迎面风速对翅片换热器结霜特性的影响

游牧 周亚素 叶涛 赵敬德

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

结霜是制冷、热泵和低温技术领域中常见的一种问题。在低温高湿的条件下，由于翅片换热器表面的温度较低，导致湿空气中的水蒸气在表面上凝结形成霜层。霜层的形成与生长不仅减少了翅片间的气流流动通道和空气流量，而且增大了翅片与空气间的传热热阻，导致换热器的换热性能下降[1]。因此掌握换热器表面结霜过程的规律，对于提高系统的换热性能极为重要。

国内外学者对结霜现象的研究主要包括：①通过建立结霜数学模型，运用数值模拟方法预测霜层的特征参数如霜层厚度、霜层密度等[2-5]。②通过理论和实验分析霜层生长机理，探究霜层生长过程中的规律和影响因素[6-9]。由于翅片换热器的结霜过程是一个非定常且有相变的复杂传热传质过程，单纯的理论和模拟研究难度较大，因此，利用实验分析研究十分重要。

许多学者通过实验的研究发现翅片换热器结霜问题与换热器结构参数和系统的环境参数等密切相关。秦海杰等[10]通过实验研究翅片间距、翅片表面材料等对空气冷却器结霜特性的影响。童治文等[11]通过实验测试了不同的入口空气温度、湿度、流速等环境参数下，翅片管蒸发器低温结霜工况下结霜量、制冷量等的变化规律。但是对于不同环境参数下，霜层密度变化 的研究相对较少，霜层密度反映了霜层的厚实程度，同时也是反映除霜过程难易程度的重要因素。为此，本文利用搭建的翅片换热器结霜实验平台，观察不同迎面风速下，一段时间内翅片换热器表面的静态结霜过程，探究翅片换热器表面霜层密度在霜层生长过程中的变化规律，为除霜研究提供新型参考指标。

1 实验测试系统

本文设计搭建的翅片管换热器的实验测试系统主要包括环境参数控制系统，制冷循环系统和数据采集系统。下面分别介绍各系统的组成部件与系统的运行原理。

1.1 系统的组成部件

实验装置如图1 所示。翅片换热器结霜实验平台主要由环境参数控制系统、制冷循环系统、数据采集系统组成。环境参数控制系统主要由温度控制箱体，智能空气加湿器和交流离心风机组成，分别控制和改变翅片所在环境中的温度，湿度和迎面来流的风速。其中，由温度控制箱体提供翅片换热器结霜环境的空气温度，精度为0.1 ℃。通过空气加湿器调节翅片换热器结霜环境内的湿度，精度为 2%。变频器可通过转换频率改变离心风机的转速，进而改变迎面来流风速，如下图所示，箭头为密闭空间内的气流流向，风机分为进风部分和出风部分，通过设置的导流隔板进行分隔，引导气流的流动方向。制冷循环系统通过低温恒温槽制备-11 ℃的载冷液，载冷液由体积分数为 23% 的CaCl2溶液制成，并用隔热保温管道将载冷液输送至换热器内的制冷剂管道，模拟实际制冷剂管道内的温度，并通过循环泵循环。此外，低温恒温槽内设置温度探测器，保持载冷液的温度维持在-11 ℃。数据采集系统采用温湿度记录仪记录翅片所在环境中的温度和湿度，测量范围分别为-40 ℃-60 ℃以及0%-100%，监测环境参数的稳定性，减小实验误差。

图1 实验装置示意图

实验所用的翅片换热器见图2，尺寸参数见表1。

图2 翅片换热器示意图

表1 翅片换热器尺寸参数

1.2 实验过程

在实验开始前，设置翅片换热器所在环境温度Ts=-1 ℃，相对湿度φ=85%。实验最初，将表面干燥的翅片换热器放置在精度为± 0.01 g 电子称重仪上，多次称重取平均值得质量m0。其次，将试件通入-11 ℃的载冷液，并且确保单次试验开始时翅片表面的温度保持 0 ℃，然后将翅片放入指定位置，在设置的条件下进行结霜试验。结霜实验结束后，将翅片换热器取出，记录结霜情况并清理周边多余霜层，称取此刻翅片换热器的重量记为m1，则该结霜条件下霜层的质量为m1-m0。

1.3 实验数据处理

在实验中，霜层质量是通过电子称重设备获取的直接测量值，霜层体积是根据翅片换热器迎风面与背风面霜层厚度估算得出的值，而霜层密度=霜层质量/霜层体积。在一定的结霜条件下，受翅片通道迎风侧水蒸气分压力大于背风侧的影响，气流进入与离开翅片通道处，霜层的厚度不一致，如图3、4 所示。并且在结霜过程中，部分翅片通道中存在制冷剂管道时，管道的迎风面及前半部分的翅片通道存在霜层的生长，背风面及后半部分的翅片通道则忽略霜层的生长。因此，为方便计算霜层体积，采用以下合理假设：

1）霜层厚度是连续变化的，则在一个翅片通道内，凝结完成时，霜层的形状为直角梯形台。

2）结霜的现象只发生在制冷剂管道的迎风面段。

3）制冷剂管道表面的霜层厚度近似于迎风面与背风面霜层厚度的平均值。

因此，霜层的体积由以下三部分组成：

式中：V为翅片换热器结霜总体积，mm3；V1为含有制冷剂管道的翅片通道内的霜层体积，mm3；V2为不含有 制冷剂管道的翅片通道的霜层体积，mm3；V3为翅片前端与后端的霜层体积，mm3。

在一定条件下，翅片换热器霜层的凝结现象图可简化为图3 所示。由式（2），式（3）和式（4），分别计算含有制冷剂管道的翅片通道内的霜层体积、不含有制冷剂管道的翅片通道的霜层体积以及翅片前端与后端的霜层体积。

图3 翅片表面结霜示意图

图4 翅片表面结霜局部示意图

实验中采用类似显微成像观测法[10]测量霜层厚度，运用Canon Eos Mark 相机采集翅片结霜图片，用 Photoshop 软件对图片进行灰度和提升对比度处理后，将其导入 AutoCAD 中通过图像处理方法计算翅片表面霜层厚度。如图5 所示（此图为V=2.5m/s，T=800s 时的局部结霜图），测量导入 AutoCAD 后拍摄图片中的翅片长度x1=14.7503 以及霜层厚度对应的长度x2=0.1382，并通过比例尺进行测算迎风面霜层厚度，则此时迎风面的霜层厚度为δ1=0.5×96×(x2/x1)-0.5×δ=0.35 mm。为减小测量误差，将拍摄的10 张图片进行上述处理后取平均值，作为该结霜条件下的迎风面霜层厚度。

图5 霜层厚度的标定

2 实验结果分析

本文主要研究了翅片换热器所在环境中的迎面风速和结霜时间对霜层密度变化的影响。随着结霜时间的增加，霜层不断累积，霜层质量和体积均在增加，并且环境中迎面风速的变化，改变了进入翅片通道间的湿空气量，这些都影响了霜层密度的变化。在除霜过程中，随着霜层密度的增大，霜层紧实度也会增加，不利于除霜过程的进行。因此，分析迎面风速与结霜时间对于霜层密度生长的影响极为重要。本次实验控制翅片所在环境温度Ts=-1 ℃，相对湿度φ=85%的结霜工况下，设置V=0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s 五个档位的风速，在不同风速下分别观察在T=200 s、400 s、600 s、800 s、1000 s、1200 s、1500 s、1800 s、2400 s、2700 s 时，霜层质量，体积和密度的变化情况。对比了在不同迎面风速V下，不同结霜时间T时的霜层质量，霜层体积和霜层密度。

图6 所示在不同迎面风速条件下，霜层质量随时间变化的曲线图。在相同迎面风速条件下，霜层质量随着结霜时间的增加而增大，且质量增长曲线逐渐趋于平稳。这是由于在霜层不断累加时，翅片间的空气流通通道空间逐渐变窄所致。在结霜前期，霜层生长受到空气流通通道空间减小的影响较小，因此霜层可不受限制的自由生长。随着结霜时间的增加，翅片通道由于大量霜层的累积，空气流通通道空间较最初值降低较大，导致单位时间进入翅片通道内的湿空气量降低，不仅降低了霜层质量生长速率，也使得霜层质量 趋于一个定值。由图6 可知，在相同结霜时刻下，随着迎面风速的增加，霜层质量也随之增加。这是由于迎面风速的提高，增加了湿空气流速和单位时间进入翅片通道内的湿空气量，增强了霜层表面的换热作用，霜层质量也随之增加。

图6 不同迎面风速下霜层质量随时间的变化

图7 给出了霜层体积在不同迎面风速条件下，随时间的变化规律。在相同结霜时间下，迎面风速越大，霜层体积越大。同时，随着结霜时间的增加，霜层体积呈递增趋势。由于霜层生长过程中，受空气流通空间减小和霜层累积的影响，霜层体积增长速率曲线逐渐趋于平稳，与霜层质量随结霜时间变化规律相类似。

图7 不同迎面风速下霜层体积随时间的变化

图8 为不同迎面风速下，霜层密度随时间的变化规律。迎面风速越高，相同时刻下霜层密度越大。并且在相同迎面风速条件下，霜层密度随着结霜的进行不断地增大。随着时间的推移，霜层密度增长速率不断减小。这是由于在结霜过程中，霜层内部由疏松多孔的状态逐渐生长成为致密紧实的状态所导致的。霜层的生长包含霜层的外部向外生长和内部致密化过程。其中，随着霜层的向外生长，霜层表面的温度升高，导致结霜传热驱动力降低，不利于霜层继续向外生长，此时霜层质量和霜层体积的增长速率均在减缓，但是霜层内部致密化过程使得霜层质量增长速度减缓幅度小于霜层体积，因此在结霜时间增加的条件下，霜层密度也随之增加，并且当霜层质量与霜层体积的值趋于稳定时，霜层密度也趋于一个定值。与此同时，在迎面风速较大时，单位时间内扩散进入霜层内部的湿空气量也随之增加，使得霜层更致密化，霜层密度也较低风速下的值有所增加。

图8 不同迎面风速下霜层密度随时间的变化

3 结论

本文对翅片换热器表面的结霜过程进行了实验研究，获得了不同迎面风速条件下，霜层质量，霜层体积和霜层密度随时间的变化规律，分析了翅片换热器迎面风速和结霜时间对霜层质量，霜层体积和霜层密度的影响，得到如下结论：

1）在相同时刻下，较大的迎面风速增加了单位时间进入翅片通道内的湿空气量。因此，霜层质量和霜层体积均随迎面风速的增大而增大，并且在相同结霜时间内，迎面风速较大时，霜层密度的值也较大，霜层结构更加致密。

2）霜层质量和霜层体积均随时间呈递增趋势，但是随着结霜时间的增加，霜层质量和体积的增长曲线逐渐趋于平稳，与此同时，在相同迎面风速条件下，霜层密度随时间的变化呈现先逐渐增大后趋于平坦的趋势。