受限流道沿程参数变化对竖直圆管表面结霜特性影响的实验研究

霜经常出现在自然界和工业领域中,如制冷空调、空气源热泵系统、航空航天和低温工程领域等

。霜的生长受到多种因素制约,在不同的研究环境下具有不同的生长特性。为了获得参数均匀,稳定可控的霜层生长环境,目前大多数研究都是在一个相对于结霜冷表面来说的大开放空间进行的。这种空间的特点在于气流通道高度高于霜层厚度的25倍以上

。当发生结霜时,湿空气参数随时间的变化较小,沿流动方向的分布较为均匀。在这种开放空间的实验环境中,霜层的生长特性已经在不同的冷却表面,如圆筒表面、翅片、平板面上进行了广泛的探索

。比如在平板表面中,自然对流条件下,低的冷却表面温度、高的湿空气温度和高的相对湿度有利于霜的生长

。在低温和强制对流条件下,霜的厚度随着冷却面温度的降低而减少

。比起大开放空间,实际结霜现象更经常出现在狭窄的换热器流道中,比如板翅式换热器的热空气流道以及管翅式换热器翅片之间的空气流道。这类的受限结霜空间特点在于,空气流动通道高度略大于霜层厚度,沿流动方向湿空气温度和水蒸气含量下降明显。在此类受限流道中,结霜特性研究经常在沿空气流动方向恒定壁温以及恒定入口湿空气条件下进行

,但实际中湿空气参数和冷表面的温度经常会同时发生改变

,且通常研究的是换热器的整体结霜特性

,而受限流道内的霜层生长细节仍然不够明晰。

因此,在本文中同时考虑受限流道内沿程湿空气参数和壁温变化的基础上,设计了一个可视化的受限流道内圆管表面结霜实验装置。在此装置中,受限流道可被看成实际换热器中的狭窄空气流道。实验研究了在逆流的工况中,不同湿空气参数下受限流道内的结霜特性,对霜的厚度、霜层生长率、结霜量和平均霜层密度进行了相应的分析。

1 实验系统介绍

本文对结霜进行的研究实验通过改造先前搭建的实验台实现

。本结霜可视化实验台如图1所示,主要由可视化结霜实验段、湿空气处理段、数据采集系统和复叠式制冷系统组成。为了消除霜层的周向不均匀性和积油对换热的影响,采用了竖直布局的可视化结霜实验段。为了保证制冷系统供应的制冷剂温度达到稳定的设定值,设置了辅助通道。在制冷系统能提供所需要的实验低温值之前,先将辅助通道与制冷系统连接,防止在工况未稳定前在可视通道内圆管上结霜。为获得更好的换热性能,实际中的换热器大多数工作在逆流工况下,因此本文研究基于逆流工况,以制冷剂的入口处为起始点。

结霜可视化实验段如图1(a)所示,包括圆管换热器,可视化通道、超声波加湿器、风机、恒温槽和各种传感器。为了良好的换热效果以及观察受限流道内沿程的霜层特性变化,实验选用的换热管为铜管,管径为40 mm,壁厚1 mm。圆管内制冷流体为气相R23制冷剂。为了保证能够清楚的观测圆管表面霜层的分布,将流道外侧设计成透明的亚克力管道,管道内径为60 mm,受限湿空气流道高10 mm。换热管的制冷剂进出口外表面部分则用保温棉包裹至与实验管道高度平齐,以保证管道内空气均匀流动。用T型热电偶测量圆管壁温,每间隔0.2 m有一个测点,测量范围为0～1.0 m,如图1(a)所示。

利用MATLAB对所拍摄的结霜图像进行灰度处理,再利用二值法获得霜层的厚度变化。霜层生长率为某个测点在一定时间内的平均霜层厚度变化值,计算公式如下

与现有满足大空间特征尺寸且实验工况相近的中霜层生长特性进行对比。Yang的实验工况

为

=10 ℃,

=83%,

=1 m/s,

=-25 ℃;Ostin的实验工况

为

=21.1 ℃,

=31%,

=3 m/s,

=-10.8 ℃。以相同的计算方法进行霜层生长率计算。图4(b)表明了两组开放空间实验条件下的霜层生长率趋势,可看出在开放空间内的霜层生长率在初期较高,随着霜的累积,霜层生长率在单调减小,并未出现显著波动。

(1)

式中:

为霜层生长率,mm/min;

+1

为

+1

时刻测得的霜层厚度,mm;

为

时刻测得的霜层厚度,mm。

实验所用设备类型及精度如表1所示。实验中测量参数的不确定度如表2所示,其中霜层厚度测量误差的主要来源为灰度图像转化为二值图像分界值的设定和显微镜在轨道移动时的轻微移动。利用工程常用的误差合成公式处理霜层厚度测量误差获得霜层厚度的不确定度

,结霜量的不确定度也采用此方法计算,平均霜层密度的不确定度通过对霜层厚度和结霜量的不确定度使用代数合成法获得。为了研究湿空气温度、相对湿度、风速和冷壁面温度对结霜特性的影响规律,本文设计了以下实验组,如表3所示,其中各参数均为受限流道的入口参数。

=∑[5(

-

)

]

(2)

式中:

为换热管上的总结霜量,kg;

为入口含湿量,kg/kg;

为出口含湿量,kg/kg;

为干空气质量流量,kg/s。

霜层平均密度计算公式如下

为进一步了解受限流道中霜层生长的具体特性,针对霜层生长率进行分析。圆管上各点的霜层生长率随时间的变化如图4(a)所示,受限流道内的霜层生长率随时间整体呈降低趋势。在结霜的早期阶段(0～10 min),较薄的霜层和肋片类似,增加了传热和传质面积,强化了霜的生长

。因此,此时有较高的霜层生长率。随着霜层的累积(10～20 min),霜层热阻持续增长,热量和质量的传递受到快速积累的霜层的阻碍,霜层生长率也开始降低。然后,在20～50 min的范围内,0 m、0.2 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m处的霜层生长率在不同时间出现了小幅增加,0.4 m处未出现明显的增加。沿制冷剂流动方向,前段(0～0.2 m)的霜层生长率增长出现时间逐渐推迟。前段壁温较低,初始水蒸气浓度也较低。在结霜过程中,由于霜层变厚,热阻增大,湿空气流动过程中受限流道内的水蒸气浓度消耗减少。这意味着在测点上,水蒸气浓度随时间增加。热阻越高的位置,水蒸气浓度随时间升高的幅度更大。增大的水蒸气浓度强化了热质传递。此阶段强化的结霜驱动力作用高于增大的霜层热阻恶化作用,二者的综合作用使霜层生长率升高,这种作用在结霜驱动力更大的地方体现更显著,导致霜层生长率增长出现时间越早。霜层生长率在0.4 m处未出现明显增长的原因可能是此处的壁温已经处于较高水平,且水蒸气浓度水平较低,霜层的综合驱动力较低,因此由于热阻的缓慢积累,水蒸气浓度上升不明显,在二者综合作用下,霜层生长率呈现较为平滑的下降。在中后段(0.6～1.0 m),壁温较高且变化幅度小,而水蒸气浓度充足,结霜驱动力沿制冷剂流动方向逐渐升高,因此出现霜层生长率增长的时间逐渐提前。当受限流道内的霜层进一步积累(50～60 min)时,热阻恶化作用占主导,霜层生长率进一步下降。

(3)

多维农业休闲综合体发展思路见图1。多维农业休闲综合体是指在城市郊区或乡村集镇打造一个休闲娱乐区，是集休闲、娱乐、商务等多种功能于一体的现代农业生产经营模式。在本项目中，多维主要包含时间多维、产业多维以及功能多维。时间多维指不同时间维度对园区发展有不同的要求，将一天、一年及一生的视角作为方案思考的出发点来进行规划设计；产业多维指时间维度的丰富对产业的发展提供了一定的要求，所以本文以柑橘产业为核心，以“农业+N”为模式，使其与业态形式融合发展；功能多维作为综合体最突出的特点，即在产业多维的基础上，将产生、发展不同的功能，最大程度上满足不同人群的需求，从而丰富综合体的体验形式。

结霜量通过其出口含湿量的差值计算得出,由于数据每隔5 s记录一次,因此计算时空气含湿量和质量流量被视为在这5 s内相同,计算公式如下

2 实验结果及分析

2.1 受限流道内沿程霜层生长特性

2.2.2 入口相对湿度的影响

不同时间的受限流道内沿程霜层分布情况如图2所示。沿制冷剂流动方向,在入口位置0 m处有较厚的霜层,随后逐渐变薄,在0.4 m处霜层厚度降至较低;0.4～0.8 m处的霜层厚度几乎不变,直到0.8 m之后霜层厚度才逐渐升高。冷壁面温度是决定结霜驱动力的重要因素。沿制冷剂流动方向换热管上各点的壁面温度随时间的变化如图3所示。换热管壁面温度沿着制冷剂流动方向逐渐升高,圆管前半段(0～0.4 m)的壁温升高为15.52 ℃,后半段(0.6～1.0 m)壁温升高为3.21 ℃。从时间上来看,所有测点的壁温前10 min内上升,10 min后管壁温逐渐维持在一个较小的范围内波动。在入口0 m处的壁温较低,此处的传热温差较大,根据刘易斯传热传质类比理论,此处的霜层厚度较大。位于中后段的0.4～0.8 m处壁温较高,且由于受限流道内湿空气流动过程中水蒸气浓度下降明显,因此中后段的综合结霜驱动力较弱,此段的厚度较小。由于是逆流工况,在制冷剂出口位置0.8～1.0 m,也就是在湿空气入口段,湿空气中的水蒸气浓度较高。即使管壁温已经较高,但与0.6～0.8 m处相差不大,而更高的水蒸气浓度使0.8～1.0 m处的霜层厚度逐渐增大。

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2.2 环境参数对霜层特性的影响

2.2.1 入口湿空气温度的影响

FTIR-7600傅里叶红外光谱仪，大连依利特分析仪器有限公司；DJ型电动搅拌器，金坛市顺华仪器有限公司；DZF-6020真空干燥箱、HH-S恒温水浴装置，巩义市予华仪器有限责任公司；80 mm布氏漏斗，天津市天玻玻璃仪器有限公司。

不同入口湿空气温度(实验组A)下的结霜量和平均霜层密度如图5所示,结霜量和平均霜层密度均随着时间增加。入口湿空气温度从10 ℃升高到25 ℃时,更大的传热温差增大了结霜驱动力,结霜量升高,如图5(a)所示。关于结霜量的增长率,霜层热阻随时间逐渐升高,因此沿湿空气流动方向的空气温度降低幅度减小,使得整体换热温差增大。在升高的热阻和增大的换热温差综合作用下,结霜量的增长率随时间的变化较稳定。在相对湿度不变的条件下,湿空气温度的升高,霜层表面的水蒸气浓度差也增大,水蒸气向霜层扩散的程度加剧,形成更致密的霜层,如图5(b)所示。由于受限流道的限制,霜层厚度的生长率随时间逐渐减小,因此随时间的增长,霜层密度的增长速率逐渐下降。

本试验考察了不同提取方式、不同提取时间以及不同提取溶剂下的样品色谱图，对比各条件下的谱图的分离情况确定供试品溶液制备条件，具体条件见“2.3”项下。

为了分析霜的生长特性与受限流道内沿程变湿空气参数和变壁温的关系,进行了逆流结霜实验。受限流道内沿程的霜层生长特性基于以下工况分析,受限流道入口的环境参数

=25 ℃,

=50%,

=5 m/s;制冷剂入口位置壁温

=-38 ℃。

不同入口相对湿度(实验组B)的结霜量和平均霜层密度如图6所示,结霜量和平均霜层密度均随着时间增加。湿空气相对湿度从30%升高到60%时,霜层表面水蒸气浓度线性增长,结霜量均匀的增长,如图6(a)所示。由于受限流道的限制,在热阻增大的同时,沿湿空气流动方向的各点水蒸气浓度随时间增大,促进霜层生长,在两者的综合作用下结霜量随时间近似呈线性增长。关于平均霜层密度,图6(b)表明,随着相对湿度升高,霜层的平均密度会降低。在垂直布局的冷表面上,当相对湿度逐渐升高,在垂直霜晶生长的方向会发展出许多分支,分支在生长阶段霜晶较为脆弱,在当分支结构被流动的湿空气损坏时,会发生霜冻颗粒的散落,造成霜晶的密度减少

。

2.2.3 入口湿空气流速的影响

李大头几乎不离身的手提包忘记收起来。那一刻，好奇心战胜了道德、素质、人品等字眼。我迅速地拉开皮包的拉链。我看到的是我们签字的合同。我正要将包拉上，包的夹层里，一张纸的角露出来。我轻轻抽出，是另一张合同，合同上说，施工如若亡人，理赔四十万。甲方是某建筑公司，乙方是李大头。我脑袋轰响。这么说来，我们帮李大头干活，若果死了一个人，他能从死人身上净赚二十万。那合同不但有双方的签名，还盖着公章。我望着那鲜艳的公章，仿佛是我的血在成环形流淌。

不同湿空气入口流速(实验组C)下的结霜量和平均霜层密度如图7所示,结霜量和平均霜层密度均随时间升高。当流速从3 m/s升高到4 m/s,结霜量的增幅较小,而从4 m/s升高至5 m/s之后,结霜量的增长幅度较大,如图7(a)所示。这是因为在流速低于4 m/s时,对流换热系数较低,此时的霜层较薄,受限流道对霜层热阻的增长几乎没有阻碍,此时热阻所带来的阻碍结霜作用较显著。当流速进一步升高之后,受限流道内整体换热系数升高,由于此时霜层生长较快,霜层厚度较厚,受限流道内的霜层热阻增长逐渐减弱,此时流速增长所带来的强化结霜驱动力作用更显著,结霜量增幅增大。图7(b)显示,平均霜层密度随着流速的升高而增大。更高的流速下,霜层中的热质传递增强,使得霜层中的空气空隙减少,平均霜层密度升高。

“是不是白天又饿着了？就算公事再忙，饭还是要吃的。”以前我还能照顾他的饮食，现在不在公司帮忙，根本不能保证他几时吃饭，这种拼命干活的男人，基本上就是饿过头就干脆不吃的类型，真让人担心。

3 结 论

本文在受限流道内沿程的湿空气参数和冷壁面温度同时变化的基础上,研究了逆流工况下不同入口湿空气温度、相对湿度和流速对结霜生长特性的影响,得出以下主要结论。

(1)受限流道内沿制冷剂流动方向,前半段沿程壁温升高幅度较大,霜层厚度逐渐减小;中后段由于逐渐升高的壁温和水蒸气浓度,霜层厚度维持在较低的水平,变化较小;出口段由于较高的水蒸气浓度以及升高幅度较小的壁温,霜层厚度逐渐升高。

(2)受限流道中的霜层生长率主要受变化的冷壁面温度和湿空气参数综合作用影响。从时间角度来看,结霜初期,在较低温度的冷表面处,霜层生长率较高;随后,热阻迅速增大,霜层生长率下降。在结霜中期湿空气流动过程中,受限流道内的水蒸气浓度随时间上升强化结霜,使霜层生长率升高。随着霜层进一步积累,霜层热阻作用占主导,霜层生长率下降。从流道沿程方向来看,受限流道内壁温越低,水蒸气浓度越高的位置处霜层生长率出现局部增大的时间越早。

(3)受限流道内,入口湿空气温度和流速升高时,整体结霜量和平均霜层密度升高幅度较低;随着入口湿空气温度和流速的进一步增长,整体结霜量和平均霜层密度会有显著的增长。随相对湿度升高,结霜量均匀升高,而平均霜层密度均匀降低,均无显著的变化波动。

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