【中國制冷網(wǎng)】[摘 要] 本文在不同結(jié)霜工況下對蒸發(fā)器盤管的結(jié)霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了空氣的相對濕度、盤管表面溫度和驅(qū)動溫度三種控制因素對盤管結(jié)霜特性的影響，得出了盤管空氣側(cè)的壓力降、制冷量在結(jié)霜過程中的動態(tài)變化規(guī)律，以及空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況、盤管管排的霜層分布特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這三種控制因素對蒸發(fā)器盤管的結(jié)霜性能有不同程度的影響。較低的相對濕度，較高的盤管表面溫度，較低的驅(qū)動溫度都可抑制霜層的生長。為以后的結(jié)霜性能研究提供了較好的研究經(jīng)驗(yàn)。

　　[關(guān)鍵詞] 蒸發(fā)器盤管；結(jié)霜特性；控制因素；實(shí)驗(yàn)研究

　　引言

　　結(jié)霜現(xiàn)象是制冷工程、空調(diào)熱泵以及其他低溫領(lǐng)域中常見的問題之一，結(jié)霜現(xiàn)象對換熱系統(tǒng)都會造成一定的危害，因此國內(nèi)外許多學(xué)者對結(jié)霜問題都曾做過大量研究，主要通過以下三個方面對結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行研究。結(jié)霜機(jī)理研究方面[1-6]：利用實(shí)驗(yàn)或理論模擬的方法研究了環(huán)境溫度、濕度、空氣流速、冷表面溫度和冷表面特性對霜層生長的厚度、密度和晶體形態(tài)等的研究。結(jié)霜對系性能的影響方面：如羅超等[7]考察了在低溫工況下（-18℃）、進(jìn)口空氣溫度、空氣相對濕度和空氣風(fēng)速對蒸發(fā)器性能的影響，給出了換熱量、空氣側(cè)壓降、結(jié)霜量和總傳熱系數(shù)在結(jié)霜過程中的動態(tài)變化規(guī)律。其他學(xué)者[8-9]通過建立數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)研究的方法，論證了空氣溫度、濕度和風(fēng)速對換熱器系統(tǒng)結(jié)霜性能（如換熱量和空氣側(cè)壓降等）有不同程度的影響。在除霜抑霜方面：除霜的方法主要有電加熱除霜和熱氣融霜等，文獻(xiàn)[10]提出了空氣源熱泵“蓄能熱氣除霜”新系統(tǒng)，解決了常規(guī)除霜時低位熱源供給熱量不足的問題。抑霜主要通過改變冷表面特性、外加電場（磁場）、盤管型式設(shè)計(jì)等，劉中良等[11]綜述了抑霜技術(shù)的研究進(jìn)展，表明通過外加電場（磁場）和表面改性在一定條件下可以延緩或有效地抑制結(jié)霜過程。此外，近年來學(xué)者們[12-13]對化霜邏輯的控制方面也做了較多的研究，旨在準(zhǔn)確判斷化霜時機(jī)，減少化霜所需要的時間及能量。

　　本文基于作者早期對蒸發(fā)器盤管結(jié)霜現(xiàn)象的觀察實(shí)驗(yàn)，較為全面地研究了在三種不同結(jié)霜工況下，空氣的相對濕度、盤管表面溫度、驅(qū)動溫度三種控制因素對盤管結(jié)霜特性的影響，得出了盤管空氣側(cè)的壓力降和制冷量在結(jié)霜過程中動態(tài)變化規(guī)律以及空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況和盤管的霜層分布的特點(diǎn)。

　　1、實(shí)驗(yàn)裝置

　　圖 1 為我們設(shè)計(jì)的LET090 冷風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置，采用R404A 制冷劑，固定轉(zhuǎn)速的電機(jī)。實(shí)驗(yàn)工況見表1。

　　在 3 種工況下，分別控制空氣的相對濕度（Relative humidity，RH）為55%、75%、90%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。觀察相對濕度對盤管結(jié)霜性能影響的實(shí)驗(yàn)是在工況1 下，相對濕度分別控制在57%、74%、87%，考察相對濕度對盤管的結(jié)霜特性（空氣側(cè)壓力降、空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況、霜層在每排管排的結(jié)霜量和制冷量變化）的影響。研究盤管表面溫度對盤管的結(jié)霜特性影響是在對比工況1 和工況2的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，而分析溫差TD 影響的實(shí)驗(yàn)是在工況2 和工況3 的條件下進(jìn)行的。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

　　2.1 相對濕度對盤管結(jié)霜特性的影響在工況 1 下隨著結(jié)霜過程的進(jìn)行，盤管空氣側(cè)壓降的變化見圖2。

　　從圖 2 可知在不同相對濕度（57%、74%、87%）下，盤管壓力降（風(fēng)量損失）也會有較大的不同。同時在實(shí)驗(yàn)中觀察到，z*大的壓降發(fā)生在停機(jī)之前；相對濕度越高，結(jié)霜速度越快。在空氣進(jìn)口側(cè)（如圖 3），相對濕度較低時（55%）沒有發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象；當(dāng)相對濕度在75%時，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到7 h，盤管上有部分結(jié)霜；當(dāng)相對濕度在90%時，實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行到2 h，盤管上已全部結(jié)霜。

　　在空氣出口側(cè)（如圖4）盤管的結(jié)霜量沒有空氣進(jìn)口側(cè)結(jié)霜量受相對濕度的影響明顯，但當(dāng)相對濕度較大時，盤管上也有部分結(jié)霜。55%RH 75%RH (7h) 90%RH (2h)圖3 工況1下不同相對濕度時空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況55%RH 75%RH (7 h) 90%RH (2h)圖4工況1下不同相對濕度時空氣出口側(cè)的結(jié)霜情況。

　　從圖 5 可見，55%RH 時每排管排的結(jié)霜量為0 kg，而75%RH 實(shí)驗(yàn)7 h 的總結(jié)霜量比90%RH 實(shí)驗(yàn)2 h 的結(jié)霜量大，可能原因是90%RH 時結(jié)霜較快，阻礙了濕空氣的進(jìn)入。

　　圖6 中通過風(fēng)量和焓變來估算制冷量，可知相對濕度越大，制冷量的衰減也越快。

　　2.2 盤管表面溫度對盤管結(jié)霜特性的影響在蒸發(fā)器盤管中，空氣溫度Tair>露點(diǎn)溫度Tdew>盤管表面溫度Tcoil>蒸發(fā)溫度TSST，溫差ΔT（空氣溫度和盤管表面溫度之差ΔT=Tair-Tcoil）、DF（盤管表面溫度與露點(diǎn)溫度之差DF=Tdew-Tcoil）、TD，其中DF 為驅(qū)動溫差。通過工況1 和工況2 的實(shí)驗(yàn)，對比分析了Tcoil 對盤管結(jié)霜特性的影響。

　　工況 1 比工況2 的室溫低，相同的TD 說明工況1 的Tcoil 也比工況2 的低。對比圖1 和圖7 兩圖，在相同濕度下工況1 空氣側(cè)壓力降比工況2 的壓力降要高，說明在較低的Tcoil 有較大的壓力損失或風(fēng)量損失。

　　從圖 8 知，空氣進(jìn)口側(cè)在75%RH 下工況1 比工況2 的結(jié)霜量略大，而在90%RH 下工況1 在2 h內(nèi)的結(jié)霜量明顯比工況2 在4 h 內(nèi)的結(jié)霜量大的多。

　　對比圖 5 和圖9 可知：75%RH 下，工況2 管排的總結(jié)霜量略小于工況1；90%RH 下，由于工況1 空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜量較大，導(dǎo)致空氣無法進(jìn)入盤管而造成工況1 的管排總結(jié)霜量遠(yuǎn)小于工況2。

　　對比圖 6 與圖10，74%RH 和55%RH 時，工況2 制冷量衰減比工況1 小，表明較低的Tcoil 時制冷量隨著結(jié)霜過程的進(jìn)行衰減較快。

　　2.3 空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差對盤管結(jié)霜特性的影響。

　　此實(shí)驗(yàn)是在工況 2 和工況3下進(jìn)行的，工況2和工況3 具有相同的室溫-6.7 ℃，工況2 比工況3有較大的TD，為-5.6 ℃，工況3 的TD 為-2.8 ℃。

　　通過對比分析工況 2 和工況3 盤管結(jié)霜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖7 和圖11），在90%RH 下，TD 較小時空氣側(cè)壓力降（風(fēng)量損失）也較??；在75%RH 下，較小的TD 時不會結(jié)霜。

　　從圖 12 可知，工況2 比工況3 的出口結(jié)霜量大，同時比較圖12 和圖9（b）都說明在較低的TD下結(jié)霜量會減少。

　　圖 14 和圖10 說明當(dāng)TD 較低時，制冷量的衰減也較緩慢，因此在結(jié)霜情況下為了達(dá)到相同的制冷量需要有較大的盤管換熱面積。

　　3、 結(jié)論

　　1）兩種條件會影響霜層生長：一是驅(qū)動溫度；二是濕度條件，任何促進(jìn)這兩個條件的行為都會促進(jìn)結(jié)霜。

　　2）在較低的Tcoil、較大的TD 和較高的相對濕度下結(jié)霜較快，霜層也較為疏松，在很短時間內(nèi)就會阻礙風(fēng)量。

　　3）控制結(jié)霜方面：用較小的TD 來減緩結(jié)霜（需要較大的盤管換熱面積）；及時檢測到結(jié)霜并使用正確的除霜方法（需要精確的結(jié)霜傳感器和控制邏輯）。

　　4）風(fēng)速的影響、霜的微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物性（如密度、熱導(dǎo)率和表面粗糙度）以及創(chuàng)新的盤管設(shè)計(jì)和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。