安彭軍 謝福壽 陳叔平 姚淑婷 韓宏茵 常智新

(1烏魯木齊市隆盛達環(huán)?？萍加邢薰?烏魯木齊 830088)(2蘭州理工大學石油化工學院 蘭州 730050)

1 引言

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于食品冷藏、低溫工程及航天航空等領(lǐng)域［1］。冷表面溫度低于濕空氣露點溫度時，在其表面會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象;當冷表面的溫度低于水的冰點溫度時，水蒸氣會在冷表面上凝華結(jié)霜。一般情況下，由于霜層的存在將增大對冷表面的傳熱熱阻，使傳熱量下降［2］。

前人重點對結(jié)霜過程作了描述和分析［3－10］，針對自然對流深冷豎直平板結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)卻研究甚少。但濕空氣流動狀態(tài)是影響結(jié)霜現(xiàn)象的主要因素之一，要想抑制結(jié)霜，就要分析清楚濕空氣流動狀態(tài)，故研究自然對流深冷豎直平板結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)，對抑制結(jié)霜、強化傳熱具有實際的工程應(yīng)用價值。

本文擬對霜層厚度變化規(guī)律、濕空氣在豎直平板附近流動狀態(tài)及溫度變化進行實驗觀察，為研究人員對深冷自然對流工況下抑制結(jié)霜提供一定的實驗基礎(chǔ)。

2 實驗系統(tǒng)和方法

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括供液系統(tǒng)、豎直平板表面、圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。室內(nèi)工況使用dph系列大氣溫度濕度計測量，精度為0.5級，量程為－20—125℃，0—100RH‰。液氮從容積為20 L的液氮瓶流出，然后途徑真空絕熱管進入低溫容器，使用真空絕熱管的目的是盡量減少液氮進入低溫容器之前的冷量損失。豎直平板與室內(nèi)濕空氣進行自然對流換熱，使低溫容器內(nèi)液氮吸熱氣化，通過放空口排出;濕空氣受冷，使?jié)窨諝庵兴魵庠谪Q直平板表面上結(jié)霜。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

豎直平板上布置兩個熱電偶以測量豎直平板表面溫度;豎直平板附近按一定規(guī)律布置14個熱電偶，以測量濕空氣在豎直平板附近流動區(qū)域的溫度。熱電偶分布如圖2所示，圖3為實驗系統(tǒng)照片圖。豎直平板表面非穩(wěn)態(tài)結(jié)霜過程由Canon A3300 IS數(shù)碼相機記錄。低溫容器底部用軟管連接U型玻璃管液位計，來測量低溫容器內(nèi)液氮的高度。豎直平板自上往下10 mm處，用游標卡尺測霜層隨時間變化的厚度。

2.2 實驗方法

圖2 熱電偶分布圖Fig.2 Arrangement of thermocouples

圖3 實驗系統(tǒng)照片圖Fig.3 Picture of experimental system

每次實驗先用丙酮清洗豎直平板表面，再將實驗裝置按圖1連接好。打開截止閥4和放空閥10，通過液氮瓶自增壓系統(tǒng)，把液氮輸入低溫容器內(nèi)，使U型玻璃管液位差達到300 mm時，關(guān)閉截止閥4，然后開啟溫度巡檢儀和圖像采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)記錄。每隔半個小時人工記錄一次室溫和相對濕度。霜層厚度數(shù)據(jù)記錄時間:前半個小時隔2 min記錄1次，以后隔5 min記1次。溫度數(shù)據(jù)采集時間:先隔1 min記1次，記15次;再隔2 min記1次，記15次;最后每隔5 min記1次。圖片采集時間:先隔2 min拍1次，拍15次，再每隔5 min拍1次。

實驗期間環(huán)境參數(shù)基本保持不變:溫度為16.3℃，濕度為55%。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 霜層厚度變化

圖4為豎直平板自上往下10 mm處霜層厚度隨時間變化的曲線。由此圖可知，霜層厚度變化速率在前75 min內(nèi)較大，后125 min內(nèi)變化速率很小，霜層厚度達到最厚點，并保持不變。

3.2 霜層沿豎直平板切線方向生長距離變化

圖5為霜層隨時間變化沿豎直平板切線方向生長的距離變化曲線。由此圖可知，初始(20 min內(nèi))霜層沿豎直平板切線方向速度(0.5 mm/min)很小，生長距離為10 mm;隨著時間的變化，生長速度增大到0.9 mm/min，霜層快速沿豎直平板切線方向生長，直至覆蓋整個豎直平板表面。

圖4 霜層厚度變化曲線Fig.4 Variation of frost layer’s thickness

圖5 霜層沿豎直平板切線方向生長距離變化Fig.5 Variation of frost layer’s thickness along tangent direction of vertical plate

3.3 豎直平板表面溫度變化

圖6為熱電偶1緊貼豎直平板表面時溫度隨時間的變化曲線。由于熱電偶一側(cè)緊貼豎直平板表面，其余側(cè)在濕空氣中，故熱電偶測得溫度為濕空氣與豎直平板表面的耦合溫度。隨著霜層的不斷增厚并向下生長，使?jié)窨諝庵械臏囟仍絹碓降?，熱電偶測得溫度受濕空氣的影響也越來越低。在96 min時，掉霜使溫度上升;137 min時，豎直平板表面大面積掉霜，使溫度迅速上升，繼而下降，這一時段出現(xiàn)溫度上升的反?，F(xiàn)象。

3.4 豎直平板附近濕空氣流動狀態(tài)

通過細微觀察可知，濕空氣在自然對流條件下沿著豎直平板自上往下流動為主流動，其余方向濕空氣都朝主流動方向流動，并匯入主流動中。這是由于豎直平板附近濕空氣受冷密度增加形成向下流動。

圖6 豎直平板表面溫度變化曲線Fig.6 Variation of temperature on vertical plate surface

圖7為濕空氣沿豎直平板自上往下19 mm處法線方向流動溫度隨時間變化的曲線。從此圖中可知，濕空氣有遠處流向豎直平板表面法向時，溫度不斷降低。其中熱電偶3和熱電偶4由于隨著霜層不斷地增厚，受其影響，溫度隨時間變化，不斷降低直至穩(wěn)定;熱電偶6、熱電偶7、熱電偶8和熱電偶9由于離豎直平板表面較遠(熱電偶6離豎直平板表面19 mm)，影響已不是很明顯，隨時間變化呈水平線。

圖7 沿豎直平板法線方向濕空氣溫度變化曲線Fig.7 Variation of moist air temperature towards normal direction of vertical plate

圖8為濕空氣沿豎直平板自上而下19 mm處和81 mm處切線方向溫度隨時間變化的曲線。由圖可知，濕空氣沿著豎直平板切線方向向下流動，主流動溫度逐漸降低，且隨時間變化同一位置溫度也不斷下降，這是由于霜層不斷地增厚，影響了該位置的溫度。在81 mm處熱電偶13、14、15和16測得的溫度均小于19 mm處熱電偶6、7、8和9測得的溫度，且主流動溫度的熱電偶4、11和13都隨時間變化而不斷降低。

圖8 沿豎直平板切線方向濕空氣溫度變化曲線Fig.8 Variation of moist air temperature along tangential direction of vertical plate

4 結(jié)論

在濕空氣溫度為16.3℃、相對濕度為55%、冷表面溫度為－196℃的結(jié)霜條件下，實驗結(jié)論如下:

(1)濕空氣在自然對流條件下沿著豎直平板自上往下流動為主流動，其余方向濕空氣都朝主流動方向流動，并匯入主流動中。

(2)濕空氣沿豎直平板切線方向向下流動，主流動溫度逐漸降低，且隨時間變化同一位置溫度也不斷下降;豎直平板法線方向溫度分布自遠處到豎直平板依次降低。

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