自然對流深冷結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

安彭軍 謝福壽 陳叔平 姚淑婷 韓宏茵 常智新

(1烏魯木齊市隆盛達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?烏魯木齊 830088)(2蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 蘭州 730050)

1 引言

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于食品冷藏、低溫工程及航天航空等領(lǐng)域［1］。冷表面溫度低于濕空氣露點(diǎn)溫度時，在其表面會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象;當(dāng)冷表面的溫度低于水的冰點(diǎn)溫度時，水蒸氣會在冷表面上凝華結(jié)霜。一般情況下，由于霜層的存在將增大對冷表面的傳熱熱阻，使傳熱量下降［2］。

前人重點(diǎn)對結(jié)霜過程作了描述和分析［3－10］，針對自然對流深冷豎直平板結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)卻研究甚少。但濕空氣流動狀態(tài)是影響結(jié)霜現(xiàn)象的主要因素之一，要想抑制結(jié)霜，就要分析清楚濕空氣流動狀態(tài)，故研究自然對流深冷豎直平板結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)，對抑制結(jié)霜、強(qiáng)化傳熱具有實(shí)際的工程應(yīng)用價值。

本文擬對霜層厚度變化規(guī)律、濕空氣在豎直平板附近流動狀態(tài)及溫度變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，為研究人員對深冷自然對流工況下抑制結(jié)霜提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括供液系統(tǒng)、豎直平板表面、圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。室內(nèi)工況使用dph系列大氣溫度濕度計(jì)測量，精度為0.5級，量程為－20—125℃，0—100RH‰。液氮從容積為20 L的液氮瓶流出，然后途徑真空絕熱管進(jìn)入低溫容器，使用真空絕熱管的目的是盡量減少液氮進(jìn)入低溫容器之前的冷量損失。豎直平板與室內(nèi)濕空氣進(jìn)行自然對流換熱，使低溫容器內(nèi)液氮吸熱氣化，通過放空口排出;濕空氣受冷，使?jié)窨諝庵兴魵庠谪Q直平板表面上結(jié)霜。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

豎直平板上布置兩個熱電偶以測量豎直平板表面溫度;豎直平板附近按一定規(guī)律布置14個熱電偶，以測量濕空氣在豎直平板附近流動區(qū)域的溫度。熱電偶分布如圖2所示，圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片圖。豎直平板表面非穩(wěn)態(tài)結(jié)霜過程由Canon A3300 IS數(shù)碼相機(jī)記錄。低溫容器底部用軟管連接U型玻璃管液位計(jì)，來測量低溫容器內(nèi)液氮的高度。豎直平板自上往下10 mm處，用游標(biāo)卡尺測霜層隨時間變化的厚度。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 熱電偶分布圖Fig.2 Arrangement of thermocouples

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片圖Fig.3 Picture of experimental system

每次實(shí)驗(yàn)先用丙酮清洗豎直平板表面，再將實(shí)驗(yàn)裝置按圖1連接好。打開截止閥4和放空閥10，通過液氮瓶自增壓系統(tǒng)，把液氮輸入低溫容器內(nèi)，使U型玻璃管液位差達(dá)到300 mm時，關(guān)閉截止閥4，然后開啟溫度巡檢儀和圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。每隔半個小時人工記錄一次室溫和相對濕度。霜層厚度數(shù)據(jù)記錄時間:前半個小時隔2 min記錄1次，以后隔5 min記1次。溫度數(shù)據(jù)采集時間:先隔1 min記1次，記15次;再隔2 min記1次，記15次;最后每隔5 min記1次。圖片采集時間:先隔2 min拍1次，拍15次，再每隔5 min拍1次。

實(shí)驗(yàn)期間環(huán)境參數(shù)基本保持不變:溫度為16.3℃，濕度為55%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 霜層厚度變化

圖4為豎直平板自上往下10 mm處霜層厚度隨時間變化的曲線。由此圖可知，霜層厚度變化速率在前75 min內(nèi)較大，后125 min內(nèi)變化速率很小，霜層厚度達(dá)到最厚點(diǎn)，并保持不變。

3.2 霜層沿豎直平板切線方向生長距離變化

圖5為霜層隨時間變化沿豎直平板切線方向生長的距離變化曲線。由此圖可知，初始(20 min內(nèi))霜層沿豎直平板切線方向速度(0.5 mm/min)很小，生長距離為10 mm;隨著時間的變化，生長速度增大到0.9 mm/min，霜層快速沿豎直平板切線方向生長，直至覆蓋整個豎直平板表面。

圖4 霜層厚度變化曲線Fig.4 Variation of frost layer’s thickness

圖5 霜層沿豎直平板切線方向生長距離變化Fig.5 Variation of frost layer’s thickness along tangent direction of vertical plate

3.3 豎直平板表面溫度變化

圖6為熱電偶1緊貼豎直平板表面時溫度隨時間的變化曲線。由于熱電偶一側(cè)緊貼豎直平板表面，其余側(cè)在濕空氣中，故熱電偶測得溫度為濕空氣與豎直平板表面的耦合溫度。隨著霜層的不斷增厚并向下生長，使?jié)窨諝庵械臏囟仍絹碓降停瑹犭娕紲y得溫度受濕空氣的影響也越來越低。在96 min時，掉霜使溫度上升;137 min時，豎直平板表面大面積掉霜，使溫度迅速上升，繼而下降，這一時段出現(xiàn)溫度上升的反常現(xiàn)象。

3.4 豎直平板附近濕空氣流動狀態(tài)

通過細(xì)微觀察可知，濕空氣在自然對流條件下沿著豎直平板自上往下流動為主流動，其余方向濕空氣都朝主流動方向流動，并匯入主流動中。這是由于豎直平板附近濕空氣受冷密度增加形成向下流動。

圖6 豎直平板表面溫度變化曲線Fig.6 Variation of temperature on vertical plate surface

圖7為濕空氣沿豎直平板自上往下19 mm處法線方向流動溫度隨時間變化的曲線。從此圖中可知，濕空氣有遠(yuǎn)處流向豎直平板表面法向時，溫度不斷降低。其中熱電偶3和熱電偶4由于隨著霜層不斷地增厚，受其影響，溫度隨時間變化，不斷降低直至穩(wěn)定;熱電偶6、熱電偶7、熱電偶8和熱電偶9由于離豎直平板表面較遠(yuǎn)(熱電偶6離豎直平板表面19 mm)，影響已不是很明顯，隨時間變化呈水平線。

圖7 沿豎直平板法線方向濕空氣溫度變化曲線Fig.7 Variation of moist air temperature towards normal direction of vertical plate

圖8為濕空氣沿豎直平板自上而下19 mm處和81 mm處切線方向溫度隨時間變化的曲線。由圖可知，濕空氣沿著豎直平板切線方向向下流動，主流動溫度逐漸降低，且隨時間變化同一位置溫度也不斷下降，這是由于霜層不斷地增厚，影響了該位置的溫度。在81 mm處熱電偶13、14、15和16測得的溫度均小于19 mm處熱電偶6、7、8和9測得的溫度，且主流動溫度的熱電偶4、11和13都隨時間變化而不斷降低。

圖8 沿豎直平板切線方向濕空氣溫度變化曲線Fig.8 Variation of moist air temperature along tangential direction of vertical plate

4 結(jié)論

在濕空氣溫度為16.3℃、相對濕度為55%、冷表面溫度為－196℃的結(jié)霜條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:

(1)濕空氣在自然對流條件下沿著豎直平板自上往下流動為主流動，其余方向濕空氣都朝主流動方向流動，并匯入主流動中。

(2)濕空氣沿豎直平板切線方向向下流動，主流動溫度逐漸降低，且隨時間變化同一位置溫度也不斷下降;豎直平板法線方向溫度分布自遠(yuǎn)處到豎直平板依次降低。

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