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翅片管式蒸發(fā)器超聲波除霜理論與技術(shù)研究

譚海輝1,陶唐飛1,2,徐光華1,3,萬(wàn)翔1,張?chǎng)?

濕冷地區(qū)運(yùn)行的空氣源熱泵機(jī)組,室外蒸發(fā)器經(jīng)常發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜層的生長(zhǎng)增加了蒸發(fā)器的換熱熱阻和氣流流動(dòng)阻力,使得機(jī)組的性能系數(shù)降低,運(yùn)行能耗增加,甚至出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行故障[1-2]。為了保證機(jī)組的高效運(yùn)行,需要對(duì)室外蒸發(fā)器進(jìn)行周期性除霜。已有的除霜方法要么除霜能耗高,要么系統(tǒng)的熱舒適性和可靠性低[3-4]。因此,探索一種新的、低能耗的除霜技術(shù)對(duì)提高能源利用效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義。

近年來(lái),文獻(xiàn)[5-9]在超聲波除霜、除冰方面做了大量的探索性研究,并得出了一些有工程應(yīng)用價(jià)值的試驗(yàn)性結(jié)論。然而,對(duì)于超聲的除霜機(jī)理、超聲技術(shù)在蒸發(fā)器除霜上的應(yīng)用、超聲除霜的能耗特性,以及翅片管式結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的超聲波除霜效果優(yōu)化均未作相應(yīng)的分析。

本文通過(guò)MATLAB求解蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中的頻散曲線,確定了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波類型及導(dǎo)波模態(tài),明確了結(jié)霜翅片界面處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特性,分析了超聲對(duì)不同霜層結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理。同時(shí),在恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行超聲除霜試驗(yàn),分析影響超聲除霜性能的主要因素,提出相應(yīng)的優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了空氣源熱泵無(wú)霜運(yùn)行。

1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波

圖1 超聲在自由板問(wèn)題的幾何描述

蒸發(fā)器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得在其中傳播的導(dǎo)波不斷與界面發(fā)生反射與折射的相互作用,并產(chǎn)生無(wú)數(shù)種導(dǎo)波模態(tài)[10]。為使超聲振動(dòng)能夠有效地從蒸發(fā)器銅管傳遞到翅片上,必須在蒸發(fā)器表面加裝傳振板。超聲在自由板問(wèn)題的幾何描述如圖1所示,在厚度為d的各向同性材料平板中,波動(dòng)控制為

(1)

在x3=±d/2=±h時(shí),Lamb的邊界條件為

(2)

利用勢(shì)函數(shù)法求解得到板中的Lamb波頻散方程為:

對(duì)稱模態(tài)

(3)

反對(duì)稱模態(tài)

(4)

(5)

式中:ω為角頻率;cL為縱波波速;cT為橫波波速;k為波數(shù)。

在板層中,SH模態(tài)引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)都位于平行于層面的平面中,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)沿x2方向,波的傳播方向?yàn)閤1。對(duì)于SH波的兩種模態(tài),其邊界條件為

(6)

求解得到板中SH兩種模態(tài)的頻散方程:

對(duì)稱模態(tài)

(7)

反對(duì)稱模態(tài)

(8)

在蒸發(fā)器銅管上,采用柱坐標(biāo)系分析導(dǎo)波在銅管上的傳播,其應(yīng)力自由邊界條件為

(9)

根據(jù)Helmholtz分解定律,式(1)中位移矢量u分解為標(biāo)量勢(shì)函數(shù)φ和矢量勢(shì)函數(shù)H,并代入式(1),得到

(10)

利用Hooke定律及管道邊界條件求得管中導(dǎo)波的縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻散方程

(11)

2 蒸發(fā)器中的頻散曲線

2.1 材料參數(shù)的確定

為使超聲換能器能夠方便安裝在蒸發(fā)器上,需對(duì)蒸發(fā)器加裝振動(dòng)傳遞結(jié)構(gòu),使得超聲能量能夠更多地由銅管傳遞到翅片上,以去除蒸發(fā)器表面結(jié)霜。為明確超聲在翅片管式蒸發(fā)器中的傳播特性,應(yīng)對(duì)蒸發(fā)器中存在的超聲導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行分析,明確超聲導(dǎo)波模態(tài)在不同介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化規(guī)律。在計(jì)算結(jié)霜蒸發(fā)器中的頻散曲線時(shí),輸入的材料分析參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)霜蒸發(fā)器中各材料的分析參數(shù)

2.2 頻散曲線的計(jì)算

根據(jù)理論分析,在蒸發(fā)器的翅片和傳振板中存在的導(dǎo)波類型有Lamb波和SH波,而在蒸發(fā)器銅管中,存在著扭轉(zhuǎn)、縱向和彎曲3種導(dǎo)波模態(tài)。通過(guò)在MATLAB中求解,得到蒸發(fā)器中的超聲頻散曲線如圖2～圖6所示。

(a)相速度

(b)群速度圖2 傳振板上Lamb波與SH波相速度、群速度頻散曲線

(a)相速度

(b)群速度圖3 翅片上Lamb波與SH波相速度、群速度頻散曲線

(a)相速度

(b)群速度 圖4 結(jié)霜0.75 mm翅片上Lamb波與SH波相速度、群速度頻散曲線

(a)相速度

(b)群速度圖5 銅管上扭轉(zhuǎn)模態(tài)與縱向模態(tài)相速度、群速度頻散曲線

(a)相速度

(b)群速度圖6 銅管上彎曲模態(tài)相速度、群速度頻散曲線

由圖2～圖4可知,在超聲激勵(lì)頻率小于250 kHz時(shí),蒸發(fā)器傳振板和結(jié)霜翅片上僅存在Lamb波的A0和S0兩種模態(tài)和SH波的SH0模態(tài)。對(duì)比這3種模態(tài)發(fā)現(xiàn),SH0和S0模態(tài)在頻率低于250 kHz時(shí)頻散較小,而A0模態(tài)的頻散較大。因此,應(yīng)選擇Lamb波的S0模態(tài)和SH波的SH0模態(tài)作為蒸發(fā)器除霜的主要導(dǎo)波模態(tài)。因?yàn)閷?dǎo)波在實(shí)際傳播過(guò)程中隨著傳播距離的增加,頻散較大的模態(tài)導(dǎo)波包絡(luò)線較寬,振動(dòng)幅值衰減較快,使得超聲除霜的有效面積變小。為了激勵(lì)Lamb的S0模態(tài),超聲換能器應(yīng)以傳振板中心為對(duì)稱軸,在傳振板上下表面對(duì)稱布置。對(duì)稱型S0模態(tài)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動(dòng),上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心;SH0模態(tài)是一列隨時(shí)間的諧波振動(dòng),其質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于翅片厚度方向,波的傳播方向與Lamb波相同。對(duì)比潔凈翅片和翅片表面結(jié)霜厚度為0.75 mm下的頻散曲線,結(jié)霜翅片比潔凈翅片中的模態(tài)數(shù)多,有Lamb波的A1模態(tài)和SH波的SH1模態(tài)。分析認(rèn)為,導(dǎo)波的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化較為敏感,結(jié)霜增加了翅片厚度,使得相同頻率區(qū)間內(nèi)存在的導(dǎo)波模態(tài)數(shù)增加。

由圖5、圖6可知,在超聲激勵(lì)頻率小于250 kHz時(shí),蒸發(fā)器銅管中存在扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1),縱向模態(tài)L(0,1)、L(0,2)和彎曲模態(tài)的F(1,1)、F(1,2)、F(1,3) 6種模態(tài)。其中,扭轉(zhuǎn)模態(tài)和縱向模態(tài)為軸對(duì)稱模態(tài),而彎曲模態(tài)為非軸對(duì)稱模態(tài)。扭轉(zhuǎn)模態(tài)各截面繞中心旋轉(zhuǎn),且截面軸線不發(fā)生擾動(dòng),保持不變;縱向模態(tài)是圓柱體各質(zhì)點(diǎn)作沿軸向的擴(kuò)張和收縮振動(dòng),沒(méi)有沿軸線的橫向運(yùn)動(dòng);彎曲模態(tài)是圓柱體各質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。這3種模態(tài)可分別表示為:扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,n),縱向模態(tài)L(0,m)和彎曲模態(tài)F(n,m)。其中,周向階次n為模態(tài)繞管壁螺旋式傳播形態(tài),模數(shù)m為該模態(tài)沿管道壁厚方向上的振動(dòng)。當(dāng)管道半徑與壁厚之比較大時(shí),管道表面近似于平面,此時(shí)導(dǎo)波的扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,n)相當(dāng)于平板中的SH波,縱向模態(tài)L(0,m)相當(dāng)于平板中的Lamb波;彎曲模態(tài)是圓柱體各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的橫向振動(dòng),3個(gè)位移的分量都存在,并且相互耦合,使得位移偏振矢量在三維空間(x,y,z)內(nèi)。由于不同模式導(dǎo)波在管中的位移分布、應(yīng)力分布和能量分布各不相同,因此應(yīng)選擇合適的超聲除霜模態(tài)。超聲在整個(gè)蒸發(fā)器中的傳播及導(dǎo)波的模態(tài)的轉(zhuǎn)換形式主要有:①?gòu)膫髡癜鍌鬟f到銅管上,SH波的SH0模態(tài)轉(zhuǎn)換為T(0,1)模態(tài),Lamb波的A0模態(tài)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)(0,2)模態(tài),S0模態(tài)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)(0,1)模態(tài);②從銅管傳遞到翅片上,T(0,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換為翅片上SH0模態(tài),L(0,2)模態(tài)轉(zhuǎn)換為翅片上A0模態(tài),L(0,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換為翅片上S0模態(tài)。

2.3 界面應(yīng)力分析

取結(jié)霜翅片上的微元體為研究對(duì)象,如圖7所示,y軸垂直于翅片橫截面方向,對(duì)于zy平面剪切應(yīng)力,在自由表面其值為0,而yx平面方向的剪切應(yīng)力在整個(gè)有限單元厚度上不為0。當(dāng)翅片表面結(jié)霜后,在霜層與翅片界面處同時(shí)出現(xiàn)zy和zz方向剪切應(yīng)力。zy平面剪切應(yīng)力對(duì)霜層具有剝離作用,而zz平面剪切應(yīng)力對(duì)覆冰具有破碎作用,這兩種應(yīng)力分別是由Lamb波和SH波在霜層與翅片界面處因材料之間的不同產(chǎn)生波速差所致。當(dāng)這兩種應(yīng)力的合力大于霜層的黏附應(yīng)力時(shí)霜層脫落,達(dá)到除霜目的。

(a)潔凈翅片 (b)有基礎(chǔ)霜層翅片圖7 微元體應(yīng)力分析

3 蒸發(fā)器有限元分析

3.1 仿真模型的建立

為了明確超聲在翅片管式蒸發(fā)器中的傳播特性,根據(jù)蒸發(fā)器的外部結(jié)構(gòu)尺寸,翅片厚度0.1 mm,翅片間距1.5 mm,銅管外徑7.5 mm,銅管厚度0.5 mm,銅管間距20 mm。在SolidWorks中建立蒸發(fā)器簡(jiǎn)化模型的三維實(shí)體模型,并導(dǎo)入ANSYS中得到蒸發(fā)器的有限元模型,如圖8所示。

(a)三維實(shí)體模型 (b)有限元模型圖8 蒸發(fā)器超聲除霜三維實(shí)體模型和有限元模型

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,銅管和翅片材料參數(shù)如表1所示,壓電換能器材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[11-12]中的PZT-4壓電材料參數(shù)。計(jì)算得到銅管附件翅片上308號(hào)節(jié)點(diǎn)在xy、xz平面的應(yīng)力幅值隨頻率變化的關(guān)系曲線,如圖9所示,得到的結(jié)果如圖10～圖12所示。

(a)xy平面

(b)xz平面圖9 308號(hào)節(jié)點(diǎn)在xy、xz平面的應(yīng)力幅值與頻率的關(guān)系

(a)頻率76 kHz (b)頻率115 kHz圖10 xy平面應(yīng)力云圖

(a)頻率76 kHz (b)頻率115 kHz圖11 xz平面應(yīng)力云圖

(a)xy平面 (b)xz平面圖12 頻率為115 kHz時(shí)xy、xz平面應(yīng)力云圖

由圖9可知,在不考慮阻尼和能量耗散、且在壓電片上施加400 V電壓的條件下,翅片上的308號(hào)節(jié)點(diǎn)在76 kHz和115 kHz處出現(xiàn)應(yīng)力峰值,其中xy平面的最大應(yīng)力達(dá)到21.7 MPa,xz平面的最大應(yīng)力達(dá)到14.3 MPa。查看115 kHz處兩銅管間翅片表面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值,得到的結(jié)果如表2所示。在翅片表面,超聲激發(fā)的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于冰的最大黏附應(yīng)力0.4 MPa[13]。這說(shuō)明理論上不考慮能量耗散的條件下,超聲振動(dòng)能有效除去蒸發(fā)器表面的結(jié)霜,實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器無(wú)霜運(yùn)行,提高了能源利用效率。

表2 銅管間翅片表面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值

由圖10、圖11可知,蒸發(fā)器翅片表面應(yīng)力呈橢圓狀分布,且正負(fù)應(yīng)力交替出現(xiàn)。由振型可知,翅片上出現(xiàn)了沿x、y兩個(gè)方向傳播的Lamb波的S0模態(tài),而A0模態(tài)和SH波的SH0模態(tài)不明顯。在各種導(dǎo)波模態(tài)的影響下,翅片表面的某些區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力畸變現(xiàn)象。這是因?yàn)閺?fù)雜的翅管式結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)波在銅管與翅片界面處通過(guò)反射和折射與界面發(fā)生作用,使得翅片上存在多個(gè)入射導(dǎo)波,同時(shí)入射導(dǎo)波的3種模態(tài)與翅片邊界處的反射波和折射波在翅片表面進(jìn)行疊加。因此,翅片表面某點(diǎn)的振動(dòng)是一個(gè)導(dǎo)波波群在此處疊加的總效果,所以翅片上某些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)振型的畸變。相對(duì)于翅片表面,傳振板表面的振型相對(duì)簡(jiǎn)單,存在沿z向傳播的Lamb波,并在傳振板與銅管接觸處出現(xiàn)了應(yīng)力的極值點(diǎn)。

由圖12可知,銅管上明顯存在扭轉(zhuǎn)、縱向和彎曲3種模態(tài),而且可以清楚看到縱向模態(tài)的對(duì)稱特性。銅管的最大振幅和最大應(yīng)力均出現(xiàn)在銅管中間部位,這是因?yàn)樵诠芏耸┘恿诉吔缂s束。從整個(gè)有限元分析結(jié)果來(lái)看,所得結(jié)果與蒸發(fā)器頻散曲線數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。

3.3 換能器不同形狀及布置方式分析

為優(yōu)化超聲除霜效果,本文對(duì)不同形狀及安裝方式的換能器進(jìn)行了對(duì)比分析,建立的三維有限元模型如圖13所示。

(a)換能器垂直于翅片 (b)換能器平行于翅片圖13 換能器不同形狀及不同安裝方式下的有限元模型

通過(guò)對(duì)不同形狀、不同布置方式換能器進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)換能器形狀和安裝位置發(fā)生變化時(shí),超聲除霜的最優(yōu)頻率也發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)比圖9、圖14和圖15可知,在頻率小于100 kHz時(shí),采用圓片狀壓電換能器能夠產(chǎn)生較大的界面剪切應(yīng)力。同時(shí),對(duì)比每種最優(yōu)除冰頻率所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),翅片表面剪切應(yīng)力大致呈橢圓狀分布,翅片出現(xiàn)以Lamb波S0模態(tài)的波浪狀變化,正負(fù)應(yīng)力交替出現(xiàn),而在翅片表面的某些特定區(qū)域,出現(xiàn)應(yīng)力的突變。分析認(rèn)為,Lamb波和SH波經(jīng)過(guò)翅片邊界及翅片與銅管界面處的反射和折射,在翅片表面形成疊加。在特定區(qū)域內(nèi),耦合產(chǎn)生的應(yīng)力呈非線性,在局部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的突變。當(dāng)條狀壓電換能器與翅片表面平行布置時(shí),在銅管上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力以兩條銅管間的中心線為對(duì)稱,應(yīng)力分布較為規(guī)則。綜合以上考慮,為方便蒸發(fā)器的加工和換能器的安裝,建議采用最優(yōu)頻率較低的圓片狀壓電換能器,布置方式應(yīng)與翅片表面平行,類似于圖13b。

(a)xy平面

(b)xz平面 圖14 條狀壓電換能器xy、xz平面應(yīng)力幅值與頻率的關(guān)系

4 蒸發(fā)器除霜試驗(yàn)

通過(guò)以上分析,當(dāng)超聲激勵(lì)頻率小于200 kHz時(shí),超聲經(jīng)傳振板、銅管、翅片與霜層界面,在翅片表面主要激發(fā)了Lamb波的S0和SH波的SH0兩種模態(tài)。這兩種模態(tài)在翅片與霜層界面處產(chǎn)生破碎和剪切兩種應(yīng)力,如果這兩種應(yīng)力能克服霜層的黏附應(yīng)力,就能實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵的無(wú)霜運(yùn)行。為驗(yàn)證這一假設(shè),在焓差室中搭建超聲除霜試驗(yàn)系統(tǒng),如圖16所示。

試驗(yàn)對(duì)象為海信3.0 P定頻空調(diào),室外側(cè)蒸發(fā)器由5個(gè)循環(huán)回路組成,整個(gè)蒸發(fā)器為雙層L型結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制焓差室內(nèi)的干濕球溫度來(lái)控制室內(nèi)溫度和濕度,試驗(yàn)在干球溫度為-10 ℃的室外側(cè)進(jìn)行,在機(jī)組運(yùn)行1 h后,以未施加超聲的結(jié)霜蒸發(fā)器為參照對(duì)象,觀察施加超聲振動(dòng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況,如圖17所示。

(a)xy平面

(b)xz平面 圖15 換能器垂直銅管布置的xy、xz平面應(yīng)力幅值與頻率的關(guān)系

(a)焓差室室外結(jié)霜側(cè)

(a)加超聲正面除霜 (b)加超聲側(cè)面除霜

(c)加超聲底面的霜 (d)未加超聲正面結(jié)霜圖17 蒸發(fā)器在施加和未施加超聲下的結(jié)霜圖

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),施加超聲后,掉落的霜晶體在蒸發(fā)器底下形成了霜堆,翅片表面基本無(wú)結(jié)霜。在蒸發(fā)器表面某些特定區(qū)域內(nèi),有少量霜球形成,通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),霜晶體在掉落過(guò)程中被此處生長(zhǎng)的霜晶體捕獲,在表面形成搭接結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移,不斷有霜晶體被捕獲,最后形成霜球。

分析認(rèn)為,翅片管式蒸發(fā)器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得超聲在傳播的過(guò)程中,聲波的疊加在蒸發(fā)器表面形成多個(gè)駐點(diǎn),霜晶體在駐點(diǎn)處受超聲激勵(lì)的影響較小,使得霜晶體快速生長(zhǎng)形成霜球。觀察整個(gè)蒸發(fā)器的結(jié)霜情況,在額定功率為50 W的單個(gè)超聲換能器作用下,整個(gè)蒸發(fā)器表面1/3部分無(wú)結(jié)霜,即單個(gè)超聲換能器的有效除霜面積約為0.16 m2。霜晶體未除掉區(qū)域是因?yàn)槌曉趯?shí)際的傳播過(guò)程中存在能量的衰減,在傳播一定距離后,超聲波在翅片表面的能量低于除霜所需的最低能量。綜合優(yōu)化超聲加載模式、布置方式及頻率選擇后,超聲能夠?qū)崿F(xiàn)高效、節(jié)能除霜。

在前期研究中發(fā)現(xiàn),使用間歇式的超聲加載模式比連續(xù)的超聲加載模式除霜效果更好。對(duì)于傳統(tǒng)的逆向除霜技術(shù),整個(gè)除霜過(guò)程包括翅片表面霜晶體的融化和翅片表面殘留液滴的蒸干。按照文獻(xiàn)[14-15]的結(jié)論,一個(gè)完整的逆向除霜過(guò)程耗時(shí)大約10 min,而我們所采用的超聲加載模式有4種:加載10 s,停50 s;加載10 s,停110 s;加載10 s,停170 s;加載10 s,停230 s。以海信3.0P空調(diào)為例,額定功率為2.2 kW,冬季一般2 h逆向除霜一次,則其2 h除霜能耗為1 320 kJ,而超聲在間歇50 s,工作10 s模式下工作2 h的除霜能耗為60 kJ。依次類推,間歇110 s,工作10 s的除霜能耗為30 kJ,間歇170 s,工作10 s的除霜能耗為20 kJ,間歇230 s,工作10 s的除霜能耗為15 kJ。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)逆除霜技術(shù)是超聲除霜能耗的22～88倍,按照超聲有效除霜面積約為整個(gè)蒸發(fā)器面積的1/3,則整個(gè)除霜過(guò)程中,超聲除霜效率約為逆向除霜效率的7～29倍。因此,該技術(shù)有望替代已有的除霜技術(shù),可以解決各領(lǐng)域有關(guān)除霜、除冰難題,實(shí)現(xiàn)換熱器高效、低能耗除霜,解決熱除霜所帶來(lái)的溫度波動(dòng)和能耗高等問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文對(duì)翅片管式蒸發(fā)器的超聲除霜理論和技術(shù)進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上得出以下結(jié)論。

(1)超聲在翅片管式蒸發(fā)器中傳播時(shí),當(dāng)超聲激勵(lì)頻率小于250 kHz時(shí),導(dǎo)波從傳振板經(jīng)兩次模態(tài)轉(zhuǎn)化傳遞到翅片上,最終翅片上存在Lamb波的A0和S0模態(tài)以及SH波的SH0模態(tài),這兩種類型的波在翅片與霜層界面處產(chǎn)生破碎和剪切兩種應(yīng)力。

(2)通過(guò)對(duì)不同形狀、不同安裝方式的換能器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn),翅片上振動(dòng)以Lamb波的S0模態(tài)為主,而銅管上明顯存在扭轉(zhuǎn)、縱向和彎曲3種模態(tài),且可以清楚看到縱向模態(tài)的對(duì)稱特性。這一結(jié)果與理論分析結(jié)果和超聲頻散曲線計(jì)算結(jié)果完全吻合。

(3)整個(gè)蒸發(fā)器中存在著3種導(dǎo)波模態(tài)的轉(zhuǎn)化形式,分別為傳振板上SH波的SH0模態(tài)→銅管上的T(0,1)模態(tài)→翅片上SH波的SH0模態(tài);傳振板上Lamb波的S0、A0模態(tài)→銅管上的L(0,1)、L(0,2)模態(tài)→翅片上Lamb波的S0、A0模態(tài)。

(4)超聲除霜試驗(yàn)表明:超聲波能夠除掉蒸發(fā)器表面一定區(qū)域內(nèi)的結(jié)霜,其除霜能耗是傳統(tǒng)逆除霜技術(shù)能耗的1/88到1/22,其除霜效率是逆向除霜效率的7～29倍。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對(duì)傳統(tǒng)逆除霜技術(shù)能耗高、熱舒適度差的問(wèn)題,研究應(yīng)用于翅片管式蒸發(fā)器的超聲波除霜新技術(shù)。結(jié)合MATLAB數(shù)值求解方法與有限元壓電結(jié)構(gòu)耦合仿真方法,分析蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中的頻散曲線,確定蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波類型、模態(tài)及導(dǎo)波傳播特性,并將超聲頻散曲線分析結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明,在激勵(lì)頻率小于250 kHz時(shí),蒸發(fā)器翅片上存在Lamb波的A0和S0模態(tài)以及SH波的SH0模態(tài),Lamb波在翅片與霜層界面處激發(fā)破碎應(yīng)力,SH波激發(fā)剪切應(yīng)力;翅片上振動(dòng)以Lamb波的S0模態(tài)為主,銅管上可以清楚看到對(duì)稱的縱向模態(tài),有限元仿真結(jié)果與頻散曲線分析結(jié)果完全吻合;超聲除霜試驗(yàn)與能耗分析結(jié)果表明,超聲除霜能耗不到傳統(tǒng)逆除霜能耗的1/22,除霜效率至少提高了7倍,是一種高效、低能耗的翅管式換熱器除霜新技術(shù)。

頻散曲線;超聲導(dǎo)波;界面應(yīng)力;超聲波除霜;翅片管式蒸發(fā)器

Ultrasonic Defrosting Theory and Technology for Finned-Tube Evaporator

TAN Haihui1,TAO Tangfei1,2,XU Guanghua1,3,WAN Xiang1,ZHANG Xin1

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Aiming at the high energy consumption, low thermal comfort of traditional reverse cycle defrosting technology, a new ultrasonic defrosting technology for finned-tube evaporator, is investigated. Combining the MATLAB numerical method with the finite element analysis method of piezoelectric-structure coupling simulation, the dispersion curve in the evaporator structure is analyzed and the type, mode and transmission characteristics of ultrasonic wave in the evaporator structure are determined. The ultrasonic frequency dispersion curve analysis results and finite element simulation results are compared. It is found that the A0 and S0 mode of Lamb wave and SH0 mode of SH wave exist in the fin when the excitation is less than 250 kHz, and the crushing stress and the shear stress at the interface between fin and frost layer are excited by Lamb wave and SH wave, respectively. The vibration mode in the fin is primarily the S0 mode of Lamb wave, the symmetrical longitudinal mode obviously appears in the tube, and the finite element simulation results coincide well with the calculation results of ultrasonic dispersion curve. The ultrasonic defrosting experiments and energy consumption analysis indicates that the ultrasonic defrosting energy consumption is less than 1/22 of the traditional reverse cycle defrosting and the defrosting efficiency is improved more than 7 times.

dispersion curve; ultrasonic guided wave; interface stress; ultrasonic defrosting; finned-tube evaporator

2015-02-13。 作者簡(jiǎn)介:譚海輝(1984—),男,博士生;徐光華(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012k09-16)。

時(shí)間:2015-07-10

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150710.1032.003.html

10.7652/xjtuxb201509018

TB65

A

0253-987X(2015)09-0105-09