張志，賈少波，謝偉，盧大杰

（1-西克制冷（無(wú)錫）有限公司，江蘇無(wú)錫 214028；2-雷諾士全球有限公司，美國(guó)）

蒸發(fā)器盤(pán)管結(jié)霜特性的實(shí)驗(yàn)研究

張志*1，賈少波2，謝偉1，盧大杰1

（1-西克制冷（無(wú)錫）有限公司，江蘇無(wú)錫 214028；2-雷諾士全球有限公司，美國(guó)）

本文在不同結(jié)霜工況下對(duì)蒸發(fā)器盤(pán)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(duì)濕度、盤(pán)管表面溫度和驅(qū)動(dòng)溫度三種控制因素對(duì)盤(pán)管結(jié)霜特性的影響，得出了盤(pán)管空氣側(cè)的壓力降、制冷量在結(jié)霜過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以及空氣進(jìn)出口側(cè)的結(jié)霜情況、盤(pán)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(duì)蒸發(fā)器盤(pán)管的結(jié)霜性能有不同程度的影響。較低的相對(duì)濕度，較高的盤(pán)管表面溫度，較低的驅(qū)動(dòng)溫度都可抑制霜層的生長(zhǎng)。為以后的結(jié)霜性能研究提供了較好的研究經(jīng)驗(yàn)。

蒸發(fā)器盤(pán)管；結(jié)霜特性；控制因素；實(shí)驗(yàn)研究

0 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(jiàn)的問(wèn)題之一，結(jié)霜現(xiàn)象對(duì)換熱系統(tǒng)都會(huì)造成一定的危害，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)結(jié)霜問(wèn)題都曾做過(guò)大量研究，主要通過(guò)以下三個(gè)方面對(duì)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(duì)霜層生長(zhǎng)的厚度、密度和晶體形態(tài)等的研究。

結(jié)霜對(duì)系統(tǒng)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(duì)濕度和空氣風(fēng)速對(duì)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(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。其他學(xué)者[8-9]通過(guò)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(duì)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(shí)低位熱源供給熱量不足的問(wèn)題。抑霜主要通過(guò)改變冷表面特性、外加電場(chǎng)（磁場(chǎng)）、盤(pán)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(guò)外加電場(chǎng)（磁場(chǎng)）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(guò)程。此外，近年來(lái)學(xué)者們[12-13]對(duì)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(shí)機(jī)，減少化霜所需要的時(shí)間及能量。

本文基于作者早期對(duì)蒸發(fā)器盤(pán)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(duì)濕度、盤(pán)管表面溫度、驅(qū)動(dòng)溫度三種控制因素對(duì)盤(pán)管結(jié)霜特性的影響，得出了盤(pán)管空氣側(cè)的壓力降和制冷量在結(jié)霜過(guò)程中動(dòng)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(pán)管的霜層分布的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為我們?cè)O(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(jiàn)表1。

圖1 LET090冷風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

表1 LET090冷風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)工況

在3種工況下，分別控制空氣的相對(duì)濕度（Relative humidity，RH）為55%、75%、90%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。觀察相對(duì)濕度對(duì)盤(pán)管結(jié)霜性能影響的實(shí)驗(yàn)是在工況1下，相對(duì)濕度分別控制在57%、74%、87%，考察相對(duì)濕度對(duì)盤(pán)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(pán)管表面溫度對(duì)盤(pán)管的結(jié)霜特性影響是在對(duì)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(duì)濕度對(duì)盤(pán)管結(jié)霜特性的影響

在工況1下隨著結(jié)霜過(guò)程的進(jìn)行，盤(pán)管空氣側(cè)壓降的變化見(jiàn)圖2。

圖2 工況1下空氣側(cè)壓降隨結(jié)霜時(shí)間的變化

從圖2可知在不同相對(duì)濕度（57%、74%、87%）下，盤(pán)管壓力降（風(fēng)量損失）也會(huì)有較大的不同。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中觀察到，最大的壓降發(fā)生在停機(jī)之前；相對(duì)濕度越高，結(jié)霜速度越快。

在空氣進(jìn)口側(cè)（如圖3），相對(duì)濕度較低時(shí)（55%）沒(méi)有發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象；當(dāng)相對(duì)濕度在75%時(shí)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到7 h，盤(pán)管上有部分結(jié)霜；當(dāng)相對(duì)濕度在90%時(shí)，實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行到2 h，盤(pán)管上已全部結(jié)霜。在空氣出口側(cè)（如圖4）盤(pán)管的結(jié)霜量沒(méi)有空氣進(jìn)口側(cè)結(jié)霜量受相對(duì)濕度的影響明顯，但當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí)，盤(pán)管上也有部分結(jié)霜。

圖3 工況1下不同相對(duì)濕度時(shí)空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

圖4 工況1下不同相對(duì)濕度時(shí)空氣出口側(cè)的結(jié)霜情況

從圖5可見(jiàn)，55%RH時(shí)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(shí)結(jié)霜較快，阻礙了濕空氣的進(jìn)入。

圖5 工況1下不同RH每排管排的結(jié)霜

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

圖6 工況1下不同RH時(shí)制冷量隨結(jié)霜時(shí)間的變化

2.2 盤(pán)管表面溫度對(duì)盤(pán)管結(jié)霜特性的影響

在蒸發(fā)器盤(pán)管中，空氣溫度Tair>露點(diǎn)溫度Tdew>盤(pán)管表面溫度Tcoil>蒸發(fā)溫度TSST，溫差ΔT（空氣溫度和盤(pán)管表面溫度之差ΔT=Tair-Tcoil）、DF（盤(pán)管表面溫度與露點(diǎn)溫度之差DF=Tdew-Tcoil）、TD，其中DF為驅(qū)動(dòng)溫差。通過(guò)工況1和工況2的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了Tcoil對(duì)盤(pán)管結(jié)霜特性的影響。

圖7 工況2下空氣側(cè)的壓降隨結(jié)霜時(shí)間的變化

工況1比工況2的室溫低，相同的TD說(shuō)明工況1的Tcoil也比工況2的低。對(duì)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(shuō)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。

圖8 工況1、2下空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

對(duì)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(wú)法進(jìn)入盤(pán)管而造成工況1的管排總結(jié)霜量遠(yuǎn)小于工況2。

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

圖9 工況2下不同RH時(shí)每排管排的結(jié)霜量

圖10 工況2下制冷量隨著結(jié)霜時(shí)間的變化

2.3 空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差對(duì)盤(pán)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(guò)對(duì)比分析工況2和工況3盤(pán)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(shí)空氣側(cè)壓力降（風(fēng)量損失）也較小；在75%RH下，較小的TD時(shí)不會(huì)結(jié)霜。

圖11 工況3下空氣側(cè)的壓降隨著結(jié)霜時(shí)間的變化

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

圖12 工況2、3下空氣進(jìn)口側(cè)的結(jié)霜情況

圖13 工況3下每排管排的結(jié)霜量

圖14和圖10說(shuō)明當(dāng)TD較低時(shí)，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(pán)管換熱面積。

圖14 工況3下制冷量隨著結(jié)霜時(shí)間的變化

3 結(jié)論

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

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

3） 控制結(jié)霜方面：用較小的TD來(lái)減緩結(jié)霜（需要較大的盤(pán)管換熱面積）；及時(shí)檢測(cè)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(pán)管設(shè)計(jì)和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。

[1] 路偉鵬, 王偉, 李林濤, 等. 不同表面浸潤(rùn)性對(duì)除霜過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 26-31.

[2] 吳曉敏, 李瑞霞, 王維城. 強(qiáng)制對(duì)流條件下結(jié)霜現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2006, 46(5): 682-686.

[3] QIN H J, LI W Z, DONG B, et al. Experimental study of the characteristic of frosting on low-temperature air cooler[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 55: 106-114.

[4] 張勝昌, 江挺候, 康志軍, 等. 換熱器結(jié)霜和化霜研究進(jìn)展[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(2): 33-36.

[5] 范晨, 梁彩華, 江楚遙, 等. 空氣源熱泵結(jié)霜/除霜特性的數(shù)值模擬[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 18-25.

[6] 姚楊, 姜益強(qiáng), 馬最良. 翅片管換熱器結(jié)霜時(shí)霜密度和厚度的變化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2003, 24(6): 1040-1042.

[7] 羅超, 黃興華, 陳江平. 翅片管蒸發(fā)器結(jié)霜過(guò)程動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)械, 2008, 26(3):5-9.

[8] 龔建英, 袁秀玲. 結(jié)霜工況風(fēng)量對(duì)風(fēng)冷熱泵性能影響的研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2010, 38(9): 65-68.

[9] DENG D, XU L, XU S. Experimental investigation on the performance of air cooler under frosting conditions[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(7): 905-912.

[10] 韓志濤. 空氣源熱泵常規(guī)除霜與蓄能除霜特性實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[11] 劉中良, 黃玲艷, 勾昱君, 等. 結(jié)霜現(xiàn)象及抑霜技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2010, 31(4): 1-13.

[12] 劉昌豐, 韓獻(xiàn)軍, 于志強(qiáng). NH3/CO2制冷系統(tǒng)熱氣融霜實(shí)驗(yàn)研究及解決方案[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(3): 39-41.

[13] 許東晟, 陳汝?yáng)|. 除霜和除霜控制研究[J]. 流體機(jī)械, 2006, 34(1): 69-73.

Experimental Study of Frost Formation Characteristics on Evaporator Coil

ZHANG Zhi*1, JIA Shao-bo2, XIE Wei1, LU Da-jie1
（1-Heatcraft Refrigeration (Wuxi) Co., LTD., Wuxi, Jiangsu 214000, China; 2-Lennox Global LTD., USA）

Frosting characteristics on evaporator coil were experimentally studied in various frosting cases. The effects of three controlling factors, air relative humidity, coil surface temperature and driven temperature, on the frosting characteristics were investigated. The dynamic variations of the air pressure drop over the coil and cooling capacity during the frosting were obtained. The frost distributions at the air inlet and outlet and the coil were presented. The experimental results show that the three controlling factors have distinct effects on the frosting characteristics. The lower relative humidity, higher coil surface temperature and lower driven temperature inhibit the frost growth. The study provides experiences for future frosting characteristics research.

Evaporator coil; Frosting characteristics; Controlling factor; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.107

*張志（1981-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷設(shè)備設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：江蘇省無(wú)錫市新加坡工業(yè)園區(qū)新都路12號(hào)，郵編：214028。聯(lián)系電話：0510-85282020-230。Email：zhi.zhang@heatcraft.com.cn