李冬梅,馬建軍

（中國飛機強度研究所,西安 710065）

前言

在氣候?qū)嶒炇疫M(jìn)行飛機發(fā)動機低溫起動試驗時，根據(jù)試驗要求，需向環(huán)境室內(nèi)補充流量高達(dá)400 kg/s的0～-55 ℃的低溫氣體。這些低溫氣體是室外空氣經(jīng)由換熱器多級換熱后生成的。當(dāng)室外空氣流經(jīng)低溫?fù)Q熱器時必將造成換熱器表面結(jié)霜，而霜的形成會對換熱器的換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響，當(dāng)結(jié)霜達(dá)到一定程度，換熱系統(tǒng)運行效率將大大降低，進(jìn)而影響試驗系統(tǒng)的正常工作，因此有必要進(jìn)行除霜操作以保證試驗持續(xù)性。

通過研究，在換熱器結(jié)霜早期，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)呈增長趨勢。隨著霜層厚度δ繼續(xù)增大，導(dǎo)熱熱阻也將增加，風(fēng)側(cè)阻力逐漸增大，總換熱系數(shù)開始降低。這時就要開始對換熱器除霜，以保持實驗室溫度始終處于可控狀態(tài)。

通常的除霜方法有兩種：抑制結(jié)霜和主動融霜。目前工程中采用的除霜方法是先停止換熱器工作，再用熱氣或電加熱對霜層融化處理。但是，發(fā)動機低溫起動試驗連續(xù)性要求高，試驗過程不容中斷，故不宜采用除霜模式。鑒于此，借鑒美國麥金利氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的成功經(jīng)驗，對空氣補償系統(tǒng)采用抑霜設(shè)計，控制試驗過程中低溫?fù)Q熱器表面的結(jié)霜厚度δ不大于某個值，處于合理區(qū)間，從而維持換熱器的正常換熱效率[1-3]。

其中抑制結(jié)霜技術(shù)有兩種：①通過降低外來氣流濕度和表面改性等被動手段；②利用外加電場、磁場、超聲波等主動手段進(jìn)行。上述方法只能推遲結(jié)霜發(fā)生的時間或減小結(jié)霜速度，并不能完全避免結(jié)霜，不適用于發(fā)動機低溫起動試驗超大空氣流量、極端低溫的使用條件。因此有必要依據(jù)氣候環(huán)境實驗室發(fā)動機低溫起動試驗的技術(shù)指標(biāo)，針對性的研究一種換熱器有效抑霜技術(shù)，來保持其正常的換熱效率，保證試驗在規(guī)定時間內(nèi)能夠連續(xù)進(jìn)行[9]。

1 結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率的影響[9,10]

當(dāng)換熱器表面溫度低于0 ℃時，就會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，對蒸發(fā)器換熱性能和空氣側(cè)壓降產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱效率下降，嚴(yán)重者甚至影響制冷系統(tǒng)運行效率。分析原因主要表現(xiàn)在下述方面：①在蒸發(fā)器表面大量沉積會增加熱阻；②蒸發(fā)器表面結(jié)霜引起氣流通道截面積縮小,阻力增大，流量減小；③霜層積聚填充了翅片和管子之間的空隙，因此減小了翅片和管子的接觸熱阻。

為了減少甚至消除結(jié)霜現(xiàn)象對系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響，國內(nèi)外許多學(xué)者對換熱器結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Jeng-MinHuang等用數(shù)值計算的方法，研究了結(jié)霜厚度對管片式換熱器換熱性能的影響，得出了不同翅片間距情況下，換熱器的傳熱率與霜層厚度的關(guān)系，如圖1所示。明確指出表面結(jié)霜的管子換熱性能主要受臨界半徑的影響，而不是表面粗糙度的影響。文中建議在管片式換熱器單根管子有一半發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時，應(yīng)開始化霜，否則此時隨著結(jié)霜現(xiàn)象的繼續(xù)，換熱量會大幅下降。

圖1 霜層厚度對傳熱率的影響

2 氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車試驗空氣補償系統(tǒng)之換熱器設(shè)計[4-8]

2.1 發(fā)動機開車空氣補償原理

圖2所示為氣候?qū)嶒炇野l(fā)動機開車大流量冷空氣補償工作原理。試驗之前，根據(jù)環(huán)境溫度需求，設(shè)定合理的制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，通過初始換熱將冷量交換給載冷劑，并儲存在載冷劑儲罐1中。當(dāng)進(jìn)行發(fā)動機低溫起動試驗時，將儲罐1中的載冷劑冷量供給換熱器組，與引入的大量室外空氣進(jìn)行冷熱交換，將空氣溫度調(diào)節(jié)至試驗所需溫度后送至環(huán)境室。經(jīng)過換熱后的載冷劑被送回至載冷劑儲罐2中，再次與制冷系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行熱交換，然后繼續(xù)存貯在載冷劑儲罐1中，供再次試驗所需。

2.2 換熱器組設(shè)計

美國麥金利實驗室發(fā)動機低溫起動試驗?zāi)M系統(tǒng)為了規(guī)避大量冷空氣補償帶來的結(jié)霜問題，對補償空氣在熱交換處理程序上進(jìn)行了改進(jìn)：即先采用降溫除濕的方法除去空氣中的大部分水蒸氣，使流經(jīng)低溫?fù)Q熱器時的補償空氣露點溫度足夠低，絕對含濕量很小，使結(jié)霜厚度控制在合理范圍內(nèi)，從而保證了試驗過程不會因為換熱器大面積結(jié)冰而被迫中斷。

參考麥金利實驗室做法，根據(jù)實驗室送風(fēng)風(fēng)道大?。? 000 m×6 000 m），如圖3對空氣補償換熱器組進(jìn)行四級布置，并進(jìn)行了設(shè)計。

設(shè)定圖3中所示的一級換熱器為冷凝盤管，二級換熱器為結(jié)霜盤管，三級換熱器為中溫?fù)Q熱器，四級換熱器為低溫?fù)Q熱器。室外空氣進(jìn)入送風(fēng)風(fēng)道經(jīng)過濾消聲處理后，通過冷凝盤管進(jìn)行初級預(yù)冷，使空氣被處理為+6 ℃的飽和濕空氣冷凝析出空氣中的大量水分，降低其絕對含濕量；+6 ℃的飽和濕空氣接著進(jìn)入二級換熱器，即結(jié)霜盤管將空氣冷卻至-10 ℃，再次析出空氣中的水分，減小了補償空氣直接進(jìn)入中、低溫?fù)Q熱器引起換熱器表面大面積結(jié)冰（霜）的可能性。其中第一級換熱器可稱作結(jié)冰換熱器，主要作用是在低溫高濕試驗時使空氣中的水提前凝結(jié)此換熱器上，降低中溫?fù)Q熱器、低溫?fù)Q熱器的結(jié)冰風(fēng)險，保證換熱效率。

表1為各級換熱器功能及其中的載冷介質(zhì)。試驗室在做-25 ℃以上的發(fā)動機開車試驗時，采用載冷劑LM-8與制冷劑換熱進(jìn)行蓄冷。在試驗開始時，載冷劑被送入空氣補償單元前三級換熱器與補償空氣進(jìn)行冷熱交換，處理補償空氣到試驗要求溫度。當(dāng)試驗環(huán)境在-25～-55℃之間時，制冷系統(tǒng)低溫級啟動，低溫級制冷系統(tǒng)將低溫載冷劑二氯甲烷溫度降至設(shè)計溫度，并將其儲存在儲罐中。試驗開始時，蓄冷的載冷劑被泵入空氣補償單元第四級換熱器與補償空氣進(jìn)行冷熱交換，將補償空氣溫度處理到試驗要求溫度，然后通過送風(fēng)管道送入環(huán)境室。

圖2 發(fā)動機低溫起動空氣補償工作原理

圖3 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償流程圖

表1 各級換熱器功能

2.2.1 冷空氣補償技術(shù)要求

空氣補償系統(tǒng)用于為在密閉的環(huán)境室內(nèi)，發(fā)動機瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)運行時提供所需的滿足試驗溫度的冷空氣，以維持環(huán)境室內(nèi)外的設(shè)計壓差并保證環(huán)境室內(nèi)恒定的溫度，從而保證發(fā)動機開車試驗的持續(xù)性、有效性與安全性。要求：

1）空氣補償量：總風(fēng)量最大400 kg/s，每條風(fēng)道最大80 kg/s；

2）補償空氣溫度范圍：-55～0 ℃；

3）壓降：≤2 000 Pa；

4）空氣補償持續(xù)時間：8 h 3次，每次持續(xù)20 min。

2.2.2 換熱器換熱面積確定

由于室外空氣中不可避免地存在水分，蒸發(fā)溫度低于0 ℃時，換熱器管路和翅片上將十分容易結(jié)霜。一般熱泵機組換熱器表面霜層生長可分為初始階段、減速生長段及加速生長段三個階段，三個階段的霜層形態(tài)并不相同。結(jié)霜初期先是形成霜粒，管壁表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,氣流擾動增強，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數(shù)開始逐漸減小，導(dǎo)致?lián)Q熱效率快速降低。當(dāng)霜層厚度達(dá)到一定程度時，將帶來一系列的問題。

據(jù)研究測量結(jié)果，在一定的霜層范圍內(nèi)，霜層厚度每增加1mm可能導(dǎo)致蒸發(fā)溫度下降0.5 ℃（見圖4），而蒸發(fā)溫度的降低會使COP迅速下降。表明當(dāng)霜層厚度超過1 mm時，換熱器的換熱效率急劇下降，故各級換熱器的結(jié)霜厚度在試驗期間應(yīng)控制在1 mm以內(nèi)[11]。

設(shè)定發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償每個風(fēng)道最大補氣量M空氣=80 kg/s，最低處理空氣溫度為-55 ℃，外界空氣分別經(jīng)過四級換熱器逐級降溫，降溫處理后的空氣均為飽和空氣。

經(jīng)過一級換熱器將空氣溫度處理至+6 ℃，相對濕度為φ1=100 %，根據(jù)空氣焓濕圖查得此時空氣的含濕量d1=5.87 g/kg。二級換熱器為結(jié)霜盤管，處理+6 ℃空氣到-10 ℃。-10 ℃空氣相對濕度φ2=100 %，含濕量d2=1.62 g/kg。按發(fā)動機開車試驗空氣補償單元最長補氣時間t=20 min計算,經(jīng)二級換熱器空氣中結(jié)霜水的質(zhì)量為:

根據(jù)換熱器結(jié)霜厚度對換熱器換熱效率影響關(guān)系，當(dāng)結(jié)霜厚度超過1 mm時，換熱器的換熱效率將急劇下降，最高可達(dá)25 %。假設(shè)二級換熱器結(jié)霜盤管在20 min補氣中表面結(jié)霜厚度均勻分布于盤管表面。由于換熱器結(jié)冰過程迎風(fēng)面的霜層厚度遠(yuǎn)大于被風(fēng)面（見圖6），故結(jié)冰厚度取δ≤0.5 mm（留有50 %的結(jié)霜厚度余量），可得出所需設(shè)計盤管的換熱總表面面積A，該溫度下霜的密度ρ=110 kg/m3[12]，可得：

2.2.3 中、低溫?fù)Q熱器結(jié)冰厚度校核

按照二級換熱器的換熱面積對中、低溫?fù)Q熱器的結(jié)冰厚度進(jìn)行校核。

三級（中溫）換熱器處理-10.3 ℃空氣到-25.8 ℃，-10.3 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=1.62 g/kg，-25.8 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=0.394 g/kg，得出結(jié)冰厚度d=0.125 mm；

四級（低溫）換熱器處理-25.8 ℃空氣到-55.1 ℃，-55.1 ℃空氣相對濕度φ=100 %，含濕量d=0.015 g/kg，計算可得：

四級換熱器的結(jié)冰厚度d=0.048 mm。

由此看出，中、低溫?fù)Q熱器結(jié)霜（冰）厚度遠(yuǎn)小于0.5 mm，不會影響換熱效率。

2.2.4 換熱器結(jié)霜試驗[13-15]

針對換熱器結(jié)霜形式、結(jié)霜時間、融霜方法搭建試驗平臺進(jìn)行研究。實驗平臺主要由試驗箱、風(fēng)機、變頻器、加濕器、進(jìn)風(fēng)口均流網(wǎng)、空氣流量計、溫濕度傳感器、壓差變送器、流量計、數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)等部件組成，詳見圖5。

圖4 蒸發(fā)溫度隨霜層厚度的變化情況

圖5 換熱器結(jié)冰融霜試驗平臺

換熱器布置在實驗箱體內(nèi)，材質(zhì)為銅管鋁翅片，銅管外直徑16.6 mm，翅片厚度0.3 mm。共有三組，每組10排，尺寸是： 24 mm/3排 +12 mm/3排+8 mm/4排，迎風(fēng)面尺寸為1 200 mm×800 mm。

試驗過程：制冷系統(tǒng)及載冷載熱系統(tǒng)開始工作，在實驗箱內(nèi)空氣溫度達(dá)到-5 ℃時，開始朝換熱器噴蒸汽進(jìn)行結(jié)冰，30 min后，換熱器兩側(cè)壓差達(dá)到了300 Pa，關(guān)閉風(fēng)機。稍后開啟艙門，查看結(jié)冰狀態(tài)。見圖6。

試驗結(jié)果：如圖6所示，第一排翅片已結(jié)滿了霜，第二排翅片結(jié)了很少量的霜，第三排翅片未見結(jié)霜。換熱器的迎風(fēng)面結(jié)霜明顯，霜質(zhì)松軟均勻，利用游標(biāo)卡尺測得迎風(fēng)面霜層厚度約0.9 mm；背風(fēng)面也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，但是霜層厚度較薄。

圖6 換熱器結(jié)霜狀態(tài)

由此得出變片距結(jié)霜換熱器能夠有效對來流空氣預(yù)除濕，提前結(jié)霜，從而降低后續(xù)主換熱器的結(jié)冰風(fēng)險，保證換熱性能。

2.2.5 換熱器組設(shè)計

依據(jù)上述計算得到的空氣補償換熱器所需換熱面積，綜合考慮換熱器的工作環(huán)境和風(fēng)道內(nèi)的安裝維護需求，對換熱器組各級換熱器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。每級換熱器由4個相同的三層翅片管組成，材質(zhì)為鋼管鋁翅片，翅片厚度0.285 mm；肋管材料為304鋼，外徑15 mm。詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機低溫起動試驗空氣補償單元換熱器參數(shù)

3 結(jié)論

通過分析計算，設(shè)計了一種能夠有效抑制換熱器結(jié)霜的間接式制冷換熱器，可保證氣候?qū)嶒炇覂?nèi)飛機發(fā)動機低溫起動試驗全過程始終維持高效換熱。該方案解決了試驗時，由于室外大量的高濕度空氣經(jīng)過低溫?fù)Q熱器而導(dǎo)致?lián)Q熱器表面積大量結(jié)霜，可能出現(xiàn)的試驗中止現(xiàn)象，從而可以滿足試驗過程的連續(xù)性要求，為氣候?qū)嶒炇医ㄔO(shè)大冷量空氣補償系統(tǒng)提供了設(shè)計依據(jù)。