摘 要 本文對(duì)低溫高濕環(huán)境下的HART475手操器結(jié)霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了進(jìn)風(fēng)溫度、相對(duì)濕度對(duì)HART475手操器結(jié)霜量、霜層厚度、管壁溫度以及蒸發(fā)溫度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：HART475手操器表面結(jié)霜量隨著時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，霜層厚度隨著時(shí)間的變化分為線性增長(zhǎng)段和加速增長(zhǎng)段，管壁溫度和蒸發(fā)溫度隨著時(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(jié)霜量隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高和相對(duì)濕度的增大而增大，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)壓力隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度的增加而降低。

結(jié)霜是普遍發(fā)生在制冷、冷凍、冷藏、低溫運(yùn)輸裝置及航空航天等工程領(lǐng)域的自然現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度較低且相對(duì)濕度較大時(shí)，蒸發(fā)器表面就會(huì)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象，霜在HART475手操器表面的沉積增加了冷壁面與空氣間的導(dǎo)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HART475手操器的阻力，在以風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的HART475手操器中造成風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降，兩種因素的共同作用，使得制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)迅速降低。因此，深入研究HART475手操器翅片表面的結(jié)霜規(guī)律，對(duì)提高制冷系統(tǒng)能效比，節(jié)約能源消耗等方面具有重要意義。20世紀(jì)80年代 S.N.Kondepadi等人 [1,2] 將結(jié)霜模型和傳熱特性相結(jié)合進(jìn)行了討論，建立了HART475手操器結(jié)霜模型，并對(duì)HART475手操器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)HART475手操器結(jié)霜工況下流動(dòng)及換熱性能的研究仍很活躍，主要是通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究，探討各因素對(duì)霜層生長(zhǎng)及流動(dòng)和換熱特性的影響。Seker D. [3]數(shù)值模擬了HART475手操器的結(jié)霜性能，計(jì)算了空氣側(cè)動(dòng)態(tài)熱質(zhì)傳遞系數(shù)、空氣-霜界面溫度、換熱表面效率及結(jié)霜量；Yan W.M. [4] 實(shí)驗(yàn)研究了不同類型HART475手操器性能，討論空氣流量、相對(duì)濕度、制冷劑溫度及翅片形式對(duì)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(jié)霜工況下HART475手操器性能預(yù)測(cè)的改進(jìn)模型；姚楊 [6] 等人對(duì)結(jié)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(duì)霜層初期生長(zhǎng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了空氣流速、冷表面不均勻性、表面接觸角等對(duì)霜層生長(zhǎng)過程的影響，并對(duì)波紋表面和水平冷表面結(jié)霜過程進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究；陳江平 [11-12] 等人對(duì)結(jié)霜工況下平行HART475手操器的換熱性能進(jìn)行了測(cè)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(shù)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜?jiǎng)討B(tài)性能的影響。對(duì)低溫高濕環(huán)境下的HART475手操器結(jié)霜性能的研究相對(duì)較少，因此本文以此作為研究對(duì)象，分析進(jìn)風(fēng)空氣溫度和相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜量、結(jié)霜厚度、管壁溫度、蒸發(fā)壓力等參數(shù)的影響，為研究HART475手操器低溫高濕環(huán)境下的結(jié)霜性能提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由焓差實(shí)驗(yàn)室、被測(cè)HART475手操器、測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)部分組成。焓差實(shí)驗(yàn)室用于模擬實(shí)驗(yàn)所需的室內(nèi)外側(cè)環(huán)境；測(cè)量系統(tǒng)主要由壓力、溫度、濕度、風(fēng)速測(cè)量裝置及霜層厚度測(cè)量系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.2 測(cè)量?jī)x器及測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量系統(tǒng)包括結(jié)霜量測(cè)量裝置、霜層厚度測(cè)量裝置、室外HART475手操器壁溫測(cè)量裝置和制冷劑壓力測(cè)量裝置。

結(jié)霜量的測(cè)量是通過空氣進(jìn)出口含濕量差乘以空氣流量來間接測(cè)量的。在室外側(cè)HART475手操器進(jìn)風(fēng)處均勻布置16個(gè)風(fēng)速（美國(guó)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(jì)算得到，HART475手操器進(jìn)出口溫濕度通過布置在HART475手操器進(jìn)出口的溫濕度傳感器來進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算得到HART475手操器進(jìn)出口的含濕量。HART475手操器的結(jié)霜量可通過公式（1）計(jì)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(jié)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(zhǎng)。

霜層厚度的測(cè)量系統(tǒng)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(shù)90倍）和尼康COOLPIX4500數(shù)碼相機(jī)。

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(duì)所測(cè)的溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)與記錄，該裝置的#大分辨率為0.1 ℃，可以保證本次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hào)為MPM480，測(cè)量范圍為0 Mpa ~5 Mpa，測(cè)量精度為±0.25%FS。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為了研究低溫低濕條件下HART475手操器的結(jié)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(duì)一臺(tái)HART475手操器的結(jié)霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)濕度對(duì)結(jié)霜量的影響。從圖中可以看出，隨著時(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(jié)霜量隨時(shí)間幾乎呈線形增加，這與其他研究者[6,13]  的預(yù)測(cè)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果是一致的。從圖3可知，隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度降低，結(jié)霜速度減慢；其原因主要是在空氣相對(duì)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(jié)量也越少，結(jié)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(duì)濕度越大，結(jié)霜量越多，結(jié)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(duì)濕度對(duì)霜層厚度的影響。從圖5可以看出當(dāng)結(jié)霜時(shí)間達(dá)到110 min時(shí)，霜層幾乎完全堵塞HART475手操器的肋片通道，嚴(yán)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(tǒng)將不能正常運(yùn)行。從圖6和圖7可以看出，HART475手操器表面結(jié)霜厚度隨時(shí)間的變化并不是線性的，在后半段形成上凹型曲線。說明在結(jié)霜后期，霜層的增長(zhǎng)速度急劇增加。造成這種現(xiàn)象的原因是由于結(jié)霜后期，霜層嚴(yán)重堵塞翅片間距導(dǎo)致風(fēng)量嚴(yán)重減少，加上霜層熱阻的加大，翅片表面換熱系數(shù)急劇減少，在相同的空氣溫度下，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度急劇下降，導(dǎo)致翅片溫度急劇減小。

從圖6和圖7可以看出，隨著時(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(duì)濕度越大，霜層厚度增長(zhǎng)的速度越快；進(jìn)風(fēng)空氣溫度越低，霜層厚度增長(zhǎng)速度越慢。

如圖8和圖9所示，隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，HART475手操器管壁溫度在結(jié)霜初始階段（約占結(jié)霜時(shí)間60%左右）先緩慢下降；在結(jié)霜后期，HART475手操器管壁溫度開始顯著降低。其原因主要是在結(jié)霜初始階段，霜層厚度的增長(zhǎng)基本呈線性增長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降和由于霜層增加而引起的導(dǎo)熱熱阻的增加并不顯著，因此HART475手操器的蒸發(fā)溫度下降緩慢，從而導(dǎo)致管壁溫度也緩慢下降。但是到了結(jié)霜后期，此時(shí)霜層已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)HART475手操器空氣流通通道的3/4以上，嚴(yán)重阻塞空氣的流動(dòng)，從而導(dǎo)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來加速霜層的生長(zhǎng)從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致在結(jié)霜后期HART475手操器壁面溫度迅速下降，霜層厚度加速生長(zhǎng)。

如圖10和圖11所示，蒸發(fā)溫度隨著結(jié)霜時(shí)間呈下降趨勢(shì)，特別是在結(jié)霜后期，下降趨勢(shì)明顯加快。從圖中還可以看出蒸發(fā)壓力隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度的增加而降低。

3 結(jié)論

（1）結(jié)霜量隨著結(jié)霜時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，但是霜層厚度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)分成兩段，結(jié)霜初期霜層厚度隨著時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)，但是到了結(jié)霜中后期，霜層厚度隨著時(shí)間呈上凹型曲線增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度明顯加快。

（2）隨著結(jié)霜時(shí)間的增加，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)溫度在結(jié)霜初始階段（約占結(jié)霜時(shí)間60%左右）先緩慢下降，在結(jié)霜循環(huán)的后期，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)溫度開始顯著降低。

（3）霜層厚度、結(jié)霜量隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高和相對(duì)濕度的增大而增大，HART475手操器管壁溫度和蒸發(fā)壓力隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度的降低和進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度的增加而降低。