微通道換熱器結(jié)霜特性及換熱性能實驗研究

盛 偉 方永強 蘭慶云 郝曉茹

(1 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 焦作 454003； 2 哈密豫新能源產(chǎn)業(yè)研究院 哈密 839000)

微通道換熱器以其優(yōu)越的性能逐漸被應(yīng)用于制冷及空調(diào)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)換熱器相比，微通道蒸發(fā)器具有傳熱效率高、制冷劑充注量少、成本低等優(yōu)點[1-22]。由于微通道蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)致其在結(jié)霜工況下?lián)Q熱性能衰減較嚴(yán)重[3-5]。目前，大部分學(xué)者從換熱器的結(jié)構(gòu)及表面特性方面研究微通道蒸發(fā)器的結(jié)霜特性。Wu Jianghong等[6]研究了不同翅片溫度下微通道換熱器的結(jié)霜周期。M. H. Kim等[7-8]提出了非對稱百葉窗布置的方案，該布置方式使翅片表面排水性能增加，換熱器結(jié)霜/除霜過程中熱力性能提高。P. Hrnjak等[9]研究了具有不同翅片間距及開窗角度的百葉窗翅片在結(jié)霜工況下的性能。Xu Bo等[10-11]通過實驗研究了3種不同微通道換熱器結(jié)構(gòu)在結(jié)霜工況下的運行穩(wěn)定性，并對比了3種換熱器的排水性能。張成全等[12]實驗研究了無霜風(fēng)冷冰箱系統(tǒng)中的4種典型的微通道冷凝器樣件，并與原機冷凝器進行了單體性能對比測試，結(jié)果表明，最優(yōu)樣件的換熱性能提升13%，其空氣側(cè)壓降為原機的28%，制冷劑側(cè)壓降為原機的54%。Y. Xia等[13]實驗研究了冷凝水殘留對百葉窗式微通道蒸發(fā)器的影響，研究表明，相鄰翅片間的夾角處更容易保留冷凝水，結(jié)霜-除霜循環(huán)時，殘留在蒸發(fā)器上的冷凝水成為霜晶成核的優(yōu)先位置，翅片深度越小，殘留冷凝水對換熱器影響越大。J. S. Park等[14]研究了微通道蒸發(fā)器傾斜角度對結(jié)霜的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)器傾斜角度越大，蒸發(fā)器空氣阻力越大，翅片間殘留的冷凝水越少。隨著傾斜角度的增大，蒸發(fā)器換熱性能及空氣阻力在結(jié)霜-除霜循環(huán)中變化幅度減小。Sheng Wei等[15]對結(jié)霜初期表面特性對冷凝液滴生長的影響進行了基礎(chǔ)研究，結(jié)果表明，在相同的表面溫度下，相比于親水、疏水表面，超疏水表面最晚形成冷凝液滴，且冷凝液滴半徑最小，覆蓋率最低。劉鹿鳴等[16]研究了表面處理對微通道換熱器的影響，結(jié)果表明，親水表面微通道換熱器換熱性能衰減較小，在高濕度高風(fēng)速工況下，空氣阻力減小，且親水處理具有一定的防腐蝕作用，而疏水表面處理導(dǎo)致了換熱器換熱性能衰減較大，且壓降上升了130%?？芍?，親水表面處理比疏水表面處理更適用于微通道換熱器。E. Moallem等[17-19]研究了在熱泵系統(tǒng)中影響微通道換熱器結(jié)霜的因素，結(jié)果表明，翅片表面溫度和空氣濕度是影響霜層生長速率的主要因素，保水性和表面涂層對結(jié)霜影響較小，降低翅片密度能延遲霜對翅片通道的堵塞。郭憲民等[20]研究了不同氣流速度對微通道蒸發(fā)器結(jié)霜的影響，研究表明，隨著氣流速度的提高，蒸發(fā)器表面霜層高度逐漸減小，結(jié)霜量逐漸增大。

目前，關(guān)于環(huán)境因素對微通道換熱器結(jié)霜影響的研究較少，且在僅有的相關(guān)研究中，并未將濕空氣溫度、含濕量及換熱器表面溫度區(qū)分研究。為深入研究微通道換熱器結(jié)霜特性，本文基于相變驅(qū)動力分析結(jié)霜機理，觀察不同環(huán)境因素下冷表面霜層生長形貌，實驗研究了濕空氣溫度、含濕量、氣流速度及冷卻液溫度對微通道換熱器結(jié)霜量的影響以及其在結(jié)霜工況下?lián)Q熱性能的變化規(guī)律。

1 實驗及數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，由低溫系統(tǒng)、風(fēng)洞系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。低溫系統(tǒng)負責(zé)為微通道換熱器提供恒定溫度、流量的低溫冷卻液；風(fēng)洞系統(tǒng)負責(zé)調(diào)節(jié)換熱器迎風(fēng)空氣的風(fēng)速、溫度及含濕量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)采集換熱器進出口的冷卻液溫度、迎風(fēng)面和背風(fēng)面空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速等參數(shù)。冷卻液選用凍結(jié)溫度為-40 ℃的低溫乙二醇水溶液。測試用換熱器選用具有水平扁管布置的兩流程微通道換熱器。換熱器幾何尺寸如表1所示，圖2所示為實驗用微通道換熱器翅片及扁管結(jié)構(gòu)。實驗時，測試用換熱器放置在實驗裝置風(fēng)道內(nèi)。

1低溫環(huán)境室；2循環(huán)風(fēng)道；3低溫恒溫槽A；4低溫液體輸送泵；5PC端和數(shù)據(jù)采集儀；6溫度調(diào)節(jié)器；7調(diào)速風(fēng)機；8整流器；9溫度控制器；10濕度控制器；11加濕器；12溫濕度傳感器；12熱敏風(fēng)速儀；14測試用微通道換熱器；15T型熱電偶；16低溫恒溫槽B；17流量計。圖1 實驗裝置

實驗采用溫濕度傳感器(Aosong AF5845)測量空氣相對濕度，采用熱敏風(fēng)速儀(Testo 405i)測量空氣流速，采用T型熱電偶測量換熱器進出口冷卻液溫度及空氣溫度。為保證換熱器背風(fēng)面空氣溫度測量的精確性，在換熱器背面安置8個熱電偶測點，布置方式如圖3所示。表2所示為測量儀器的量程及精度參數(shù)。

1.2 實驗步驟

實驗開始前，首先將低溫環(huán)境室內(nèi)制冷系統(tǒng)及低溫恒溫槽啟動，降低環(huán)境室內(nèi)溫度及槽內(nèi)冷卻液溫度。待溫度降低后，將循環(huán)風(fēng)道中的微通道換熱器與低溫槽連接，并用塑料薄膜將換熱器包裹住，避免換熱器表面結(jié)霜。然后啟動低溫恒溫槽循環(huán)泵，調(diào)節(jié)低溫恒溫槽B，將微通道換熱器入口冷卻液溫度調(diào)至目標(biāo)溫度。此時啟動風(fēng)洞系統(tǒng)，將氣流速度，空氣溫度、濕度調(diào)至實驗要求值。待各項參數(shù)穩(wěn)定后，取下纏繞在微通道換熱器表面的塑料薄膜，開始實驗。將實驗時長定為15 min，實驗結(jié)束后，取出微通道換熱器，排出微通道換熱器內(nèi)殘留的冷卻液，用精密天平測量此時微通道換熱器的重量，然后將微通道換熱器表面霜層烘干，換熱器表面水分完全烘干后，再次稱量換熱器重量，兩次稱量重量之差即為微通道換熱器表面結(jié)霜量。

表1 換熱器幾何參數(shù)

圖2 翅片和扁管的結(jié)構(gòu)

圖3 熱電偶布置

表2 測量儀器參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

空氣側(cè)顯熱換熱量由式(1)計算：

Qsen=macp,a(Ta,in-Ta,out)

(1)

式中：Qsen為空氣側(cè)顯熱換熱量，W；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp,a為濕空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)；Ta,m為換熱器迎風(fēng)面濕空氣溫度，℃；Ta,out為換熱器背風(fēng)面濕空氣溫度，℃。

冷卻液側(cè)換熱量：

Qr=mrcp,r(Tr,out-Tr,in)

(2)

式中：Qr為冷卻液側(cè)換熱量，W；mr為冷卻液質(zhì)量流量，kg/s；cp,r為冷卻液定壓比熱容，J/(kg·K)；Tr,in為冷卻液入口溫度，℃；Tr,out為冷卻液出口溫度溫度，℃。

換熱器的總傳熱系數(shù)使用對數(shù)平均溫差法計算：

Qsen=FKAairΔTLM

(3)

式中：F為橫流校正因子，本實驗取值約等于1；Aair為空氣側(cè)傳熱面積，m2；K為換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ΔTLM為對數(shù)平均溫差,℃。

(4)

ΔT1=Ta,in-Tr,out

(5)

ΔT2=Ta,out-Tr,in

(6)

結(jié)霜工況下的空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hair由式(7)計算[12]：

(7)

扁管內(nèi)冷卻液的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hr由式(8)計算[21]：

(8)

(9)

(10)

式中：Ar為制冷劑側(cè)傳熱面積，m2；η為有效傳熱效率；d為扁管水力直徑，m；k為冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；l為扁管的長度，m；Pr為普朗特數(shù)；μr為冷卻液的動力黏度，Pa·s。

翅片效率由式(11)計算[22]：

(11)

(12)

L=Fh/2

(13)

式中：kf為翅片導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；δf為翅片厚度，m；Fh為翅片高度，m。

有效傳熱效率通過式(14)計算[23]：

(14)

式中：ηf為干燥工況下微通道換熱器翅片效率；Af為翅片面積，m2。

2 環(huán)境因素對霜層形貌的影響分析

結(jié)霜是一種常見的自然現(xiàn)象，當(dāng)濕空氣流經(jīng)冷表面時，溫度降低，濕水蒸氣可能會在濕空氣中析出，凝結(jié)成霜[24]，在不同的環(huán)境因素下，霜層生長的過程及形態(tài)存在較大差異[25]。為深入研究微通道換熱器結(jié)霜的影響因素，本文首先針對鋁表面霜層生長的基本理論進行研究。

2.1 結(jié)霜機理

結(jié)霜是一個非均相成核的過程，相變驅(qū)動力越大，成核速率越快，越容易結(jié)霜。在冷表面結(jié)霜的過程中，通常認(rèn)為相變發(fā)生在距離冷表面極近的溫度邊界層內(nèi)，在該邊界層內(nèi)的濕空氣屬于過飽和狀態(tài)。此時，過飽和水蒸氣的自由能可由式(15)表示[26]：

F1=U-S1Tair

(15)

式中：U為系統(tǒng)的內(nèi)能,J；S1Tair為過飽和濕空氣中有熱運動引起系統(tǒng)無序的宏觀量度；S1為過飽和濕空氣的熵值,J/K；Tair為濕空氣溫度，K。

由相變熱力學(xué)可知，相變是內(nèi)能和熵競爭的結(jié)果。在濕空氣中，當(dāng)水分子間的相互作用引起的有序大于由熱運動引起的無序時，水蒸氣就會發(fā)生相變。假設(shè)Tair不變，則發(fā)生相變狀態(tài)的濕空氣自由能可表示為：

F2=U-S2Tair

(16)

在過飽和濕空氣中，由相變引起的自由能的降低為：

Δg=F2-F1=Tair(S1-S2)

(17)

在統(tǒng)計熱力學(xué)中，熵可由式(18)表示：

S=klnW

(18)

式中：S2為飽和濕空氣的熵值，J/K;k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；W為一個宏觀狀態(tài)對應(yīng)的微觀狀態(tài)的總數(shù)。

由于系統(tǒng)的宏觀量是微觀量的統(tǒng)計平均值，則W可表示為：

W∝f(p,T)

(19)

(20)

式中：p為壓力，Pa；T為溫度，K；Ω為霜晶核的摩爾體積,L/mol。

綜合式(15)～式(20)，水蒸氣發(fā)生相變的相變驅(qū)動力可表示為：

(21)

式中：ps為Tair下的飽和水蒸氣分壓力，Pa。

由式(21)可知，過飽和濕空氣的溫度及該溫度下濕空氣的飽和比是影響相變驅(qū)動力的主要因素。

當(dāng)來流濕空氣含濕量ω為定值時，p保持不變，取霜晶核的摩爾體積為1.96×10-6L/mol，圖4所示為相變驅(qū)動力隨過飽和濕空氣溫度及來流濕空氣含濕量的變化。由圖4可知，隨著Tair的減小，相變驅(qū)動力逐漸增大，ω越大，相變驅(qū)動力越大。 而且Tair與來流濕空氣在冷表面獲得的冷量有關(guān)。濕空氣與冷表面的換熱量越大，冷表面附近的Tair越低。

圖4 相變驅(qū)動力變化趨勢

式(22)為牛頓冷卻公式：

q=h(Tair-Tw)

(22)

h=(v,L,Fph)

(23)

式中：h為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Tw為冷表面溫度，K；v為濕空氣的氣流速度，m/s；L為冷表面的特征長度，m；Fph為濕空氣的物理性質(zhì)(密度、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等)。

在冷表面形態(tài)及濕空氣物理性質(zhì)不變的情況下，濕空氣溫度、冷表面溫度及氣流速度決定著冷表面與濕空氣之間的熱流密度?？芍瑵窨諝獾臏囟?、含濕量、氣流速度及冷表面溫度均會影響霜層的生長速率。

2.2 霜層形貌

霜層的生長是個極其復(fù)雜的過程，為了更加了解霜層生長的過程，使用CCD顯微攝像頭觀測霜層生長過程中的微觀形態(tài)，顯微鏡型號為Olympus SZ61，物鏡放大倍數(shù)45倍，目鏡放大倍數(shù)為2倍，CCD相機像素1 000萬。圖5所示為觀察霜層生長過程的實驗裝置。

圖5 霜層生長過程實驗裝置

通過改變濕空氣的溫度、含濕量、氣流速度及冷表面溫度，觀察其對霜層生長形貌及霜層高度的影響。實驗時長為15 min，實驗開始前用塑料薄膜覆蓋冷表面，避免冷表面結(jié)霜，待濕空氣及冷表面狀態(tài)穩(wěn)定后，去掉塑料薄膜，開始實驗。每隔5 min使用CCD顯微攝像頭拍攝一次霜層照片，顯微鏡放大倍數(shù)為30倍，在實驗開始前使用標(biāo)尺記錄該放大倍數(shù)下1 mm所占像素數(shù)，通過測量霜層最高點所占像素數(shù)計算霜層的高度。表3所示為實驗設(shè)置參數(shù)，以Case1為基線，對比不同因素對霜層生長的影響。

圖6所示為不同環(huán)境因素下霜層高度對比。由圖6可知，濕空氣溫度及冷表面溫度越低，濕空氣含濕量及氣流速度越高，霜層高度越大。在實驗前期，Case1和Case2霜層高度相差較小，在實驗10 min后，Case1霜層高度逐漸高于Case2。在結(jié)霜15 min時，Case1～Case5的霜層高度比結(jié)霜5 min時霜層高度分別增大46.3%、36.9%、43.8%、36.1%、45.2%。因此，濕空氣溫度及冷表面溫度越低，霜層高度增長趨勢越大。

表3 實驗工況

圖6 不同環(huán)境因素下霜層高度

雖然增大濕空氣濕度及氣流速度，霜層高度增大，但在實驗15 min內(nèi)，Case3及Case4的霜層高度增長趨勢卻小于Case1，這是由于結(jié)霜量的增加增大了冷表面與濕空氣之間的導(dǎo)熱熱阻，使霜層表面溫度較高。霜層表面溫度越高，相變驅(qū)動力越小，導(dǎo)致霜層高度增長趨勢降低。

圖7所示為不同濕空氣溫度、含濕量、氣流速度及冷表面溫度下霜層生長的微觀形貌。隨著結(jié)霜時間的增長，霜層高度逐漸增長，且不同的環(huán)境工況下，霜層的形貌存在差異。

對比Case1、Case2可以觀察到，在結(jié)霜15 min時，Case1霜層頂部相較于Case2更加稀疏，胡珊[27]關(guān)于冷表面結(jié)霜的研究表明，在來流濕空氣含濕量不變的情況下，提高濕空氣溫度將增大結(jié)霜量。由此可見，降低濕空氣溫度導(dǎo)致霜層的密度下降。

圖7 不同境因素下結(jié)霜形貌(單位：mm)

對比Case1、Case3可以觀察到，Case3霜層頂部的霜枝呈圓弧狀，與Case1的針狀霜枝相比，圓弧狀霜枝霜層表面更加平滑。由此可見，濕空氣含濕量越高，霜層表面粗糙度越低。

對比Case1、Case4可以觀察到，Case4沿氣流方向霜層高度呈上升的趨勢。這是由于當(dāng)濕空氣流經(jīng)冷表面時，沿冷表面方向濕空氣溫度逐漸降低，導(dǎo)致沿氣流方向過飽和濕空氣溫度降低，相變驅(qū)動力增大，導(dǎo)致霜層生長速度更快。

對比Case1、Case5可以觀察到，Case5霜枝直徑明顯大于Case1。這是由于，冷表面溫度越高，熱流密度越小，冷表面附近過飽和濕空氣溫度越高。在相同含濕量下，濕空氣溫度越高，其過飽和度越小，霜晶生長形態(tài)更趨向于板狀或柱狀。

3 環(huán)境因素對換熱器結(jié)霜特性影響

在該實驗系統(tǒng)中，因為冷卻液溫度決定了微通道換熱器的表面溫度，所以通過低溫恒溫槽為微通道換熱器提供恒定溫度的冷卻液，進而保證微通道換熱器表面溫度恒定對數(shù)平均溫差，避免了由于冷卻液分布不均勻而造成結(jié)霜差異的影響。本實驗采用單因素實驗方法，研究了不同環(huán)境因素對微通道換熱器結(jié)霜特性的影響，并基于相變驅(qū)動力，分析微通道換熱器在不同環(huán)境因素下的結(jié)霜量及換熱性能的變化規(guī)律，實驗工況如表4所示。

表4 研究環(huán)境因素對換熱器結(jié)霜特性影響的實驗工況

3.1 濕空氣溫度對結(jié)霜特性的影響

圖8和圖9分所示別為冷卻液入口溫度Tr，in=-15 ℃，濕空氣含濕量ωa，in=4.3 g/(kg干空氣)，氣流速度v=2.0 m/s， 濕空氣溫度Ta，in=7.0、9.0、11.0、13.0 ℃實驗條件下，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量的變化規(guī)律。

由圖8和圖9可知，濕空氣溫度越高，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量越大。在結(jié)霜15 min時，Ta，in為13.0 ℃工況下?lián)Q熱器表面結(jié)霜量比7.0 ℃工況下提高了13.7%。這是由于濕空氣溫度越高，濕空氣與微通道換熱器的傳熱溫差越大，導(dǎo)致?lián)Q熱量增大，換熱器表面溫度邊界層內(nèi)的濕空氣過冷度增大。在相同的含濕量下，濕空氣的過冷度越大，水蒸氣凝固為霜晶的相變驅(qū)動力越大，換熱器結(jié)霜量越大。

隨著換熱器表面結(jié)霜量的增加，換熱器換熱量逐漸下降。這是由于隨著換熱器表面結(jié)霜量的增加，霜層將堵塞百葉窗之間的縫隙，導(dǎo)致空氣擾動減小，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)逐漸下降，且霜層厚度的增加，導(dǎo)致?lián)Q熱器表面熱阻增大，換熱器總傳熱系數(shù)下降，導(dǎo)致?lián)Q熱量降低。隨著結(jié)霜時間的延長，濕空氣溫度越小，換熱量及對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降越快。在結(jié)霜15 min時，Case1～Case4的換熱量分別下降38.01%、26.32%、24.84%、18.81%。這是由于在相同含濕量及冷表面溫度下，濕空氣溫度越低，霜層高度增長趨勢越大，換熱器表面霜層熱阻越大，且霜層高度越大，翅片間的氣流通道越小，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量和對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降趨勢越大。

圖8 不同濕空氣溫度下的換熱量變化

圖9 不同濕空氣溫度下的結(jié)霜量

3.2 濕空氣含濕量對結(jié)霜特性的影響

圖10和圖11所示分別為濕空氣溫度Ta，in=9.0 ℃，冷卻液入口溫度Tr，in=-15 ℃，氣流速度v=2.0 m/s，濕空氣含濕量ωa，in=3.58、4.30、5.03、5.75 g/(kg干空氣)實驗條件下，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量的變化規(guī)律。

由圖10和圖11可知，濕空氣含濕量越高，換熱器結(jié)霜量越大。在結(jié)霜15 min時，ωa，in為5.75 g/(kg干空氣)工況下的換熱器表面結(jié)霜量比3.58 g/(kg干空氣)工況下提高了63.87%。這是由于濕空氣含濕量越高，飽和壓比越大。以冷卻液入口溫度為濕空氣能達到的最低溫度，Case5、Case2、Case6、Case7的最大飽和壓比分別為3.46、4.15、4.85及5.54。由于飽和壓比的增大，導(dǎo)致相變驅(qū)動力增大，結(jié)霜量增大。在相同的結(jié)霜時間內(nèi)，濕空氣含濕量越高，霜晶的生長速率越大，換熱器表面結(jié)霜量越大。

圖10 不同濕空氣含濕量下?lián)Q熱量的變化

圖11 不同濕空氣含濕量下的結(jié)霜量

此外，在實驗初期，濕空氣含濕量越高，換熱器換熱量越大。這是由于含濕量越高，結(jié)霜速率越快，單位時間內(nèi)釋放的潛熱越多，導(dǎo)致?lián)Q熱量增大。隨著結(jié)霜時間的繼續(xù)增長，微通道換熱器換熱量逐漸下降，濕空氣含濕量越大，換熱器換熱性能衰減越大，在結(jié)霜15 min時，Case5、Case2、Case6、Case7換熱量分別下降16.44%、26.32%、36.18%、44.15%。這是由于含濕量越大，結(jié)霜量越大，霜層熱阻越大，換熱性能衰減越大。

3.3 氣流速度對結(jié)霜特性的影響

圖12和圖13所示分別為濕空氣溫度Ta，in=9.0 ℃，冷卻液入口溫度Tr，in=-15 ℃，濕空氣含濕量ωa，in=4.3 g/(kg干空氣)，氣流速度v=1.0、1.5、2.0、2.5 m/s實驗條件下，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量的變化規(guī)律。

由圖12和圖13可知，換熱器表面結(jié)霜量及換熱量隨氣流速度的增大而增大。結(jié)霜15 min，氣流速度為2.5 m/s工況下?lián)Q熱器表面結(jié)霜量比1.0 m/s工況增加了55.4%。這是由于氣流速度越大，濕空氣流經(jīng)換熱器時氣流擾動越劇烈，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，換熱器換熱量越大。在實驗開始時，氣流速度分別為1.0、1.5、2.0、2.5 m/s的工況下，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為41.41、50.93、60.32、76.46 W/(m2·K)。換熱器換熱量越大，濕空氣過冷速度越快，水蒸氣相變驅(qū)動力越大。同時，氣流擾動的增大導(dǎo)致濕空氣中水蒸氣的對流擴散速率增大，濕空氣的傳質(zhì)系數(shù)隨之增大，最終導(dǎo)致結(jié)霜量增加。

圖12 不同氣流速度下?lián)Q熱量的變化

圖13 不同氣流速度下的結(jié)霜量

此外，隨著結(jié)霜時間的增長，氣流速度越大，換熱性能衰減越大。在結(jié)霜15 min時，2.5 m/s工況下?lián)Q熱量衰減36.38%，而1.0 m/s工況下?lián)Q熱量衰減21.45%。這是由于在濕空氣溫度、冷卻液溫度及含濕量相同的情況下，氣流速度越高，水蒸氣相變驅(qū)動力越大，霜層生長越快，導(dǎo)致空氣自由流通面積減少，導(dǎo)熱熱阻增加，從而造成換熱量及對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降越快。

3.4 冷卻液溫度對結(jié)霜特性的影響

圖14和圖15所示分別為濕空氣溫度Ta，in=8.5 ℃，含濕量ωa，in=4.86 g/(kg干空氣)，氣流速度v=2.0 m/s，冷卻液入口溫度Tr，in=-12、-14、-16、-18 ℃實驗條件下，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量的變化規(guī)律。

由圖14和圖15可知，冷卻液溫度越低，微通道換熱器換熱量及結(jié)霜量越大。在結(jié)霜15 min時，Tr，in為-18 ℃工況下?lián)Q熱器表面結(jié)霜量比-12 ℃工況下提高了15.6%。這是由于冷卻液溫度越低，濕空氣與微通道換熱器的傳熱溫差越大，換熱量越大(實驗開始時，Case11～Case14的對數(shù)平均溫差分別為10.88、11.9、13.08、14.34 ℃)。而在相同的來流濕空氣狀態(tài)下，冷卻液溫度越低，換熱器表面溫度越低，過冷濕空氣溫度越低，飽和壓比越大，相變驅(qū)動力越大，換熱器結(jié)霜量越大。此外，隨著結(jié)霜時間的增長，換熱器換熱量逐漸下降，且冷表面溫度越低，下降趨勢越大。在結(jié)霜15 min時，Case11～Case14的換熱量分別下降48.89%、56.25%、59.87%、61.15%。

圖14 不同冷卻液溫度下?lián)Q熱量的變化

4 結(jié)論

本文基于相變驅(qū)動力分析結(jié)霜機理，觀察了不同環(huán)境因素下冷表面霜層生長形貌，并實驗研究分析了濕空氣溫度、含濕量、氣流速度及冷卻液溫度對微通道換熱器結(jié)霜量的影響以及換熱量隨結(jié)霜時間的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 提高濕空氣溫度、含濕量、氣流速度及降低冷卻液溫度均將導(dǎo)致水蒸氣相變驅(qū)動力增大，霜層生長高度增大，微通道換熱器結(jié)霜量增大。

2) 濕空氣含濕量及氣流速度是影響微通道換熱器結(jié)霜的主要因素。結(jié)霜15 min，實驗工況為：濕空氣溫度Ta，in=9.0 ℃，冷卻液入口溫度Tr，in=-15 ℃，氣流速度v=2.0 m/s，含濕量5.75 g/(kg干空氣)工況下，換熱器表面結(jié)霜量比含濕量為3.58 g/(kg干空氣)時提高了63.87%；結(jié)霜15 min，實驗工況：濕空氣溫度Ta，in=9.0 ℃，冷卻液入口溫度Tr，in=-15 ℃，濕空氣含濕量ωa，in=4.30 g/(kg干空氣)，氣流速度2.5 m/s工況下，換熱器表面結(jié)霜量比1 m/s時增加了55.4%。

3) 隨著結(jié)霜時間的增長，濕空氣溫度、冷卻液溫度越低，含濕量、氣流速度越大，換熱量下降趨勢越明顯。