摘 要 本文對低溫高濕環(huán)境下的
HART475手操器結霜特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，分析了進(jìn)風(fēng)溫度、相對濕度對HART475手操器結霜量、霜層厚度、管壁溫度以及蒸發(fā)溫度的影響。實(shí)驗結果表明：HART475手操器表面結霜量隨著(zhù)時(shí)間呈線(xiàn)性增長(cháng)，霜層厚度隨著(zhù)時(shí)間的變化分為線(xiàn)性增長(cháng)段和加速增長(cháng)段，管壁溫度和蒸發(fā)溫度隨著(zhù)時(shí)間的變化分為緩慢下降段和快速下降段。同時(shí)，霜層厚度、結霜量隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)溫度的升高和相對濕度的增大而增大，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)壓力隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而降低。
結霜是普遍發(fā)生在制冷、冷凍、冷藏、低溫運輸裝置及航空航天等工程領(lǐng)域的自然現象。當進(jìn)風(fēng)空氣溫度較低且相對濕度較大時(shí)，蒸發(fā)器表面就會(huì )發(fā)生結霜現象，霜在HART475手操器表面的沉積增加了冷壁面與空氣間的導熱熱阻，惡化了傳熱效果。同時(shí)，霜層的增加產(chǎn)生的阻塞大大增加了空氣流過(guò)HART475手操器的阻力，在以風(fēng)機驅動(dòng)的HART475手操器中造成風(fēng)機風(fēng)量下降，兩種因素的共同作用，使得制冷系統的性能系數迅速降低。因此，深入研究HART475手操器翅片表面的結霜規律，對提高制冷系統能效比，節約能源消耗等方面具有重要意義。20世紀80年代 S.N.Kondepadi等人 [1,2] 將結霜模型和傳熱特性相結合進(jìn)行了討論，建立了HART475手操器結霜模型，并對HART475手操器進(jìn)行了實(shí)驗研究，將實(shí)驗數據與模擬結果進(jìn)行了比較。近年來(lái)國內外學(xué)者對HART475手操器結霜工況下流動(dòng)及換熱性能的研究仍很活躍，主要是通過(guò)建立數學(xué)模型對其性能進(jìn)行預測及實(shí)驗研究，探討各因素對霜層生長(cháng)及流動(dòng)和換熱特性的影響。Seker D. [3]數值模擬了HART475手操器的結霜性能，計算了空氣側動(dòng)態(tài)熱質(zhì)傳遞系數、空氣-霜界面溫度、換熱表面效率及結霜量；Yan W.M. [4] 實(shí)驗研究了不同類(lèi)型HART475手操器性能，討論空氣流量、相對濕度、制冷劑溫度及翅片形式對HART475手操器熱力、流動(dòng)性能的影響；Tso C.P. [5] 考慮霜厚沿翅片的變化建立了結霜工況下HART475手操器性能預測的改進(jìn)模型；姚楊 [6] 等人對結霜工況下空氣源熱泵蒸發(fā)器性能進(jìn)行了模擬和分析；吳曉敏 [7-10] 等人采用分型理論對霜層初期生長(cháng)過(guò)程進(jìn)行了數值模擬，分析了空氣流速、冷表面不均勻性、表面接觸角等對霜層生長(cháng)過(guò)程的影響，并對波紋表面和水平冷表面結霜過(guò)程進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究；陳江平 [11-12] 等人對結霜工況下平行HART475手操器的換熱性能進(jìn)行了測試，研究了HART475手操器的換熱面積、表面換熱效率隨霜層的變化以及環(huán)境參數對蒸發(fā)器結霜動(dòng)態(tài)性能的影響。對低溫高濕環(huán)境下的HART475手操器結霜性能的研究相對較少，因此本文以此作為研究對象，分析進(jìn)風(fēng)空氣溫度和相對濕度對蒸發(fā)器結霜量、結霜厚度、管壁溫度、蒸發(fā)壓力等參數的影響，為研究HART475手操器低溫高濕環(huán)境下的結霜性能提供實(shí)驗基礎。
1 實(shí)驗裝置及測試方法
1.1 實(shí)驗裝置
整個(gè)實(shí)驗系統由焓差實(shí)驗室、被測HART475手操器、測量系統三個(gè)部分組成。焓差實(shí)驗室用于模擬實(shí)驗所需的室內外側環(huán)境；測量系統主要由壓力、溫度、濕度、風(fēng)速測量裝置及霜層厚度測量系統組成。實(shí)驗系統圖如圖1所示。
1.2 測量?jì)x器及測試方法
本實(shí)驗裝置的測量系統包括結霜量測量裝置、霜層厚度測量裝置、室外HART475手操器壁溫測量裝置和制冷劑壓力測量裝置。
結霜量的測量是通過(guò)空氣進(jìn)出口含濕量差乘以空氣流量來(lái)間接測量的。在室外側HART475手操器進(jìn)風(fēng)處均勻布置16個(gè)風(fēng)速（美國TSI公司生產(chǎn)的8465型風(fēng)速傳感器）、溫濕度探頭（奧地利E+EELEKTRONIK Ges.m.b.H公司生產(chǎn)的多功能溫濕度變送器Serie EE23(HUMOR10型），HART475手操器的空氣流量通過(guò)HART475手操器進(jìn)風(fēng)處的平均風(fēng)速和HART475手操器迎風(fēng)面積計算得到，HART475手操器進(jìn)出口溫濕度通過(guò)布置在HART475手操器進(jìn)出口的溫濕度傳感器來(lái)進(jìn)行測量，然后計算得到HART475手操器進(jìn)出口的含濕量。HART475手操器的結霜量可通過(guò)公式（1）計算得出。圖2為風(fēng)速、溫濕度傳感器的布置實(shí)物照片。
式中：M fr 為HART475手操器的結霜量，kg；m a 為空氣質(zhì)量流量，kg/s；d in 為空氣流經(jīng)蒸發(fā)器前的焓濕量，kg/(kg 干空氣 )；d out 為空氣流經(jīng)蒸發(fā)器后的焓濕量，kg/(kg 干空氣 )； 為時(shí)間步長(cháng)。
霜層厚度的測量系統選用重慶光電儀器有限公司生產(chǎn)的SZM體視顯微鏡（放大倍數90倍）和尼康COOLPIX4500數碼相機。
壁溫的采集選用日本YOKOGAWA電子公司生產(chǎn)的IM DR232－01E型溫度巡檢儀對所測的溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測與記錄，該裝置的#大分辨率為0.1 ℃，可以保證本次實(shí)驗測量精度。
壓力變送器選用中美合資麥克傳感器有限公司生產(chǎn)的壓阻式壓力變送器，產(chǎn)品型號為MPM480，測量范圍為0 Mpa ~5 Mpa，測量精度為±0.25%FS。
1.3 實(shí)驗工況
為了研究低溫低濕條件下HART475手操器的結霜性能，本文在不同進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)濕度條件下對一臺
HART475手操器的結霜特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，實(shí)驗工況如表1所示。
2 實(shí)驗結果及分析
圖3和圖4分別給出了不同進(jìn)風(fēng)空氣溫度和相對濕度對結霜量的影響。從圖中可以看出，隨著(zhù)時(shí)間的增加，室外HART475手操器上的霜的沉積量也迅速增加，且結霜量隨時(shí)間幾乎呈線(xiàn)形增加，這與其他研究者[6,13] 的預測或實(shí)驗結果是一致的。從圖3可知，隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)空氣溫度降低，結霜速度減慢；其原因主要是在空氣相對濕度不變的情況下，空氣溫度越低，空氣的含濕量越少，HART475手操器表面水蒸氣的凝結量也越少，結霜速度越慢。從圖4可以看出，在不改變其它條件的情況下，相對濕度越大，結霜量越多，結霜速度越快。
圖5為HART475手操器翅片表面分時(shí)霜層厚度照片（t =-8 ℃，RH=75%），圖6和圖7分別為不同進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度對霜層厚度的影響。從圖5可以看出當結霜時(shí)間達到110 min時(shí)，霜層幾乎完全堵塞HART475手操器的肋片通道，嚴重阻礙空氣的流動(dòng)和空氣與HART475手操器之間的換熱，此時(shí)HART475手操器的換熱性能將急劇下降。如不及時(shí)除霜，制冷系統將不能正常運行。從圖6和圖7可以看出，HART475手操器表面結霜厚度隨時(shí)間的變化并不是線(xiàn)性的，在后半段形成上凹型曲線(xiàn)。說(shuō)明在結霜后期，霜層的增長(cháng)速度急劇增加。造成這種現象的原因是由于結霜后期，霜層嚴重堵塞翅片間距導致風(fēng)量嚴重減少，加上霜層熱阻的加大，翅片表面換熱系數急劇減少，在相同的空氣溫度下，制冷系統的蒸發(fā)溫度急劇下降，導致翅片溫度急劇減小。
從圖6和圖7可以看出，隨著(zhù)時(shí)間的增加霜層厚度迅速增加，在不改變其它條件的情況下，相對濕度越大，霜層厚度增長(cháng)的速度越快；進(jìn)風(fēng)空氣溫度越低，霜層厚度增長(cháng)速度越慢。
如圖8和圖9所示，隨著(zhù)結霜時(shí)間的增加，HART475手操器管壁溫度在結霜初始階段（約占結霜時(shí)間60%左右）先緩慢下降；在結霜后期，HART475手操器管壁溫度開(kāi)始顯著(zhù)降低。其原因主要是在結霜初始階段，霜層厚度的增長(cháng)基本呈線(xiàn)性增長(cháng)，風(fēng)機風(fēng)量下降和由于霜層增加而引起的導熱熱阻的增加并不顯著(zhù)，因此HART475手操器的蒸發(fā)溫度下降緩慢，從而導致管壁溫度也緩慢下降。但是到了結霜后期，此時(shí)霜層已經(jīng)占據了整個(gè)HART475手操器空氣流通通道的3/4以上，嚴重阻塞空氣的流動(dòng)，從而導致HART475手操器壁面溫度急劇下降。同時(shí)HART475手操器壁面溫度的急劇下降又反過(guò)來(lái)加速霜層的生長(cháng)從而形成惡性循環(huán)，導致在結霜后期HART475手操器壁面溫度迅速下降，霜層厚度加速生長(cháng)。
如圖10和圖11所示，蒸發(fā)溫度隨著(zhù)結霜時(shí)間呈下降趨勢，特別是在結霜后期，下降趨勢明顯加快。從圖中還可以看出蒸發(fā)壓力隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而降低。
3 結論
（1）結霜量隨著(zhù)結霜時(shí)間呈線(xiàn)性增長(cháng)，但是霜層厚度隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)分成兩段，結霜初期霜層厚度隨著(zhù)時(shí)間基本呈線(xiàn)性增長(cháng)，但是到了結霜中后期，霜層厚度隨著(zhù)時(shí)間呈上凹型曲線(xiàn)增長(cháng)，增長(cháng)速度明顯加快。
（2）隨著(zhù)結霜時(shí)間的增加，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)溫度在結霜初始階段（約占結霜時(shí)間60%左右）先緩慢下降，在結霜循環(huán)的后期，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)溫度開(kāi)始顯著(zhù)降低。
（3）霜層厚度、結霜量隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)溫度的升高和相對濕度的增大而增大，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)壓力隨著(zhù)進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而降低。
