馬建軍，劉海燕

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室采用翅片管式換熱器對(duì)空氣進(jìn)行直接溫度處理[1-2]，可實(shí)現(xiàn)極端溫度范圍為-55～+74 ℃，換熱器采用液態(tài)載冷劑作為冷媒。在低溫環(huán)境下還要進(jìn)行降雪、凍霧、凍雨等低溫高濕試驗(yàn)，這將導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜。在結(jié)霜早期，由于霜層的形成增加了傳熱表面的粗糙度以及換熱面積，使總換熱系數(shù)有所增加。隨著霜層厚度和導(dǎo)熱熱阻逐漸增加，風(fēng)側(cè)阻力增大，總換熱系數(shù)降低[3]。若不及時(shí)除霜將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室溫度失控，甚至導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。除霜的方式[4-5]可概括為兩種：抑制結(jié)霜和主動(dòng)融霜。抑制結(jié)霜技術(shù)手段主要包括通過(guò)降低來(lái)流濕度、表面改性等被動(dòng)手段來(lái)抑霜，利用外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波等主動(dòng)手段抑霜。以上抑霜手段推遲了結(jié)霜發(fā)生的時(shí)間或減小結(jié)霜速度，并不能完全避免結(jié)霜。換熱器結(jié)霜后，還須采取措施進(jìn)行融霜。目前針對(duì)換熱器的融霜研究主要集中在制冷劑直膨式蒸發(fā)器的融霜，有多種成熟手段[6-12]，如電加熱融霜、反向循環(huán)熱氣融霜、液體冷媒融霜、基于能量存儲(chǔ)的旁通融霜等。對(duì)于采用液體冷媒的超低溫?fù)Q熱器的除霜缺乏研究。

1 換熱器除霜方案設(shè)計(jì)

為將空氣處理至極端低溫，通常需要兩套或多套適用溫度不同的換熱器，不同的換熱器內(nèi)充注適用溫度不同的載冷劑，如圖 1所示。中溫?fù)Q熱器用于-25 ℃以上的工況，低溫?fù)Q熱器用于-25～-55 ℃的工況。由于實(shí)驗(yàn)室溫度低至-55 ℃，且有低溫高濕的試驗(yàn)工況，換熱器的結(jié)霜將很嚴(yán)重，若頻繁進(jìn)行融霜，勢(shì)必會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室溫度穩(wěn)定性。因此，換熱器的除霜將從兩方面考慮：一是采取措施抑制結(jié)霜，降低結(jié)霜的影響，避免頻繁進(jìn)行融霜；二是設(shè)計(jì)融霜系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)換熱器進(jìn)行融霜。

低溫工況下，換熱器首先在迎風(fēng)面開始結(jié)霜，在風(fēng)道內(nèi)增加一臺(tái)“結(jié)霜換熱器”，置于主換熱器前面，對(duì)來(lái)流空氣進(jìn)行預(yù)除濕，進(jìn)而降低主換熱器的結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)，保證主換熱器的換熱能力。結(jié)霜換熱器為變翅片間距換熱器，迎風(fēng)面片距較大，背風(fēng)面片距較小。這種結(jié)構(gòu)可以保證即使迎風(fēng)面結(jié)霜嚴(yán)重也不會(huì)阻塞空氣流通[13]，提高系統(tǒng)對(duì)結(jié)霜的耐受度，避免頻繁停機(jī)融霜。

隨著換熱器結(jié)霜越來(lái)越嚴(yán)重，空氣流通面積會(huì)越來(lái)越小，阻力會(huì)越來(lái)越大，因此還需要采取措施對(duì)換熱器進(jìn)行融霜?？衫谜羝鳛闊嵩矗O(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)，在合適時(shí)機(jī)對(duì)換熱器進(jìn)行加熱融霜。第一種融霜方案是增設(shè)一套冷媒旁路循環(huán)，串聯(lián)一臺(tái)蒸汽加熱器，如圖2所示。需要進(jìn)行融霜時(shí)，關(guān)閉主路閥門K1和風(fēng)閥F1、F2，打開旁路閥門K2，開啟循環(huán)泵和蒸汽加熱器，通過(guò)循環(huán)加熱換熱器內(nèi)的冷媒，進(jìn)而加熱換熱器，對(duì)換熱器進(jìn)行加熱融霜。稱這種對(duì)換熱器由內(nèi)及外加熱的方式為內(nèi)融霜方案。

第二種融霜方案是增設(shè)一套空氣旁路循環(huán)，串聯(lián)一臺(tái)蒸汽加熱器，如圖3所示。需要進(jìn)行融霜時(shí)，關(guān)閉主路風(fēng)閥F1、F2，打開旁路風(fēng)閥F3、F4，啟動(dòng)蒸汽加熱器和旁路風(fēng)機(jī)，將換熱器段的空氣循環(huán)加熱，對(duì)換熱器進(jìn)行熱空氣吹掃融霜。稱這種對(duì)換熱器由外及內(nèi)加熱的方式為外融霜方案。

2 除霜方案實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室空氣處理機(jī)組的運(yùn)行原理和除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，搭建了融霜試驗(yàn)平臺(tái)，如圖

4所示。對(duì)結(jié)霜換熱器的功能和內(nèi)、外融霜方案的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括以下部分。

1）冷水機(jī)組：為單級(jí)壓縮制冷機(jī)組，通過(guò)蒸發(fā)器冷卻冷媒，為系統(tǒng)提供冷源。

2）閉式水箱：為冷媒循環(huán)提供穩(wěn)定的壓力，冷媒為SH-60。

3）變頻循環(huán)水泵：驅(qū)動(dòng)冷媒在管道和換熱器內(nèi)流動(dòng)，泵的流量為16 m3/h。實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)渦輪流量計(jì)來(lái)控制流量，使得換熱器管內(nèi)載冷劑流速與設(shè)計(jì)值1.33 m/s保持一致。

4）管道電加熱器：加熱功率為20 kW，對(duì)冷媒進(jìn)行加熱。為方便搭建系統(tǒng)，在此以電加熱器代替蒸氣加熱器作為熱源，不影響試驗(yàn)結(jié)果。

5）變頻循環(huán)風(fēng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)空氣流過(guò)換熱器，風(fēng)機(jī)功率為5 kW，風(fēng)量為14 800 m3/h，使換熱器迎面風(fēng)速與設(shè)計(jì)值3.93 m/s一致。

6）輔助電加熱器：加熱功率為15 kW，對(duì)空氣加熱，以電加熱代替蒸汽加熱，不影響試驗(yàn)結(jié)果。

7）干蒸汽加濕器：對(duì)空氣進(jìn)行加濕，濕空氣遇到低溫?fù)Q熱器結(jié)霜。

8）換熱器試件：換熱器的迎風(fēng)面尺寸為1200 mm×800 mm，為變片距換熱器，材質(zhì)為銅管鋁翅片，一共10排，尺寸分別為3R24 mm+3R12 mm+4R8 mm。銅管外徑為16.6 mm，翅片厚度為0.3 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)室-5 ℃左右的凍雨試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室中的濕度最大，換熱器表面最易結(jié)霜，因此主要進(jìn)行了-5 ℃的結(jié)霜和除霜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)階段，第一階段是換熱器結(jié)霜，第二階段進(jìn)行換熱器內(nèi)融霜或外融霜，各階段的實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）換熱器結(jié)霜：打開閥門1、2、4、5，關(guān)閉閥門3；開啟循環(huán)水泵、制冷機(jī)組、循環(huán)風(fēng)機(jī)；觀察載冷劑溫度及艙內(nèi)空氣溫度；待空氣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度-5 ℃后，開啟干蒸汽加濕器向艙內(nèi)送入蒸汽，換熱器結(jié)冰，待換熱器兩側(cè)的壓差ΔP增加值達(dá)到300 Pa后，關(guān)閉加濕器，結(jié)霜完成。

2）換熱器內(nèi)融霜：關(guān)閉風(fēng)機(jī)，關(guān)閉閥門1、2，打開閥門3，切換到全旁通狀態(tài)；將管道電加熱投入，加熱功率為 20 kW，對(duì)冷媒進(jìn)行加熱，切換到內(nèi)融霜模式；觀察并記錄融霜過(guò)程中霜的變化及冷媒溫度的變化，直至融霜完成。

3）外融霜：關(guān)閉閥門4、5或停止循環(huán)水泵，使載冷劑停止流動(dòng)；開啟空氣輔助電加熱，加熱功率為15 kW，連同風(fēng)機(jī)5 kW電功率，加熱功率一共20 kW，與內(nèi)融霜加熱功率相同，切換到外融霜模式；觀察并記錄融霜過(guò)程中霜的變化及空氣溫度的變化，直到融霜完成。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

換熱器的結(jié)霜狀態(tài)如圖 5所示，迎風(fēng)面片距較大，為24 mm，背風(fēng)面片距為8 mm。在迎風(fēng)面結(jié)霜嚴(yán)重，霜層厚度約2 mm，背風(fēng)面輕度結(jié)霜，僅有小冰晶出現(xiàn)，結(jié)霜情況對(duì)空氣流通影響不大?？梢娮兤嘟Y(jié)構(gòu)的結(jié)霜換熱器可有效預(yù)先對(duì)來(lái)流空氣進(jìn)行除濕，降低后續(xù)換熱器的結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)，保證換熱性能。

外融霜模式下霜的狀態(tài)變化如圖 7所示。當(dāng)空氣溫度上升至0 ℃后，霜開始融化。不同于內(nèi)融霜，外融霜模式下翅片和管表面的霜幾乎同時(shí)開始融化，但融霜速度比內(nèi)融霜要慢得多，需要 2倍的時(shí)間才能完全融化，且產(chǎn)生大量的水滴附著在換熱器表面。

造成內(nèi)融霜速率高于外融霜的原因主要有兩點(diǎn)：一是液體冷媒的熱傳導(dǎo)性能遠(yuǎn)高于空氣，與管壁間的換熱系數(shù)更高，加熱功率相同的情況下，冷媒的溫度響應(yīng)更快。二是內(nèi)融霜的能量利用率更高，內(nèi)融霜投入的加熱量除用于冷媒、換熱器的升溫外，其余用于融霜，基本不會(huì)對(duì)周圍空氣產(chǎn)生影響；而外融霜投入的加熱量首先加熱空氣，隨后用于融霜，為徹底融霜，還須進(jìn)一步加熱換熱器和冷媒以使換熱器表面溫度高于 0 ℃。同時(shí)外融霜過(guò)程中，空氣的相對(duì)濕度一直保持在95%左右，這表明還有一部分熱量被用于水蒸發(fā)引起的潛熱。

圖 8顯示了內(nèi)融霜模式下冷媒進(jìn)出口溫度和外融霜模式下空氣進(jìn)出口溫度的變化趨勢(shì)，相同加熱功率下，冷媒的升溫速率明顯高于空氣的升溫速率。

內(nèi)融霜和外融霜完畢后，均有大量的水滴附著在換熱器表面，若不將水滴清除，再次降溫過(guò)程中，水滴將再次凝結(jié)成冰，因此融霜結(jié)束后需要去除換熱器表面的水。實(shí)驗(yàn)同時(shí)研究了除水方法，在內(nèi)融霜完畢后，繼續(xù)加熱冷媒，將水加熱蒸發(fā)，同時(shí)開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹掃，將水蒸氣排出試驗(yàn)箱。這種方法可以在20 min內(nèi)將換熱器表面的水完全去除。

3 結(jié)果應(yīng)用

為了提高系統(tǒng)的可靠性、可控性和冗余度，氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的空氣處理系統(tǒng)通常由兩套以上的獨(dú)立機(jī)組構(gòu)成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，融合結(jié)霜換熱器、內(nèi)融霜和外融霜的特性，設(shè)計(jì)了適用于采用載冷劑為冷媒的換熱器的除霜系統(tǒng)方案，如圖9所示。

為了避免單套機(jī)組由于融霜而完全停機(jī)，將機(jī)組分成了兩個(gè)獨(dú)立的通道，兩個(gè)通道不同時(shí)融霜，每種冷媒各設(shè)計(jì)了一套內(nèi)融霜系統(tǒng)。為降低融霜后換熱器表面的附著水量以減少除水時(shí)間，可對(duì)換熱器表面進(jìn)行處理，形成疏水層[15-17]，并在融霜結(jié)束后繼續(xù)加熱載冷劑，使水蒸發(fā)，同時(shí)使用室外新風(fēng)吹掃換熱器，徹底除水。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)換熱器前后壓差ΔP的變化來(lái)判斷是否需要進(jìn)行融霜?？蓪?duì)單個(gè)或多個(gè)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行融霜，靈活配置，以適應(yīng)不同的試驗(yàn)需求。目前該除霜系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。

若不具備大功率加熱的能力，可對(duì)上述融霜系統(tǒng)稍加改進(jìn)，成為基于能量存儲(chǔ)的融霜系統(tǒng)，如圖 10所示。在融霜系統(tǒng)中串聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)液罐，并增加一個(gè)冷媒加熱內(nèi)循環(huán)。不需要融霜時(shí)，關(guān)閉K2，打開K1，將儲(chǔ)液罐及一部分管道內(nèi)的冷媒循環(huán)加熱至設(shè)定溫度，將熱量存儲(chǔ)起來(lái)。需要融霜時(shí)關(guān)閉K1、打開K2將已經(jīng)存儲(chǔ)的熱量送入換熱器進(jìn)行融霜。因此，只需要小功率的加熱源就可滿足融霜需要，如電甚至壓縮機(jī)的排熱。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)結(jié)霜換熱器、內(nèi)融霜方案和外融霜方案的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1）變片距結(jié)霜換熱器能夠有效對(duì)來(lái)流空氣預(yù)除濕，提前結(jié)霜，降低后續(xù)主換熱器的結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)，保證換熱性能。

2）內(nèi)融霜和外融霜均能對(duì)換熱器進(jìn)行融霜，內(nèi)融霜效果最好。

3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套采用蒸汽為熱源、內(nèi)融霜為主、新風(fēng)吹掃為輔的適用于以載冷劑為冷媒的換熱器的除霜系統(tǒng)方案，已成功應(yīng)用于大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室空氣處理系統(tǒng)。