（制冷及低温工程专业论文）恒温恒湿系统除霜控制方法的研究.pdf

中文摘要 本文旨在研究恒温恒湿系统除霜控制方法，寻找到最优的除霜开始时刻和除 霜结束时刻，使得除霜时库内温度保持在不影响果蔬品质的范围内，同时除霜间 隔最大。以此为目的，本文研究了本实验台结霜时库内温度、湿度和风机转速对 结霜的不同影响，分析了不同工况下参数的不同变化规律。在结霜达到不同的厚 度时开始除霜，同时结合不同的停除霜加热器的时刻，分析了这些不同的开始除 霜和结束除霜时刻对库内温升的影响。根据结霜和除霜实验的分析结果，提出了 以稳定运行时间、翅片温度、穿过蒸发器的空气压差、库内温度与蒸发温度的差 值、库内温度与蒸发温度差值的变化率作为除霜开始时刻的控制参数，以压差和 翅片温度作为除霜结束阶段主要参数的除霜控制方法，并确定了各参数的设定 值。 同时，本文结合本实验台变频的特点，提出了“低频除霜”的除霜控制方法， 并比较了在结霜厚度达到相同值后开始“停机除霜”和“低频除霜”的区别，分 析了两者的优劣。 最后本文设计完成了“停机除霜 与“低频除霜”控制方法的程序流程，根 据除霜流程编制了除霜控制程序，最后对本文的除霜控制方法的特点进行了总 结。 关键词：结霜，除霜，除霜控制方法，控制参数，低频除霜。 a b s t r a c t 1 1 1o r d e rt 0m a i l l t a i l lt h et e l 】叩e r a t u r eu n d e rn l ec o i 1 1 eo f 自l i t s 锄dv e g e t a b l e s s t o r a g ew h e nd e 怕s t i i l g ，a n da tt h es 锄et i i n ed e 丘o s ta sl e a s ta sp o s s i b l ei nap e r i o d o f 缸e ，t l l eo p t i i n u mb e g i 疵n gt i m ea n de n dt i m eo fd e 丘d 8 to ft t l i sc o l ds t o r a g e s y s t 锄m u s t b e f o 吼d f o r 恤sp u 叩o s e ，也e 缸1 p a c to np a r a m e t e r so fa i rt e l 】叩e r a t u r e ，h l l i i l i d i t ) ra n df 抽 s p e e dw h e l l 缸o s ti s 锄a l y z e d 知l dt h ei i l n u e i l c e so nt t l er i s eo ft e 】n p e r a t u r ei i l s i d em e c o l ds t o r a g eo fd i f f 舐n tb e g i i l i l i n gt h n e 趾de 1 1 dt i i i l eo fd e f - r o s ta r ea l s os t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e 丘i o s ta i l dd e f r o s te x p e d m e n tr e s u l t s ，t l l et 硫em a tt 1 1 e s y s t e ms t a _ b l e 叩e r a t e ，m ef mt e m p e r a _ t u r e ，m ep r e s s m em 鹕i i lo ft h ea i rm r o u g h 恤 e v 印o m t o r t h em a 玛i i lo fb a i 墩t e m p e r a t u r ea n de v a p o r a t i o nt e m p e r 籼e ，m er a t eo f m em a r g i i lc h a n g eo fb a n kt 锄p e r a t u r ea n de v a p o r a ! t i o nt e m p e r a t u r ea r et a k e l la sm e c o m r o lp a r a m e t e r so ft h ed e f r o s tb e g i i l l l i n gt i i i l e ，a n dt h ep r e s s u r em a r g i no fm ea i r t h r o u 啦也ee v a p o r a t o r 狮dt h ef l mt e l n p e r a t u 】陀a r et a ：k e n a st h em a i l lc o n 缸o l p a r a m e t e r so fm ed e 丘d s te r l dt i i i l e t h ev a l u e so f t h ep a r a m e t e r sa r ea l s oc o n 血m e d o na c c o u l l to ft h ec 1 1 a r a c t e r i s t i c so f 自o q u e n c y - c o n v e r s i o no ft h j s s y s t e m ， “l o w f r e q u e n c yd e f r o s t i n g ”i sp r o p o s e dt h i sp a p e r a n dt l l e p r o sa n dc o i l so f “l o w 珩e q u e n c yd e f r o s t i n g a n d “s h u t d o 帅d e f r o s t i n g ”a r ea n a 嘶s e d 1 1 1 ed e f r o s t i 1 1 t e r f a c ea n d 1 ed e f - r o s tc o n t r 0 1p r o c e s sa r ec o r n p l e t e df m a l l y k e yw o r d s ：丘d s t ，d e 舶s t ，d e 舶s t i n gc 叩仃o lm e t h o d s ，p a r 锄e t e r s ，l o w - 丘e q u e n c yd e f 如s t m g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：可帮辱 签字日期：如如年。月。6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 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由于空气露点温度t l e l 降到低于室外换热器表面温度t f e ，不发生结霜现象；当 气温低于1 2 8 时，由于空气绝对含湿量太小，也不发生结霜现象。 从图1 1 可以看出，在空气源热泵中，当室外干球温度在5 t 8 5 时结霜最为严重。 本恒温恒湿实验台可作为微型果蔬冷库。据有关参考文献，在果蔬冷藏中， 菠萝适宜在5 左右储藏，柑橘宜在3 叫储藏，香蕉如在+ 1 2 以下时间 太久便不能催熟。而北方生长的，又是秋冬成熟的苹果、梨等果实，一般都可在 0 左右的温度中储藏。例如金冠、红星苹果宜在0 5 1 0 储藏，鸡冠、 国光苹果宜在一1 o 储藏，刀豆、青豆宜在1 3 储藏【4 1 。果蔬贮藏 条件的一般原则是：温度在叫之间【5 1 ，湿度要求在8 5 叫0 左右【4 】。 从以上可以得出，本恒温恒湿冷库系统来有较大概率运行在极易结霜的环境 下，所以，需要对本系统的除霜进行研究。 除霜研究主要从以下几个方面入手【r 7 j ： ( 1 ) 对机组进行优化设计； ( 2 ) 减少结霜； ( 3 ) 采用较好的化霜控制方法。 有位美国学者对一台风冷热泵进行了长期测试，其结果表明，除霜能耗占 总能耗的1 0 2 ，而由于除霜控制方法的问题，大约2 7 的除霜是在翅片表 面结霜不严重、不需要除霜的情况下进行的，这样既造成了能源的浪费，又降低 了供热效率【8 】。 所以，本文对除霜控制方法进行研究是非常必要的。 1 1 2 除霜控制方法的研究内容 要研究除霜控制方法，首先要区别“除霜方法”和“除霜控制方法”。 所谓“除霜方法”( 有的学者又称为除霜方式) ，使指制冷或热泵系统中，蒸 第一章绪论 发器表面结霜后，采用何种方式将霜层融化除掉凹1 。 制冷系统目前采用的除霜方式主要有n 们： ( 1 ) 人工扫霜：操作人员手拿清除工具直接在蒸发器的表面上去除凝霜。一 般只适用于冻结物冷藏库的墙排管和顶排管的除霜。 ( 2 ) 水冲霜：把喷水管装于蒸发器的上方，除霜时，通过喷水管向霜层表 面均匀喷射带有一定压力的水。 ( 3 ) 热气融霜：热气融霜包括逆循环融霜，即俗称的四通阀换向融霜。该 方法是把经过油分器滤油后的压缩机排气引入蒸发器里，利用热气的显热和潜 热来加热和融化蒸发器外表面的凝霜，从而达到除霜的目的 ( 4 ) 热电融霜：把电热丝缠绕在蒸发器表面，由时间继电器控制融霜时间 优点是方法简单易行，最易实现自动化。 ( 5 ) 压缩空气除霜：无霜式速冻装置采用压缩空气巡回式喷射蒸发器表面， 随时清除蒸发器表面的微小凝霜，使蒸发器表面始终保持“无霜”的状态。 此外，还有热气融霜+ 水冲霜、空气自然回温除霜等除霜方法。 本恒温恒湿系统采用热电融霜。 而所谓的“除霜控制方法 嘲( 又叫除霜控制逻辑) ，是指制冷或热泵系统 蒸发器表面结霜后，采用什么样的判断方法，分别对系统发出启动和终止除霜的 指令。 】 己 、； 一一 结君期 一睦霜期一、， 下一周期 霜i 排永 i 缓彩缓笏髫缀黝缓彩缓黝 图1 2 除霜周期图 具体来讲，如图1 2 所示，就是确定除霜开始时刻即图中l 点时刻和除霜结 束时刻即图中3 点时刻。 除霜控制的最优目标是按需除霜，即：当结霜厚度达到明显影响传热效率时 ( 图1 2 中1 点时刻) 开始除霜，当霜融化及流走后( 图1 2 中3 点时刻) 结束 除霜。 对1 点除霜开始时刻，若热泵除霜开始的时刻比较晚，蒸发器早已布满了霜， 这样就会严重的影响热泵的正常运行；若热泵除霜开始的时刻比较早，这时蒸发 器还未结霜或只结了少量的霜，这样就会频繁除霜，造成能源浪费，同时不利于 第章绪论 库内物品品质的保证。 对3 点除霜结束时刻，若除霜结束过早，未将霜层除干净，或留有余水，当 又进入下一轮制冷过程时，未除掉的霜层和余水将会快速地冻结为密度较大的霜 或冰，当系统再次进入除霜时，将会比上次更加难以除净；过晚停止，库温上升 过高，不利于库内物品品质的保证，且浪费能源。 要精确地确定除霜开始和结束的时刻，关键之一是选择合适的控制参数。对 除霜开始时刻，可供采用的参数有：压缩机制冷运行时间、空气流经蒸发器的压 差变化、蒸发温度和换热空气温度之差、风机电流、通过蒸发器的风速等等。对 除霜结束时刻，可供采用的参数有：蒸发器盘管表面温度、除霜循环时间( 设定 最小值和最大值) 等。 根据采用的不同的控制参数，从而形成了不同的除霜控制方法。 1 1 3 国内外研究现状 根据采用的不同的控制参数，目前在国内外工业生产中使用的除霜控制方法 有1 ： ( 1 ) 定时除霜法：这是早期风冷热泵除霜控制所采用的一种方法。机组设定 了固定的热泵制热循环时间，不管环境条件如何，时间一到，机组即转入除霜循 环。为防止蒸发器上过多结霜，其时间的设定往往考虑了最恶劣的环境条件。这 种方法难以适应机组不同的工作条件，产生不必要的除霜动作，影响热泵机组的 效率。 ( 2 ) 时间一温度( 压力) 法：这是目前风冷热泵机组用得较为普遍的一种除霜 控制方法。随着霜层的增加，机组工作的蒸发温度( 压力) 会相应下降，蒸发器翅 片管的温度也会下降，因此，设定一个蒸发温度( 压力) 或蒸发器翅片管的温度值 及一个同上次除霜的时间间隔值，当传感器感受的温度( 压力) 及机组制热工作时 间均达到设定值时，开始进行除霜循环。机组的制热工作时间可根据具体条件改 变。通过感受翅片管的温度达到某一值时结束除霜循环，这个温度一般设定为 1 2 1 5 。这种方法较定时除霜法有所进步，但仍未克服除霜控制对机组工作条 件适应性差的缺点，仍会产生不必要的除霜。对于用逆循环除霜的机组来讲，除 霜不仅降低了机组效率，也增加了机组工作状况来回变化产生的压力冲击及四通 阀动作次数，对机组的可靠性产生不利影响。为此，人们对热泵机组的除霜控制 提出了根据需要进行除霜的要求。以下几种除霜控制法都是基于此要求来进行除 霜控制的。 ( 3 ) 空气压差控制除霜法：由于结霜及霜层增长，加大了流过蒸发器的气流 阻力，蒸发器两侧空气压力差增大，通过测量蒸发器两侧空气压差，在压差达到 第一章绪论 一个预定值时开始进行除霜。这种方法可实现根据需要除霜，但在蒸发器表现有 异物遮挡或严重积灰时会出现误动作，且该微压差较不易测量。 ( 4 ) 霜层传感器控制除霜法：蒸发器上的霜层情况可由光电或电容探测器直 接监测。用一个光源配套探测器或将一对电容装在盘管上，当霜层挡住光源或改 变了介电常数时，电路将此信号变化为除霜触发信号；但因它要用到很稳定的高 增益放大器和很高的频率，以及传感器价格偏高，在实际机组上难以推广应用。 ( 5 ) 声音振荡器控制除霜法：由于共鸣频率与质量有关，随着霜层的积累， 共鸣频率就发生显著的变化，通过监测安装在蒸发器内的声音振荡器的共鸣频率 来推知霜层厚度，以控制除霜动作，这种装置的造价高而不能用于实际的热泵机 组上。 ( 6 ) 最大平均供热量控制除霜法：文献 1 2 介绍了一种以最大平均供热量作 为衡量依据的除霜控制方法。平均供暖能力q m 定义为： 1州。 q = 【叼姒f ) 巩 ( 1 1 ) t 七t 蟛t 式中，t 供暖运行时间o t 如广t 时间后所需除霜时间。 由于除霜结束，恢复供暖时，机组供暖能力有一个恢复过程，供暖能力 由小到大；而当蒸发器表面结霜，蒸发器与大气换热量减少时，机组供暖能力又 呈下降趋势。因此，若除霜间隔时间短，由于供暖恢复不足，供暖时间占整个供 暖加除霜时间( t + t 如，) 的比例小，从而使得q m 较低，反之，若供暖时间过长， 结霜严重，也使得供暖时间加除霜时间变大，供暖期间，机组在低供暖能力下工 作时间较长，从而妯下降。所以，有一个机组最佳供暖时间，使q m 有一最大值 咖 。文献 1 认为：对应于一定的大气温度，有一机组蒸发温度。在大气温 度为t 。时，当热泵机组的蒸发温度降到t 。时开始除霜。通过实测得到对应大气 温度下使机组有最大平均供热能力 锄 。的蒸发温度f 1 线。随着结霜，蒸发温 度t 。下降，并不断向f 1 线靠近，当蒸发温度到达f 1 上时，即是除霜循环开始的 触发点。f 2 线表示除霜对应的蒸发温度的设定值，它比f 1 低，在此条件下除霜， 平均供暖能力将比蒸发温度在f l 上除霜时低。此除霜控制方式在实践上有一些 问题，这是因为蒸发器的结霜状况不但受大气温度的影响，还受大气相对湿度的 影响；此外，不同的机组由于蒸发器结构( 如换热面积、翅片片距及翅片型式等) 以及与风机匹配的关系均不同，故蒸发温度与最大平均供暖能力的关系实际上是 一个多元复杂的关系，不是二维图线所能表示的。对于小型家用空调器尚有可能 通过实验作出的曲线，而对于中大型风冷热泵，由于无相应的人工环境室，很难 第章绪论 获得曲线。该方法在除霜控制指导思想上有一定意义，在实施上却较困难。 ( 7 ) 最佳除霜时间控制法：文献 1 3 认为除霜时间与结霜量之间存在一定 关系，若确定一个优化的除霜时间，则可控制热泵机组的结霜量，文中提出了确 定霜积累时间的关系式： t a = t ( a 1 ) + k ( d a d o )( 1 2 ) 式中t a _ 一下一个霜积累的时间长度； d 0 川化的除霜时间； d a 上一次实际的除霜时间； l 卜系统常数，它决定了由d a 向d o 接近的速度。 其控制过程为：假设最佳除霜时间d o 为5 分钟，k = 4 ，上一次结霜时间t ( a _ 1 ) 为4 0 分钟，若上一次除霜时间d a 也为5 分钟，则t a = t ( a 一1 ) = 4 0 分钟，即下一 次结霜时间为4 0 分钟；若环境状态变化，上一次除霜时间为3 分钟，则认为上 一次在结霜不足的情况下除霜，下一次的结霜时间变为t a = 4 0 + 4 x ( 5 3 ) = 4 8 分 钟，延长了热泵工作时间；若上一次除霜时间为6 分钟，则认为结霜量偏大，下 一次结霜时间变为t a = 4 0 + 4 x ( 5 川) = 3 6 分钟。这样的控制算法使得结霜时间可以 动态修正，目标是使实际除霜时间向设定的优化除霜时间逼近。这种除霜控制方 法可以自动调节热泵机组的运行状况以适应不同的气候条件，但也有一些有待进 一步解决的问题，首先是最佳除霜时间如何确定，为适应最佳除霜时间而造成频 繁除霜时，应有相应的解决措施；其次，在天气突然变化时，这种控制的适应性 欠佳，如在温度低而相对湿度也较低时，除霜时间会变得很长，一旦突遇雨雪， 除霜控制难以迅速适应天气变化，使得蒸发器严重结霜。 陈云水n 钔在研究了一般除霜控制的基础上，提出了智能除霜控制系统，利用 机组的电脑控制判断盘管上是否结霜或结霜多少。这种控制系统的优点在于可根 据实际需要进行除霜，且不受人为因素的干扰，压缩机损耗较小，因而热泵寿命 较长。 东南大学黄虎n 酗等提出自调整模糊除霜控制，以大气温度、大气相对湿度、 制热运行时间、风机电流、大气温度与翅片温度之差、翅片温度的变化率作为输 入论域，采用模糊控制算法，给出除霜循环的触发信号。在进行除霜循环期间， 通过对除霜过程中热泵机组的状态，蒸发器翅片管的温升、进出水温等的变化的 监测，对上一次的控制量进行校正，这样可使除霜控制自动适应环境参数的变化， 提高除霜控制水平u u 。 除了上述方案外，还有其它类型的设计方案，例如：以整机功率变化作为判定 依据之一的方案：以室外风机电流变化为特征值的方案：以室内多传感器的检测 参数为依据( 变频空调常用三支传感器分别测量管温和进出口风温) ：有研究者 第一章绪论 研制“白色度”传感器来检测结霜订1 。 符建坤等n 6 1 提出在高湿工况下：( 1 ) 1 0 m i n 内蒸发温度降低0 5 以上，蒸 发温度的降幅增加到前一时刻的1 5 倍左右开始除霜。( 2 ) 当热泵运行到空气穿 过蒸发器的压降卸增加到霜时的1 9 0 左右时开始除霜，此时热泵制热能力下 降约1 5 ，而c o p 降低约1 0 。 1 2 本文研究的重点及研究方法 在以上对除霜控制方法的研究中，关注点多集中在如何控制除霜使系统运行 能耗最小，而忽略了制冷系统首要的目标一保证获得的温度在一个稳定的范围 内。而且，在这些除霜控制方法中，有的简单但不能实现按需除霜，如定时除霜 法、时间一温度法等，有的能按需除霜但实现起来非常复杂，难以在工程实际中 广泛使用，如自调整模糊除霜控制等。所以，本文研究的目标为：寻找一种相对 比较简单易于实现的除霜控制方法，保证系统控制的温度在除霜时仍然稳定一定 范围内，实现按需除霜，尽量减少除霜的次数，以达到节能的目的。 本文的研究工作具体包括： 1 结霜实验 结霜规律的正确预测，才是保证除霜效果的良好前提，所以首先要对本 恒温恒湿冷库系统进行结霜实验，获得本制冷系统的结霜规律。 影响结霜的因素除换热器( 蒸发器) 的结构外，最主要为空气的温度、 湿度和迎面风速，所以本文在结霜实验中主要研究送入蒸发器的空气温度、 湿度和风机转速对结霜后机组性能参数如翅片温度、蒸发器出口风温、空气 穿过蒸发器的压降、蒸发温度等随霜层增厚的变化规律。 2 除霜实验 在不同结霜厚度下开始除霜，结合不同停除霜加热器时刻，观察库内温 升等参数的变化。 鉴于本实验台变频的特点，尝试在不同结霜厚度下低频除霜，与停机除 霜进行比较。 3 根据结霜和除霜实验结果，制定除霜控制方案 根据实验结果的得出的各参数的变化规律，选择最优控制参数。根据实 验得出时的数据，设定开始除霜和结束除霜时刻的控制参数的值，保证除霜 时库内温升在所设定的精度范围内。在本实验台上，通过组态程序和p l c 的 编程，实现该控制方案。 第一章绪论 1 3 本章小结 本章首先介绍了本文研究课题的来源，指出对于本恒温恒湿冷库系统，除霜 控制方法的研究是非常有必要的，同时详细阐述了“除霜控制方法”的研究内容， 特别指出其与“除霜方法是有很大区别的，然后重点介绍了当前国内外对除霜 控制方法的研究现状，对现有的各种除霜方法的内容及优缺点进行了详细阐述， 最后介绍了本文研究的重点以及主要内容。 第二章结霜过程分析及实验原理 第二章结霜过程分析及实验原理 要确定除霜控制方法，首先需要对结霜规律有准确的认识。本章先从理论上 对结霜原理及相关的影响因素进行了细致的分析，再结合本实验台的实际情况， 制定出了结霜和除霜实验的具体实验方案。 2 1 结霜原理 2 1 1 霜形成的机理 根据传热学原理，在蒸发器为风冷式的制冷系统中，当蒸发温度较低，蒸发 器表面温度也随之降低，甚至低于o ，此时，流经蒸发器的空气在被冷却的同 时，其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜过程很复杂，特 别是复杂几何形状的翅片管式换热器 但在大致上，霜的形成大致可分为三个时期，即结晶生长期、霜层生长期和 霜层充分生长期【】7 】： 1 ) 结晶生长期。 当空气接触到低于其露点温度的冷壁面时，空气中的水分就会凝结成彼此相 隔一定距离的结晶胚胎。水蒸气进一步凝结后，会形成沿壁面均匀分布的针状或 柱状的霜的晶体。这个时期霜层高度增长最大，而霜的密度有减少的趋势。 2 ) 霜层生长期。 当柱状晶体的顶部开始分枝时，就进入霜层生长期。由于枝状结晶的相互作 用，逐渐形成网状的霜层，霜层表面趋向平坦这个时期霜层高度增长缓慢，而 密度增加较快。 3 ) 霜层充分生长期。 当霜层表面几乎成为平面时，进入霜层充分生长期。这以后，霜层的形状基 本不变。霜层是由冰的结晶和结晶之间的空气组成，这就决定了霜层的一大特点， 即霜是由冰晶构成的多孔性松散物质。 2 1 2 结霜对换热器运行性能参数的影响 霜的形成会对蒸发器的换热性能和空气侧压降产生较大的影响作用【18 1 。就蒸 第二章结霜过程分析及实验原理 发器的换热性能而言，霜的影响作用主要体现在四个方面： 1 。霜的热导率比蒸发器材料的热导率小几个数量级，霜在蒸发器表面沉积 将会增加热阻； 2 蒸发器表面结霜后，内部空气流道截面积缩小，在流经蒸发器的空气流 量恒定的情况下，空气流速增大，空气侧对流换热系数增大，加强换热性能，但 蒸发器表面积聚的霜会增大流经蒸发器的空气阻力，导致风机工作点偏移，从而 使系统的空气流量减少，最终导致蒸发器冷量下降； 3 霜层表面粗糙，增加了换热面积： 4 霜的积聚会部分填充翅片和管子之间的空隙，从而减小翅片和管子的接 触热阻。 从以上可以看出，霜对蒸发器换热既存在正面影响也存在反面影响，是一个 复杂的综合效应作用下的动态过程。 这里主要讨论结霜对换热器运行性能中的3 个主要参数：换热器效率、传热 系数及穿过蒸发器的空气压力损失的影响。 2 1 2 1 结霜对换热器效率的影响 对于换热器来说，效率是最重要的。刘凤珍【1 9 1 提出，对于翅片管换热器来说。 其效率叩。由下式确定： 么，+ 彳r 7 7r 吼= 1 了芦 ( 2 - 1 ) 其中，7 ，为翅片效率( ) ； 么，为翅片管光管面积( i n 2 ) ； 么，为翅片管翅片面积( i n 2 ) 若不计肋端传热量，刁，可由下式确定 砌( 肌h ) 珊2 育 其中：h 肋高( m ) ； 对于直肋： 肌= 2 办( 力。x 。) 2 。 其中，j j l 为结霜工况下翅片的空气对流换热系数( w m 2 ) ； 五。，。= l c 朋( b 。l z 。，d ) + x ，力厂】“2 其中，口。= 1 6 5 7 3 8 + 0 0 4 1 2 6 1 9 l + 0 0 0 1 2 1 4 2 9 疋2 而“为干工况下翅片的空气对流换热系数( w m 2 ) ； ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章结霜过程分析及实验原理 旯，名，为翅片及霜层导热系数( w ，m 2 ) ； 石，x ，为翅片及霜层厚度( m ) 。 从以上可以看出，换热器效率受到结霜的显著影响。 2 1 2 2 结霜对传热系数的影响 传热系数是换热器传热的一个重要参数，因此必须了解结霜对总传热系数的 影响。传热系数不仅是霜层厚度的函数，同时也随着换热器形式，霜的性质及空 气流里的变化而变化的，显然它也是个复杂的函数。结霜时传热系数的计算公式 有很多： 1 由传热学的理论，按空气侧总面积定义的结霜总的平均换热系数k 可按 下式计算2 0 】： k = 瓦赤丽+ 耠+ 南1 p 5 ， 。( 吃，w + 吃幻乃厶乃4 。 、。 式中： 旯，霜层导热系数； x ，霜层厚度； 厅。空气侧的对流传热系数； 办。对流传质系数( 州s ) ， k = 嘉 p 6 ， a o - 一翅片管总换热面积，即a o = a t + a f ，m 2 2 上海同济大学苏生提出传热系数计算公式如下【1 8 】： k = 1 ( 1 孝7 7 z 口) + r + ( r 。+ 1 口) ( 2 _ 7 ) 式中：k 按翅片盘管外表面计算的总传热系数，w ( m 2 k ) ； 孝冷却盘管析湿系数 ，7 z 翅片盘管的总效率 口矿空气侧干工况下的放热系数 尺外表面冰霜层、油漆层、氧化铁层等热阻，( m 2 k ) 厂w 肋化系数，翅片管总外表传热面积与翅片管内表面面积之商 民内表面油膜层热阻，( m 2 k ) 脚 口管内制冷剂侧的放熟系数 第二章结霜过程分析及实验原理 3 蔡亮【2 1 1 等提出平板结霜时霜层和空气的对流换热系数可以用以下的经验 公式计算： = 成c 尸，。“。( c ，2 ) ( 0 9 + ( c ，2 ) m )( 2 8 ) 其中，s 睹= 0 8 r e 一。一p r o 4 4 r e 女= “，露。v c ，2 = 2 5 1 n ( 8 4 6 ( 2 9 9 6 y ( f ) ) + 1 ) - 2 万为边界层厚度； y ( t ) 为霜层粗糙度( 随时间变化) 。 4 天津商学院赖建波【冽等提出，在结霜工况下空气侧的总换热系数口：可以 表示为： 三：上+ 生 口4口力序( 2 9 ) 式中：万挣霜层厚度； 五疳霜层导热系数； 口口，霜层表面的换热系数，w ( m 2 k ) 。 由于结霜后肋片表面粗糙度增加，使显热换热系数增大，一般地，空 气与霜层之间的换热系数为口= ( 1 2 1 3 ) 口，其中口为换热器未结霜 时的外表面换热系数，w 7 ( 1 n 2 k ) 。取口口厂= 1 2 5 a 形，可得到结霜工况下换热 器的传热系数为： 肛l 去+ 尝+ 笔枷i 弘 j 1 2 5 口f 口。 旯厅i ( 2 - l o ) 式中：f 析湿系数； 肋化系数； 岔。换热器内表面换热系数，w ( m 2 k ) ； r 其他热阻，对于空调用换热器为o 0 0 1 一o 0 0 3m 2 w 。 5 周子成吲提出在结霜条件下，可将霜层视为一层随结霜时间变化的污垢热 阻。此时，以翅片壁侧的总表面积为基准的传热系数为： 船互写三写 。j a r 亢t qo c q 式中： 。 。 ( 2 1 1 ) 第二章结霜过程分析及实验原理 ，7 为结霜状态下的翅片壁的总效率； 为结霜状态下的翅化系数； 口。为结霜状态下的空气侧对流换热系数； r 0 为霜层导热热阻。 总结以上的传热系数计算公式，从传热学角度分析可以得出如下结论 2 4 】： 由于总传热系数主要与制冷剂侧对流换热系数、冷媒侧对流换热系数及管壁 等的导热系数相关，所以各对流换热系数的变化基本上体现了总传热系数的变 化。在结霜初期对流换热系数逐渐增大，这是因为霜层粗糙度在开始阶段增长较 快，粗糙度的增长大大增加了换热面积，同时气流速度也增大所致。随着霜层厚 度的增加，换热系数达到极值，此时的霜厚粗糙度也达到极值，随后，由于霜层 粗糙度的减少，对流换热面积逐渐减小，因而对流换热系数也减小。与非结霜状 态下的对流换热系数相比，结霜状态下的对流换热系数在中间一段时间里显然大 于非结霜状态下的换热系数，这也说明，结霜在一段时间内对流换热系数不仅不 会减少，而且还会增加，同时换热量也会增加。从这个角度看，一定时间内的结 霜对换热器的换热是有利的，但值得注意的是，随着时间的推移，对流换热系数 和传质系数迅速减小，并小于非结霜状态下对应参数值，同时，换热器和换热量 也逐渐减小，这说明随着时间的推移，结霜将大大减少对流换热系数，同时减小 换热器的换热量，这显然对换热器换热不利。 在其他条件相同的情况下，换热器板片温度越低，霜层厚度增长越快，对流 换热系数也越大，且变化速率也越快：空气湿度越大，霜层厚度增长越快，对流 换热系数也越大，且变化速率也越快；空气流速越大，霜层厚度增长得也越快， 对流换热系数也越大，且变化速率也越快。由此我们可以得知：在制冷系统中， 在开始阶段蒸发器的结霜不仅不会阻碍换热，而且对换热有利，随着时间的推移 将减小制冷剂与冷媒的换热系数，也减小两者换热量，这将影响制冷系统的换热 效果，对制冷系统来说很不利。 因此，对换热器及时除霜，可以提高换热器的换热效果，提高制冷系统的运 行效率，对于能源的高效利用和节能是非常重要的。 2 1 2 3 结霜对蒸发器空气侧压力降的影响* 对于蒸发器空气侧压降，霜的影响作用主要体现在两个方面驯： ( 1 ) 霜层的生长使蒸发器内空气流道截面积减少； ( 2 ) 霜层表面凹凸不平，比蒸发器管子和翅片的原表面粗糙，使气流与蒸 发器表面之间摩擦力增大。 第二章结霜过程分析及实验原理 这两方面的作用都将使蒸发器空气侧压降增大。通过盘管的空气压降是一个 重要参数，它反映气体流量和通道阻塞情况。 关于压降的公式有很多，例如： 1 根据经典传热原理，压力降可以表示为【2 5 】： p = 1 2 9 8 1 五导( 。) 1 7 ( 2 - 1 2 ) “， 式中：i ，_ 一沿气流方向的肋片长，m ； 旯表面粗糙系数； “，霜层直径，m ： “雌流道中空气最大流速，i i l s 。 流经盘管的最大空气流速是迎面风速、自由流通面积和霜密度的函数，而自 由流通面积是霜厚度和换热器结构( 肋片间距、管间距) 的函数。 2 天津商学院赖建波 2 2 】等提出可用下式计算得出蒸发器空气侧压降p ： 1 ( 2 一1 3 ) & p = p 嘶y zt k c + cf a a c + k o 、) z 式中：k ，换热器进口空气流动的收缩系数； 麟换热器出口处空气流动的膨胀系数； c ，摩擦系数； a 换热器总换热面积，m 2 ； 彳，换热器最小自由流通面积，m 2 ； y 空气进入肋片核心部分的流速，n l s ； 盯自由流通面积与迎风面积之比； p 咖空气密度，k m 3 。 3 s e i l s h ut y a s u d ah 等提出风冷热泵蒸发器压降蒸发器结霜后，空气压降 为 舻= 加哉，7 铲3 2 1 4 随着霜层厚度的增加，翅片间距6 减小，翅片最窄处的最大风速v 一增大， 空气阻力增大，压降增加，风量减少，从而引起平均换热系数将减少。风机运行 性能由空气流动阻力及风扇的运行特性曲线决定。当压降增大到一定程度，风机 状态点将发生变化，空气流量将迅速降低，蒸发器换热恶化。 4 华绍曾，杨学宁【27 】等提出未结霜时得到压降公式为： 舻：c 丛。r e 枷 ( 2 - 1 5 ) 第二章结霜过程分析及实验原理 式中：p 实验数据拟合的系数，c = 5 6 5 1 7 8 9 ； 风空气密度； 1 l 最小流道截面处空气流速； r r 雷诺数。 在结霜状况时，可假设霜基本上是按原来的蒸发器形状生长，保持原有的几 何特征，这样也就可以认为结霜后蒸发器的阻力系数( 不包括温差作用) 表达式 将维持原有未结霜时的表达形式，压降公式仍为式( 2 2 4 ) ，只是特征长度，中的 翅片厚度万需改为两倍的霜厚加上翅片厚度万。，并且空气流速也将因流道变窄而 增大。 从以上的公式可以看出，压差的变化几乎与穿过蒸发器的风速的变化一致， 而结霜时，在风机转速不变的情况下，风速的变化与霜层厚度的变化一致，也就 是说此时压差与结霜时霜层厚度的变化一致。 2 1 3 霜层物性 结霜问题的重点之一是霜层物性的研究，其中两个最重要的参数是霜的密度 和导热系数。霜层的物性是由结霜的环境所决定的，并与结霜过程的历史密切相 关，它们随着霜层的生长而连续变化【1 8 】。 2 1 3 1 霜层密度 霜层总密度随结霜过程的推进而增加，密度与时间大致呈抛物线关系。霜密 度的变化本质上取决于霜层表面温度。在成霜过程中，霜的表面温度都随时都在 变化，每一时期霜层表面温度各不相同。表面温度逐渐升高，由此霜层密度也逐 渐升高，密度沿厚度方向是非定常的，霜表面处密度最大，而靠近冷表面处密度 最小。但是，结霜现象极为复杂，一旦表面温度达到水的三相点温度，表面会出 现霜的重复融化和凝霜过程，融化后的水会进入霜层，很难预测它们会在什么地 方凝固，此时密度的分布和变化则更难预测。霜层密度不仅随时间而变，也随主 流含湿量、冷却面温度、主流温度、湿度等变化。冷表面温度越低，形成霜层的 密度越低，而主流含湿量和速度的增加将引起密度的增加。在冷却面的不同位置 密度并不相同，上流密度大于下流密度。 2 1 3 2 霜层导热系数 霜是由冰晶构成的多孔性松散物质，松散物质的空隙度或容重将显著地影响 它们的热物性，因此导热系数必将是密度的函数。许多研究也表明：霜层导热系 数主要取决于密度。但是霜层导热系数也取决于霜层的微观结构，它是霜层结构、 第二章结霜过程分析及实验原理 霜层内温度梯度引起水蒸气扩散及凝华潜热释放和霜表面粗糙度引起涡流效应 相互作用的结果。研究表明霜层的导热系数在霜层中随厚度而变化，尤其在靠近 空气侧的霜层表面层中这种变化更为激烈。这种霜层厚度方向上导热系数变化现 象说明霜层表面层中，由于湿空气水蒸气的扩散和扩散至霜层内部而发生着最为 强烈的热湿交换过程。 因此，导热系数的变化比密度来得更加复杂，要得到一个基于严密理论的关 于导热系数和密度的关联式是非常困难。虽然研究者们根据各自的实验结果，归 纳出了众多的实验关联式，但是应该注意，这些关联式都有其特定的使用范围。 研究者为了从理论上探讨导热系数的变化，他们相继提出了各自的霜层结构模 型。最早的理论认为霜是由均匀冰球在空气中形成的立方点阵，该模型过分简化 了霜层的结构，也并没有考虑由于霜层内温度引起的水蒸气扩散，从其模型计算 出的结果偏小。后来，有人提出霜是由冰柱和冰一空气混合物两部分组成，冰一 空气混合物之结构为w b o d s i d e 模型，霜层的导热由两部分并联而成，该模型结 构与霜层充分生长期实验数据吻合较好，但由于没有考虑结霜初期的涡流效应， 与初期实验数据相差较大。另外模型中涉及显微镜照相获得数据，限制了其实际 应用价值。最后由d i e i e b b e 曙e r 提出冰柱、冰球、冰层、空气泡为主要结构的基 本假设，霜层的总体结构为上述四种结构的随机混合，霜层综合导热系数由其混 合模型计算的空气一冰有效导热系数和水蒸气有效导热系数之和，由于其模型中 复合了四种基本结构并考虑了冷壁温度对成霜的影响，该模型具有较大的使用范 围。 一般说来，霜层按密度可分为低密度区和高密度区。在低密度区霜层总体结 构是先冰球而后冰柱的随机结合，高密度区则是球形空气泡( 含有空气泡的冰层) 和层状冰的随机结合。以冰柱和空气泡为代表的霜层结构的导热系数分别大于相 应的冰球和层状冰为主的霜层结构导热系数。霜是由上述四种结构的随机混合， 其上下限导热系数分别是： k 。= ( 1 一p ) k 6 + 胀。 ( 2 1 6 ) k ，= ( 1 一p ) k 。+ 雕。( 2 - 1 7 ) 式中：p 压力或霜层空隙率 k 。空气泡为代表的霜结构导热系数 k 。冰柱为代表的霜结构导热系数 k 。冰层为代表的霜结构导热系数 七。冰球为代表的霜结构导热系数 按随机混合模型，霜层有效导热系数可由下式计算： 疋= ( 3 忍一1 ) k + ( 始一1 ) k + ( 3 忍一1 ) 码+ 3 ( 秒一1 ) k 2 + 8 ( k k ) n 5 ( 2 - 1 8 ) 第二章结霜过程分析及实验原理 式中，k 。霜层有效导热系数 b 。冰球和冰层为代表的霜结构的体积比例 p ( 1 一b 。) 由上式可见，有效导热系数表征了霜结构复杂性的影响 2 1 4 影响霜层形成的因素 结霜是受周围环境包括温度、湿度及气流速度等参数影响的复杂现象，以下 详细介绍这些影响因素。 影响霜层形成的因素有很多，主要的有冷却面，气流及时间。以下对此作详 细的分析1 】【2 8 3 0 1 。 1 冷却面因素 冷却面因素指的是肋片换热器的温度和形状结构情况。 ( 1 ) 温度因素 当盘管表面温度低于0 ，且低于入口处空气的露点温度时，空气中水分就 会析出并在蒸发器表面形成霜层。盘管表面与入口空气之间的温差越大，结霜速 度越快，结霜也越严重。 ( 2 ) 换热器的结构因素 1 ) 肋片边缘效应 为了提高肋片盘管的换热效率，换热肋片的边缘往往加工成锯齿波纹状，利 用其对入口空气的扰动来达到提高换热效率的目的。但从对结霜过程的实验观察 可发现，这些波纹边缘往往最早形成大量的霜层，堵塞了风道；而肋片后部( 气 流下游) 结霜相对较少。这种边缘效应不仅造成结霜不均，且使盘管换热效率严 重下降。 2 ) 肋片间距 肋片间距减少( 肋片数增加) ，虽然使换热器的换热面积有所增加，但肋片间 因结霜而造成风道堵塞，风量减少，蒸发温度下降，机组的制热效率大大下降。 3 1 沿气流方向管排数 沿气流方向管排数增多会增加空气阻力，减少空气流量，同时也使气流在 流经盘管期间温度下降至露点温度以下的可能性增大，从而导致结霜速度加快， 结霜量增多。 4 ) 肋片表面粗糙度 随着肋片表面粗糙度的增加，气流凝水结霜所需的冰核数量大大增加，这 也会加快结霜的速度。 5 ) 蒸发温度差异影响 第二章结霜过程分析及实验原理 由于存在流动阻力，因而进出蒸发器的制冷剂压力p 1 和p 2 有明显差异，可 达1 5 0 2 0 0 l ( p a ，这就造成了蒸发温度沿蒸发器盘管的不均匀分布，使结霜也显 现出不均匀性。管路数较少的蒸发器由于流动阻力较大而出口蒸发温度降低，同 时也使结霜趋于严重，因而风量减少较多。合理使用制冷剂分配器以及好的管路 设计会降低这种不均匀性。 2 气流因素 ( 1 ) 温度和湿度 空气相对湿度越大，盘管结霜就越严重。在长江流域的气候条件下，当室外 空气的相对湿度小于5 0 时，肋片盘管则很少会结霜。当室