【中國制冷網(wǎng)】[摘 要] 本文在不同結霜工況下對蒸發(fā)器盤(pán)管的結霜特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，考察了空氣的相對濕度、盤(pán)管表面溫度和驅動(dòng)溫度三種控制因素對盤(pán)管結霜特性的影響，得出了盤(pán)管空氣側的壓力降、制冷量在結霜過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規律，以及空氣進(jìn)出口側的結霜情況、盤(pán)管管排的霜層分布特點(diǎn)。實(shí)驗結果表明，這三種控制因素對蒸發(fā)器盤(pán)管的結霜性能有不同程度的影響。較低的相對濕度，較高的盤(pán)管表面溫度，較低的驅動(dòng)溫度都可抑制霜層的生長(cháng)。為以后的結霜性能研究提供了較好的研究經(jīng)驗。

　　[關(guān)鍵詞] 蒸發(fā)器盤(pán)管；結霜特性；控制因素；實(shí)驗研究

　　引言

　　結霜現象是制冷工程、空調熱泵以及其他低溫領(lǐng)域中常見(jiàn)的問(wèn)題之一，結霜現象對換熱系統都會(huì )造成一定的危害，因此國內外許多學(xué)者對結霜問(wèn)題都曾做過(guò)大量研究，主要通過(guò)以下三個(gè)方面對結霜現象進(jìn)行研究。結霜機理研究方面[1-6]：利用實(shí)驗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霜層生長(cháng)的厚度、密度和晶體形態(tài)等的研究。結霜對系性能的影響方面：如羅超等[7]考察了在低溫工況下（-18℃）、進(jìn)口空氣溫度、空氣相對濕度和空氣風(fēng)速對蒸發(fā)器性能的影響，給出了換熱量、空氣側壓降、結霜量和總傳熱系數在結霜過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規律。其他學(xué)者[8-9]通過(guò)建立數學(xué)模型、實(shí)驗研究的方法，論證了空氣溫度、濕度和風(fēng)速對換熱器系統結霜性能（如換熱量和空氣側壓降等）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[10]提出了空氣源熱泵“蓄能熱氣除霜”新系統，解決了常規除霜時(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)管型式設計等，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霜過(guò)程。此外，近年來(lái)學(xué)者們[12-13]對化霜邏輯的控制方面也做了較多的研究，旨在準確判斷化霜時(shí)機，減少化霜所需要的時(shí)間及能量。

　　本文基于作者早期對蒸發(fā)器盤(pán)管結霜現象的觀(guān)察實(shí)驗，較為全面地研究了在三種不同結霜工況下，空氣的相對濕度、盤(pán)管表面溫度、驅動(dòng)溫度三種控制因素對盤(pán)管結霜特性的影響，得出了盤(pán)管空氣側的壓力降和制冷量在結霜過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化規律以及空氣進(jìn)出口側的結霜情況和盤(pán)管的霜層分布的特點(diǎn)。

　　1、實(shí)驗裝置

　　圖 1 為我們設計的LET090 冷風(fēng)機的實(shí)驗裝置，采用R404A 制冷劑，固定轉速的電機。實(shí)驗工況見(jiàn)表1。

　　在 3 種工況下，分別控制空氣的相對濕度（Relative humidity，RH）為55%、75%、90%進(jìn)行實(shí)驗研究。觀(guān)察相對濕度對盤(pán)管結霜性能影響的實(shí)驗是在工況1 下，相對濕度分別控制在57%、74%、87%，考察相對濕度對盤(pán)管的結霜特性（空氣側壓力降、空氣進(jìn)出口側的結霜情況、霜層在每排管排的結霜量和制冷量變化）的影響。研究盤(pán)管表面溫度對盤(pán)管的結霜特性影響是在對比工況1 和工況2的實(shí)驗基礎上的，而分析溫差TD 影響的實(shí)驗是在工況2 和工況3 的條件下進(jìn)行的。2 實(shí)驗結果及分析。

　　2.1 相對濕度對盤(pán)管結霜特性的影響在工況 1 下隨著(zhù)結霜過(guò)程的進(jìn)行，盤(pán)管空氣側壓降的變化見(jiàn)圖2。

　　從圖 2 可知在不同相對濕度（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)驗中觀(guān)察到，z*大的壓降發(fā)生在停機之前；相對濕度越高，結霜速度越快。在空氣進(jìn)口側（如圖 3），相對濕度較低時(shí)（55%）沒(méi)有發(fā)生結霜現象；當相對濕度在75%時(shí)，實(shí)驗進(jìn)行到7 h，盤(pán)管上有部分結霜；當相對濕度在90%時(shí)，實(shí)驗僅進(jìn)行到2 h，盤(pán)管上已全部結霜。

　　在空氣出口側（如圖4）盤(pán)管的結霜量沒(méi)有空氣進(jìn)口側結霜量受相對濕度的影響明顯，但當相對濕度較大時(shí)，盤(pán)管上也有部分結霜。55%RH 75%RH (7h) 90%RH (2h)圖3 工況1下不同相對濕度時(shí)空氣進(jìn)口側的結霜情況55%RH 75%RH (7 h) 90%RH (2h)圖4工況1下不同相對濕度時(shí)空氣出口側的結霜情況。

　　從圖 5 可見(jiàn)，55%RH 時(shí)每排管排的結霜量為0 kg，而75%RH 實(shí)驗7 h 的總結霜量比90%RH 實(shí)驗2 h 的結霜量大，可能原因是90%RH 時(shí)結霜較快，阻礙了濕空氣的進(jìn)入。

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

　　2.2 盤(pán)管表面溫度對盤(pán)管結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 為驅動(dòng)溫差。通過(guò)工況1 和工況2 的實(shí)驗，對比分析了Tcoil 對盤(pán)管結霜特性的影響。

　　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。對比圖1 和圖7 兩圖，在相同濕度下工況1 空氣側壓力降比工況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)口側在75%RH 下工況1 比工況2 的結霜量略大，而在90%RH 下工況1 在2 h內的結霜量明顯比工況2 在4 h 內的結霜量大的多。

　　對比圖 5 和圖9 可知：75%RH 下，工況2 管排的總結霜量略小于工況1；90%RH 下，由于工況1 空氣進(jìn)口側的結霜量較大，導致空氣無(wú)法進(jìn)入盤(pán)管而造成工況1 的管排總結霜量遠小于工況2。

　　對比圖 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(zhù)結霜過(guò)程的進(jìn)行衰減較快。

　　2.3 空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差對盤(pán)管結霜特性的影響。

　　此實(shí)驗是在工況 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)對比分析工況 2 和工況3 盤(pán)管結霜的實(shí)驗結果（圖7 和圖11），在90%RH 下，TD 較小時(shí)空氣側壓力降（風(fēng)量損失）也較??；在75%RH 下，較小的TD 時(shí)不會(huì )結霜。

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

　　圖 14 和圖10 說(shuō)明當TD 較低時(shí)，制冷量的衰減也較緩慢，因此在結霜情況下為了達到相同的制冷量需要有較大的盤(pán)管換熱面積。

　　3、 結論

　　1）兩種條件會(huì )影響霜層生長(cháng)：一是驅動(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)結霜。

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

　　3）控制結霜方面：用較小的TD 來(lái)減緩結霜（需要較大的盤(pán)管換熱面積）；及時(shí)檢測到結霜并使用正確的除霜方法（需要精確的結霜傳感器和控制邏輯）。

　　4）風(fēng)速的影響、霜的微觀(guān)結構、宏觀(guān)物性（如密度、熱導率和表面粗糙度）以及創(chuàng )新的盤(pán)管設計和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。