度方向变化。当结霜一段时间之后，霜层厚度基本不发生改变，但霜层密度会发生明显变化。陈叔平、姚淑婷[11]等人利用分形理论DLA模型，建立了深冷霜层生长模型，然后利用Matlab软件对实验图像进行密度计算，并利用式(1)计算每层密度

(1)

模拟得出的图2结果和Brian实验所得到的结果基本相似，进一步证明了霜层密度与霜层厚度之间的变化关系。

在结霜过程中，霜层导热系数的变化情况更为复杂，因为在结霜过程中除了传热传质之外，还伴随着相变，边界层移动等问题。经过较多实验证明，霜层导热系数与霜层厚度及密度密切相关[12]。

图2　霜层密度随厚度变化图[11]

早年，顾祥红，江平以及孟繁炯[13]等实验验证导热系数的理论公式

(2)

并与国外研究人员的研究结果进行对比，所得出的理论导热系数还是较理想的，与实验所得结果十分接近。国外学者Negrelli[14]等利用分形DLA理论以及传热传质第一定律对霜层导热系数进行了模拟计算，将模拟出的霜层导热系数与实验数据以及相关的半经验公式[15]进行比较，模拟结果能够再现实验数据，并且误差在±15%以内。近年来国内院校对霜层导热系数进行推导归纳简化，使得霜层导热模型可以普遍使用[16]。

1.2　结霜现象的模型

为了更加深入地研究结霜过程，国内外的研究学者根据实验所得的霜层生长规律，提供了各种不同的物理数学模型。Tao[17]等建立了数学模型可以预测霜层密度的时间空间变化、霜层温度，霜层密度以及热流变化，并建立了一系列的偏微分方程式来反映霜层能量平衡，冰的连续性，以及描述水蒸气扩散方程。Benítez和Sherif[18]运用正交配置法，提出了用来描述霜层形成过程的公式。霜层的时间空间变化属性例如孔隙度和密度以及其他相关变量都能够通过该公式计算出来。该数学模型的计算结果与实验所得数据十分接近。Yun[19]等建立了在低温空气掠过铝制平板上霜层生长的物理模型用于测量霜层粗糙度变化，并且提供了有关霜层平均粗糙度的经验公式，发现空气当量热导率和霜层内部热导率共同影响霜层热导率，霜层密度和空气流速成比例关系。

2　热泵除霜方法

通过对国内外文献总结分析，目前用于解决除霜问题的思路有以下几个方面：(1)增加风量和风速，改进换热器表面形式和涂层；(2)利用蓄热水或者蓄能材料的方法缓解结霜程度；(3)通过智能控制系统优化除霜系统，使得热泵系统适应环境变化[20]。本文将从改进换热器表面以及系统除霜两种方式进行分析，进一步提出相应的解决方式提高热泵除霜效果，减少能源消耗。

2.1　换热器表面处理

表面处理包括改变特定的表面特征，例如形状结构、涂层材料等。Huang[21]等使用三种不同翅片的室外机组对空气源热泵的性能进行对比，发现平翅片具有最好的热力性质。相比于百叶窗翅片，平翅片的制热量，COP和输入功率分别提高了17.1%，9.0%和7.6%。郭宪民[22]等对平翅片换热器和条缝翅片换热器进行了性能实验对比，发现条缝翅片换热器与平翅片换热器的霜层生长特性相似，但总体上，平翅片结霜速度明显低于条缝翅片结霜速度。黄康[23]等搭建了结霜实验系统用于测量结霜量、霜层厚度，选择了平片、正弦波纹片和开窗片三种翅片换热器，探究了不同翅片类型的换热器霜层厚度、结霜量和换热量的差异，从图3(b)中可以看出，三种类型换热器的结霜量差异较大，其中波纹片结霜量最大，平片结霜量最少。图3(c)显示出三种不同类型的翅片换热器换热量变化趋势基本相似。初期由于换热器表面结霜程度并不严重，换热量呈一个上升趋势，系统运行一段时间后，随着霜层厚度增加，导致换热器表面热阻增大，使得换热器整体换热量下降，于是换热量呈现出一个先上升后缓慢下降的趋势。

图3　不同翅片类型的换热器实验结果对比[23]

图4　未经涂层处理表面和涂层涂覆表面结霜厚度对比[25]

图5　光滑铝制表面和疏水表面在结霜过程中霜层厚度随时间的变化关系[26]

利用亲疏水材料涂覆在换热器表面以延迟霜层形成的时间，减少霜融水残留量，该方法目前还未广泛的应用于实际中[24]。因此，国内外学者对涂层材料研究较多。例如，Liu[25]使用了一块冷板，一半涂覆抑霜涂料，另一半用塑料薄膜覆盖。实验发现，涂覆防结霜涂料的冷板表面比未经过涂覆处理的冷板表面结霜时间至少延迟了15 min，霜层厚度减少了至少40%，堆积的霜层质量可能减少超过40%。经过涂料涂覆的冷板表面与未经过处理的冷板表面之间的霜层厚度差异如图4所示，经过处理的冷板表面结霜速度以及结霜时间明显都要小于未经过处理的冷板表面，能够有效地抑制霜层的生成，降低霜层形成的厚度和结霜量。

Wang[26]使用铝酸酯偶联剂作为疏水材料涂覆在铝制换热器表面，该材料(疏水表面)的接触角保持在147°，而光滑铝制表面(亲水表面)的接触角只有62°。如图5所示，疏水表面结霜时间比光滑表面延迟了大约60 min。整个实验过程中，疏水表面的结霜速度明显比光滑表面结霜速度慢，说明疏水材料对于结霜问题有一定的抑制作用。

国内还有学者对普通的多孔SiC涂层、特氟龙涂层以及半导体超疏水复合涂层[27]三种涂层进行了实验对比分析，发现空气源热泵表面涂覆特氟龙材料结霜量最少，抑霜效果最好。

2.2　系统除霜

现在常规制冷系统中使用的系统除霜方式，主要有逆循环除霜，热气旁通除霜和电加热除霜。逆循环除霜是通过切换四通换向阀改变制冷剂流向，使得热制冷剂流入蒸发器，达到除霜的效果，此方法最大优点就是简易性和经济性；热气旁通除霜方式则是通过将压缩机排除的热气通入换热器中加快融霜的进行，能够提高系统的效率和COP；而电加热除霜是最为简单的一种除霜方式，易安装易操作，但会消耗较多电量。

近几年来，国内外学者对热气旁通除霜方法进行研究，以寻求能够进一步改善除霜方法的思路。Reindl[28]等介绍了一种用于直接膨胀的热气旁通除霜方式，在除霜阶段时，通过电磁阀调节来阻止高压制冷剂液体进入蒸发器，具体热气除霜过程见图6。

图6　热气旁通除霜过程的流程图[28]

国外学者Byun[29]研究了空气源热泵系统中使用热气旁通除霜方式来减缓霜层的形成，该热泵系统使用R22制冷剂，根据ISO5151中对于自动除霜环境条件的规定，室内外空气干湿球温度具体设置见表1，并且调节热气旁通的流量分别为0 kg/min，0.2 kg/min，0.3 kg/min以及0.4 kg/min，系统运行210 min。本实验是根据旁通热气的流量对热泵系统性能和霜层形成的影响进行测试对比。

最后通过实验发现，旁通热气的流量达到整体制冷剂流量的20%时，整个系统的性能达到最优效率，除霜效果达到最佳。如果旁通热气的流量较大，相反则会导致整体热损失也会上升，使得整个系统性能降低。在本实验中，0.2 kg/min的旁通热气流量为最佳流量，相较于其他的流量值，在210 min的实验过程中，系统整体的平均COP上升8.5%，热效率提高5.7%。

表1ISO5151测试条件

干球温度/℃湿球温度/℃室内2012室外21

国内学者对热气旁通除霜和逆循环除霜的融霜效果进行了实验比较[30]。热气旁通除霜虽然融霜时间比逆循环融霜时间长178 s，压缩机排气温度过低，但热气旁通不会从循环水和室内吸收热量，避免了室内温度较大的波动，舒适性较好；逆循环除霜融霜时间大大缩短，但不可避免需要从室内吸收热量，使得室内温度产生较大波动。由此可见，两种除霜方式各自有优缺点。为克服两者的缺点，有的学者也提出了基于逆循环法对热气旁通除霜方式进行升级[4]。

现在最为广泛使用的标准除霜方式是逆循环除霜(RCD)方式[31]，许多学者纷纷开始对逆循环结合其他除霜方式进行研究。例如，Qu[32]基于逆循环除霜法结合蓄热材料(TES)用于串联热泵机组进行实验研究，对比了普通逆循环法除霜和蓄热材料结合逆循环除霜方式的性能效果。相对于其他除霜方式而言，蓄热材料结合逆循环的除霜方式可以更可靠地运用于极端气候的环境下，不仅能缩短除霜时间，而且能降低除霜能耗。由此看出，未来除霜方法的研究将会逐渐趋向逆循环结合其他方式的综合除霜方式。

除上述除霜方式外，有许多学者也利用振动和超声波等方式除霜。Li和Chen[33]发现超声波振动除去冻结水珠有明显的效果，在20 kHz高频超声波振动条件下，所有直径2～30 mm的冻结水珠可以完全被除去。Wu和Webb[34]发现在表面施加低振幅振动对霜层形成有一定影响，但影响不大。

3　结论

文章简单介绍了结霜过程中霜层形成机理、数学物理模型，以及几种除霜方式的研究应用，得出以下结论：

(1)结霜过程是一个较为复杂的非稳态过程，其中霜层密度和霜层导热系数是研究霜层形成的重要参数。霜层密度和导热系数的影响因素较为复杂。

(2)随着研究深入，霜层形成过程中的数学物理模型逐步完善，能够表达霜层形成的空间时间变化，以及测量霜层内部的粗糙度、孔隙度。

(3)亲疏水材料可以有效抑制霜层的形成，能够不同程度延迟结霜时间，减缓结霜速度，且材料热阻对换热器影响不大，近年来成为了研究的热点方向。

(4)热气旁通和逆循环除霜方法是现今最为普遍使用的除霜方式。而现在主要的研究方向更多的是逆循环结合热气旁通，逆循环结合蓄能材料等除霜方式。