強制對流下翅片管蒸發器表面結霜實驗

陳清華,陸 育,關維娟,季家東,王建剛

(1.安徽理工大學 a.礦山智能裝備與技術安徽省重點實驗室; b.數學與大數據學院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 環境友好材料與職業健康研究院(蕪湖),安徽 蕪湖 241003;3.廣東立佳實業有限公司,廣東 東莞 523000)

0 引言

翅片管蒸發器[1]因傳熱效率高等優點被廣泛應用于環境試驗設備[2-4]。當蒸發器長時間處于低溫高濕環境下,翅片管表面會產生相變結霜現象,霜層堵塞了翅片間空氣流道,同時增加了壁面與空氣間的熱阻,導致制冷系統能效比(energy efficiency ratio,EER)[5]降低,嚴重影響了設備的正常運行[6-8]。

為減輕結霜對設備運行的負面影響,一直以來,國內外學者對制冷系統蒸發器表面結霜現象進行了大量研究,并取得了豐碩成果。早期學者主要以平板、圓柱等簡單幾何形狀的冷表面為研究對象開展研究,例如,文獻[9]通過對平板鋁表面結霜過程進行實驗研究,發現了鋁表面結霜的前沿效應,即進風入口區域的霜層厚度大于出口區域,且中心區域最厚。文獻[10]對水平圓柱表面結霜特性進行研究,發現在一定溫度范圍內,霜層厚度隨濕空氣溫度升高而增大。此類表面結構結霜問題屬于典型非定常、相變和移動邊界層復雜耦合熱質傳遞問題[11-12]。針對此,相關學者進行了一些探索性研究,例如,文獻[13]進行了自然對流條件下翅片管表面霜層沉積的實驗研究,發現增加空氣相對濕度可以減少翅片管表面不同位置霜層分布差異,并且管表面溫度對縮短翅片堵塞時間最為顯著。文獻[14]實驗研究了自然對流條件下不同冷表面溫度下金屬表面的結霜特性,得到不同冷表面溫度下霜層厚度發生顯著變化時間及增長速度顯著不同的結論。文獻[15]對自然對流下翅片管換熱器進行實驗研究,發現空氣濕度對翅片之間結霜的影響大于其他參數。

上述研究對自然對流以及單一環境變量下不同類型冷表面結霜問題進行了研究,而工程實際中,蒸發器大多處于溫度、濕度及風速并存的密閉空間強制對流工況下,目前對于強制對流下蒸發器結霜問題研究尚不多見。

前期研究工作中本文作者基于流固熱耦合方法,對三維平直翅片管換熱器的結霜過程進行了數值模擬研究[16],在一定程度上提升了數值模擬精度,但并沒有進行系統實驗研究。為此,本文通過構建強制對流下蒸發器翅片管表面結霜可視化實驗平臺,記錄了翅片間霜層動態生長過程,分析了不同環境溫度、相對濕度及風速對蒸發器表面霜層厚度、結霜量的影響,以及結霜工況下換熱性能的變化規律,為翅片管蒸發器及恒溫恒濕箱制冷系統設計優化提供科學依據,同時對于探究合理的抑霜手段也具有借鑒意義。

1 蒸發器結霜實驗

1.1 實驗裝置

為模擬空氣流動與溫濕度環境,將廣東立佳實業有限公司生產的某型號恒溫恒濕箱改良,作為實驗裝置,將離心風機拆卸放置于蒸發器前端50 cm處,且與之平行,如圖1所示,實驗裝置包括密閉環境室、制冷循環系統、濕度及風速調節系統、霜層可視化系統及數據采集系統5部分組成。其中,密閉環境室為總體積0.408 m3的帶隔熱壁面的實驗空間,為蒸發器提供結霜環境,且內部裝有溫度和濕度傳感器以測定環境溫度與濕度。制冷循環系統為溫度可調的大供冷制冷機組,調節溫度范圍為-70～70 ℃,為蒸發器結霜及環境提供冷源,其中制冷劑為R502A。環境相對濕度由系統控制加濕器調節,實現0～100%變化。為使得吹向蒸發器的迎面空氣更加均勻,在風機前安裝均流器,風機單獨連在控制系統中,實現風速可調節變化。在實驗過程中,通過溫濕度傳感器測量空氣溫濕度,用風速測量儀測量蒸發器迎面風速,霜層厚度通過電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機及圖像分析系統測得,結霜量在每次實驗結束后由電子天平稱得,實驗測量裝置規格如表1所示。

表1 實驗測量裝置規格

圖1 可視化結霜實驗裝置

圖2 霜層厚度與結霜量數據測量流程

測試翅片管蒸發器為翅片式圓管橫流換熱器,蒸發器穩定工作時,流體通過空氣通道后與翅片和銅管發生對流換熱,翅片管上熱量通過導熱傳遞給管內壁,最后管壁與其內部運送的制冷劑再進行熱交換,將環境室的溫度降到實驗所需條件。翅片管由鋁制成,導熱系數為237 W/(m·K)。所有翅片與基管通過機械擴張連接而成,盡可能降低翅片與管壁接觸面之間的熱阻。2排基管交錯排列,每排6管。為了直觀觀察翅片管表面上的霜層分布,實驗只對1排管上霜層進行記錄。測試翅片管蒸發器參數如表2所示。

表2 測試翅片管蒸發器參數

1.2 實驗過程

在不同的環境因素下,霜層生長特性存在較大的差異,為了更好地了解翅片管蒸發器表面結霜情況,根據表3設置實驗測試條件,在環境溫度0～8 ℃、相對濕度55%～75%和迎面風速0.8～2.4 m/s的條件下進行一系列實驗測試,研究不同熱力學參數條件下霜層形態及霜層特性。

實驗過程分為制備和測量2個階段。實驗前,使用毛刷將翅片管蒸發器表面清理干凈,使其表面干燥及干凈,將實驗設備擺放至相應位置。打開風機控制單元,將測試段空氣速度調節至期望值,通過控制風機完成結霜實驗的強制對流條件。設備系統首先關閉進料閥并打開循環閥,待控制單元檢測到干球溫度以及濕球溫度達到系統設定時,啟動恒溫恒濕箱中溫濕度控制單元,將環境控制室中的溫濕度及蒸發器的入口壓力調節到實驗所需值,如表3所示。一旦控制了所有參數并且所需值穩定,就進行霜層厚度及結霜量測量。霜層生長實驗期間,環境室溫濕度以及蒸發器迎面風速保持在恒定值,實驗過程中選取翅片管表面不同位置的部分霜層圖像。為明顯觀察霜層厚度變化,間隔10 min拍攝1次霜層照片,在設備溫濕度監控下,記錄下翅片管蒸發器局部霜層累積隨時間變化圖像,霜層厚度隨著時間變化不斷增長。為加快在不同條件下測試霜層厚度及結霜量的時間,通過打開熱泵系統加快翅片管間隙的霜層融化,稱取結霜量。結霜實驗達到設定的時間之后,關閉高低溫環境艙熱泵系統和結霜環境模擬室溫濕度控制設備。

為了更直觀看出不同工況下霜層變化過程及霜層形貌,將相機鏡頭拉近,圖3為不同工況下翅片管表面不同位置霜層隨時間生長過程。如圖3所示,隨著時間推移所有翅片間的空氣通道近似被霜占據,結霜前期高相對濕度下翅片管表面霜層有成冰趨勢。由于環境室空間較大,迎面風的面積未能達到完全覆蓋測試翅片管蒸發器表面的效果,再加上翅片周圍的氣流產生向下的空氣的熱羽流。熱羽流導致翅片底部處熱邊界層的厚度和濃度增加,使得下部中的傳熱和傳質效果降低,故結霜過程中存在翅片管表面霜層分布不均,且翅片上部霜層厚度大于翅片下部霜層厚度的現象。

圖3 不同工況下翅片管表面霜層隨時間生長過程

2 實驗數據測量

2.1 霜層厚度測量方法

基于Python數字圖像處理技術,利用圖像分割測量霜層厚度,由相機采取的霜層動態圖像實時傳輸至圖像采集系統中,標定距離并計算霜層厚度[17]。由于翅片上霜層厚度存在差異性,實驗結果中考慮了相鄰3個翅片的平均厚度。圖2顯示了圖像處理流程,根據對像素調查以及霜層生長速率定義在0到1之間的事實,從實驗中捕捉到了代表無霜狀態下翅片的像素位置以及結霜狀態下翅片的像素位置。將實驗中原始霜層圖像轉化為灰度圖像,采用雙邊濾波技術進行降噪處理,最后將圖像進行二值分割[18]。根據霜層二值化圖像,霜層平均厚度可由下式計算:

(1)

其中:H為霜層平均厚度,mm;Aif為第i列像素中翅片厚度所占像素個數;Ai為霜層厚度所占像素個數;n為圖像矩陣列數;RP為像素比。

2.2 霜層質量測量

圖2顯示了部分棉花測量結霜量過程。由質量守恒定律得,在實驗期間發生相變結霜的濕空氣質量應等于霜層融水的質量,將托盤放滿棉花鋪底,利用棉花將霜層融水收集起來,并使用電子精密天平稱質量,除去棉花及托盤的質量,即得到翅片管蒸發器在相應運行工況及運行時間下的結霜量,稱質量儀器采用利平高精度電子秤,最大測量值為500 g,測量精度為0.001 g。

2.3 不確定度分析

本研究采用單樣本不確定度分析來估計實驗結果。測試參數可分為2部分:直接測量參數和間接測量參數。對于部分間接測量參數,單次測量的不確定度對計算結果會產生較大的影響。根據測量不確定性相關文獻[19-20],假設結果R為關于自變量X1,X2,…,Xn的函數,且R=R(X1,X2,…,Xn)。這些變量中每一個都存在不確定性(δRX1,δRX2,…,δRXn),RXi不確定度可通過以下公式確定:

(2)

其中:δRXi為RX中n為中階不確定度;δRX1為RX中一階不確定度,且表示在實驗測量過程中,使用給定儀器和儀表系統測量1組數據中預期的散射。表4為測量數據不確定度。

表4 相關參數的不確定度

3 環境參數對翅片管結霜特性的影響

3.1 環境參數對霜層厚度的影響

圖4為相對濕度75%、迎面風速0.8 m/s時且不同環境溫度下霜層厚度和蒸發壓力的變化。由圖4a可知:在實驗50 min內,霜層厚度逐漸增大,0～10 min階段霜層厚度幾乎處于緩慢線性增長,設備運行,蒸發器翅片管表面溫度達到濕空氣向霜層轉化的相變驅動力要求,霜層形成并開始增長。10～40 min階段內霜層開始加速生長,此時霜層厚度的增長速率明顯加快。40～50 min時霜層生長速度開始變慢。在結霜50 min時,T=0 ℃工況下蒸發器表面霜層厚度比T=8 ℃工況下提高了12.78%。在環境相對濕度和迎面風速一定時,環境溫度越低,結霜厚度越大,是因為環境溫度越低,蒸發壓力也隨之越低,如圖4b,濕空氣中的水蒸氣分壓對應于翅片管表面溫度的水蒸氣飽和壓力之差變大,使得相變驅動力越大,從而霜層厚度越大。

(a) 不同環境溫度下霜層厚度變化

圖5為環境溫度0 ℃、迎面風速1.6 m/s時不同環境相對濕度下霜層厚度和蒸發壓力隨時間的變化。如圖5a所示,結霜初期濕度最大時的霜層厚度最小,隨著時間推移,升至最大,其原因是蒸發壓力在結霜初期較大且降低趨勢較小,霜層緩慢增長,蒸發壓力降低到特定值后,相變驅動力占至主要地位,使得濕度較大時的霜層厚度加速增大。隨著時間的推遲,結霜后期時環境相對濕度越高,霜層厚度越大,在濕度變量的影響下霜層厚度較其他變量下更大,在環境相對濕度為75%時,霜層厚度達到了最大,約為2.549 mm,在結霜50 min時,相對濕度為75%工況下蒸發器表面霜層厚度比相對濕度為55%工況下增大了12.06%。這是因為較厚的霜層易在較高濕度下形成,濕度的增加使得水蒸氣滲透到霜層孔隙中,增加其密度和厚度,翅片周圍所有梯度濃度及翅片管表面上相變驅動力增加,翅片管上的蒸汽吸收量增大。

(a) 不同相對濕度下霜層厚度變化

圖6為環境溫度5 ℃、相對濕度65%時不同迎面風速下霜層厚度和蒸發壓力隨時間的變化。由圖6a可知:霜層厚度隨時間變化逐漸增大,濕空氣速度越小,霜層厚度越大。相同時間內,濕空氣速度越大,流經翅片間的水蒸氣越多,在結霜50 min時,迎面風速為2.4 m/s工況下蒸發器表面霜層厚度比迎面風速為0.8 m/s工況下增大了14.66%。相變驅動力使得水蒸氣向霜層質量轉移速率越快,伴隨著霜層的增長堵塞翅片之間的空氣通道,翅片之間的霜層相互交織,導致翅片入口邊緣霜層厚度陡增。霜層厚度在低迎面風速條件下生長速度較快,這是由于翅片表面形成的霜晶在垂直方向上累積所致,且迎面風速較低時翅片表面霜層也就會相對疏松。如圖6b所示,由于蒸發器表面積較大以及溫濕度因素對蒸發壓力的影響程度大于迎面風速,從而使迎面風速較小時蒸發壓力并沒有受到影響,使得霜層厚度也沒受到影響。

(a) 不同迎面風速下霜層厚度變化

3.2 環境參數對結霜量的影響

圖7為不同工況條件下結霜量隨時間的變化。由圖7可知:所有工況條件下結霜量隨時間推移而增大,整體增長趨勢相似。結霜前期結霜量以一定速率增長,中后期增長速率開始減小。圖7a為不同環境溫度下結霜量隨時間的變化,環境溫度越低,結霜量越大,在結霜50 min時,環境溫度為0 ℃工況下蒸發器表面結霜量比8 ℃工況下提高了70.40%。當溫度越低且相對濕度高于蒸發器表面飽和濕度時,翅片表面形成霜層驅動力變大且形成霜晶密度越大。圖7b為不同相對濕度下結霜量隨時間的變化,空氣相對濕度越大,結霜量增長速率越快,濕度的增加使得濕空氣中水分子向霜轉化的總量越大。并且在相對濕度為變量下的結霜總量與環境溫度與迎面風速為變量下相比較大,反應了相對濕度作為霜層生長的1個主要影響因素。相對濕度為75%工況下蒸發器表面結霜量比相對濕度為55%工況下提高了23.42%。圖7c為不同迎面風速下結霜量隨時間的變化,迎面風速越大,結霜量越小,且在結霜整個階段中低迎面風速下的結霜量與較高風速下的差值越來越大,風速的降低使得流經翅片表面的空氣流量降低,使得水蒸氣向霜層轉化總量降低。迎面風速為2.4 m/s工況下蒸發器表面結霜量比迎面風速為0.8 m/s工況下提高了40.69%。

(a) 不同溫度下結霜量

3.3 環境參數對換熱量的影響

蒸發器作為制冷系統中最重要的部件之一,主要作用是將制冷劑從液態轉化為氣態,同時吸收熱量完成制冷循環,其換熱量的高低直接影響系統的制冷效果。圖8a為3種空氣溫度下蒸發器與環境間的換熱量動態變化過程。通過增加環境溫度,與翅片管中制冷劑溫度間的溫差增大,蒸發器表面換熱量隨之增大。在結霜50 min時,環境溫度為0 ℃工況的蒸發器換熱量比8 ℃工況的提高了29.21%。每次測試開始時,換熱量的顯著變化較大。在結霜初期,因為少量霜層以晶體形式附著在翅片管上,增加了壁面的粗糙度。之后,由于晶體的結合和表面霜層的形成,翅片尖端沉積的霜層結合在一起,翅片、管道與周圍空氣之間的熱阻增大,換熱量不斷減小。

(a) 不同溫度下換熱量

采用Matlab軟件將不同環境溫度下蒸發器結霜時期的換熱量進行擬合,通過限制自變量的位次,擬合后的方差(R2)為0.996 6,和方差(SSE)為0.002 706 4,擬合公式如下:

Q=559.8-60.46t-73.2T+0.239 2t2-1.652tT-13.13T2+87t3+15.53t2T+2.19tT2-2.719tT2-

49.34t4-4.469t3T+2.248t2T2,

(3)

其中:Q為換熱量,J;t為時間,s;T為溫度,℃。

圖8b為3種環境相對濕度下蒸發器與環境間的換熱量動態變化過程。由圖8b可知:環境相對濕度越高,傳熱速率上升越快,換熱量也就大。這是由于結霜前期翅片管表面霜層較少,尚未完全覆蓋其表面,顆粒狀霜層增加了空氣的擾動,使得對流換熱作用增強,從而導致換熱量增加。在結霜50 min時,相對濕度為75%工況的蒸發器換熱量比相對濕度為55%工況的提高了7.25%。霜層在不斷累積過程中,空氣流通阻力也隨之越來越大,相對濕度越大的環境工況下,霜層累積的越多,使得霜層較快完全阻塞空氣流通通道,換熱量也就急劇下降。

采用Matlab軟件將不同環境相對濕度下蒸發器結霜時期換熱量進行擬合,擬合后的方差(R2)為0.991 0,和方差(SSE)為0.009 217 8,擬合公式如下:

Q=670-29.06t+21.11x-21.53t2-27.54tx-7.258x2+85.27t3-13.89t2x+2.19tx2-45.83t4+

10.02t3x-3.562t2x2,

(4)

其中:Q為換熱量,J;t為時間,s;x為相對濕度,%。

圖8c為3種迎面風速下蒸發器與環境間的換熱量動態變化過程。由圖8c可知:迎面風速越大,換熱量越大且穩定性越好,當風速增大時,蒸發器表面的氣流運動速度也會增大,其對熱的傳遞增強,從而提高換熱量,但是過大的迎面風速對霜層的物理吹拂作用會導致霜層表面變得毛糙不平,從而形成空氣流動不穩定,進一步影響了蒸發器的換熱效果。在結霜50 min時,迎面風速為2.4 m/s工況的蒸發器換熱量比迎面風速為0.8 m/s工況的提高了65.56%。且隨著翅片管表面霜層厚度變大,傳熱熱阻變大,換熱量隨之降低。

采用Matlab軟件將不同迎面風速下蒸發器結霜時期換熱量進行擬合,擬合后的方差(R2)為0.989 0,和方差(SSE)為0.008 281 6,擬合公式如下:

Q=446.8-44.16t+84.53v-3.234t2-6.936tv+27.98v2+70.58t3-12.18t2v+3.988tv2-

39.3t4+13.53t3v-5.108t2v2,

(5)

其中:Q為換熱量,J;t為時間,s;x為風速,m/s。

4 結論

(1)搭建了強制對流結霜及可視化系統實驗裝置,得到了不同工況下霜層形貌,制冷系統的運行使得制冷劑液體進入蒸發器翅片管中,低溫翅片表面及迎面濕空氣場協同作用,翅片管表面逐漸出現霜層,在實驗時間50 min內,霜層呈現動態生長過程。

(2)環境溫度及迎面風速為影響蒸發器結霜的主要因素,結霜50 min,環境溫度為0 ℃下的霜層厚度、結霜量比環境溫度為8 ℃下分別提高了12.78%、70.40%;結霜50 min,迎面風速為2.4 m/s下的霜層厚度、結霜量比迎面風速為0.8 m/s下提高了14.66%、40.69%。

(3)相同環境相對濕度及迎面風速下,環境溫度越低,霜層厚度越大;相同環境溫度及相對濕度下,迎面風速越大,霜層厚度越大。在環境溫度0 ℃、相對濕度75%及迎面風速0.8 m/s時,霜層厚度與結霜量達到了最大值,為2.549 mm及455.639 g。

(4)結霜期間,換熱量在不同環境參數的影響下,皆呈現出前期增長迅速,后期緩慢下降的現象。環境溫度越低,換熱量越大;空氣相對濕度越高,換熱量越大,出現下降趨勢現象越快;迎面風速越大,換熱量越大。利用Matlab軟件得到了換熱量關于環境參數及時間下的相關關系。