土木在线论坛 \ 暖通空调 \ 中央空调 \ 不同表面浸润性对除霜过程有何影响？

不同表面浸润性对除霜过程有何影响？

发布于：2023-05-26 11:12:26 来自：暖通空调/中央空调 [复制转发]

空气源热泵室外侧蒸发器在冬季供暖时常处于结霜工况，机组需要周期性除霜以恢复机组性能，除霜过程中的化霜水能否有效排出，将直接影响到空气源热泵机组在周期性结除霜工况下的运行性能。而换热器翅片表面的浸润性对霜层的融化，化霜水的排除、残存以及蒸发过程有重要影响。

所以本文通过所建金属冷表面除霜特性研究实验台，对不同浸润性表面霜层的融化、排水和蒸干过程进行较为系统的研究。

（示意图，不对应文中任何具体产品）

1 实验装置与试验方法

实验台主要由冷水槽、体式显微镜、恒温水浴、加湿器、直流稳压电源、冷光源组成，如图1所示。

实验铝箔通过导热硅脂贴在半导体制冷片的冷端，同时测量铝箔表面温度的T型热电偶探头放于两者之间。冷水槽内流动的冷冻水由恒温水浴提供，为了防止冷量的损失，水槽外部和进出水管路上都包了厚厚的保温层。

冷水槽系统的示意见图 2。

两台体视显微镜分别位于实验铝箔的正面和侧面，用来观测霜层的高度、霜表面形态、霜融化过程和化霜水在铝箔表面的残留情况。空气湿度由加湿器进行调节，空气温度即为室内环境温度。

数据采集系统包括霜层生长图像信息采集、冷表面温度采集、空气温湿度采集。空气温度由放置在实验台附近的温度变送器进行连续测量，空气湿度则由手持式温湿度仪每隔3分钟采集一次。霜高是通过将霜层的图像导入YRMV-B显微图像测量软件进行测量获得。

普通铝箔和亲水铝箔是目前空气源热泵机组室外侧换热器的常用翅片材料，是本文的主要研究对象。实验中首先采用GonioStar150 型接触角测量仪对普通和亲水翅片表面的接触角进行了测量，测量得普通翅片接触角为65°，亲水翅片为5°，接触角的测量图像如图3所示。

为描述霜层融化后在不同特性表面的残留情况和残留水的蒸干情况，本文提出蒸干率的概念，其定义为： 图像所示视野内干表面的面积与视野总面积之比。

蒸干率是借助Photoshop图像处理软件获得，具体的方法是：

将图像导入PS软件中，选定整个图片区域，测量其所含像素，S；然后，沿着水珠的边缘将水珠所占的区域选中，测量其包括的像素值，每个水珠依次进行测量，像素数分别为 s1，s2，s3…；设n为残留水珠的个数，则蒸干率的计算公式为：

2 实验结果与分析

2.1 表面浸润性对霜层融化过程的影响

结霜实验工况是空气温度20℃，空气湿度70%，冷板温度-8℃，风速3 m/s；融霜起始条件为霜层厚度达到1 mm；融霜工况为环境湿度43%，冷板温度14℃，风速3 m/s。图4为普通表面霜层的融化过程。

如图4(a)~ 图4(d)所示，霜层在全部化为水之前未从表面脱落。待霜层全部融化后，相近的水滴发生合并成为较大的水珠，如图4(e)~图4(f)所示。当大水珠所受的重力大于表面张力在竖直方向的分力时，从普通铝箔表面流下，如图4(g)~图4(h)。从图4(i)看出，融霜结束后，部分化霜水以水珠状态继续残留在普通铝箔表面。

图5为亲水铝箔表面的霜层融化过程，与普通铝箔明显不同。霜层随着亲水铝箔表面温度的升高而融化，完整的霜层首先分裂开来，如图5(a)~图 5(e)所示。分裂开的小霜层并没有继续在亲水铝箔表面融化，而是整块滑落下来，最后在铝箔表面只残留了一层水膜，如图5(i)所示。

2.2 表面浸润性对残留水蒸干率的影响

2.1节中的实验结果表明： 两种铝箔表面残留的化霜水以两种不同状态存在，这必然导致残留水蒸干过程的差异。

为了观察残留水在两种表面的蒸发过程，在铝箔表面的霜层完全融化后，继续保持原有的表面温度和空气参数，直到残留水全部蒸干。

图6所示的是普通铝箔表面残留水珠的蒸干过程。可以看出，随着时间的增长，普通铝箔表面残留的水珠数量在不断减少，持续28 min后，水珠全部蒸发完。

亲水铝箔表面残留水珠的蒸干过程如图 7 所示，由于亲水铝箔表面水膜的厚度较薄不足以折射足够的光线，故在图像上显示的不够清楚，本文特在水膜的边缘加以虚线以区分干表面和湿表面。在所拍摄图像的视野范围内，亲水铝箔表面只有一处水膜，随着水分的蒸发，水膜的面积不断减小，6 min 后水膜被完全蒸干。

对两种表面残留水的蒸干过程各重复了3次，结果见表 1。

残留水在亲水铝箔表面蒸干时间最长的一次实验是7 min，而在普通铝箔表面蒸干最短的一次实验是27 min，所用时间几乎是亲水铝箔的 4 倍之多。两种铝箔表面残留水蒸干率不同主要是由于对流传质速率的不同导致的。铝箔表面与空气之间的对流传质速率可定义为：

上式中 D 为扩散系数，对于空气-水系统，在相同环境温度下D值是相同的；δ是残留化霜水表面与铝箔表面间的厚度。由于化霜水在亲水铝箔表面是以水膜的状态存在，厚度较小，从而使得对流传质系数hm较大。所以亲水铝箔表面水膜的对流传质速率将大于普通铝箔。另外，假设两种表面残留水的质量是一样的，亲水铝箔表面是以水膜存在则传质面积A较大，则相同时间内传质的水量NA A 也较大。

利用PhotoShop 软件对图像进行处理，并由式 1 得出普通和亲水铝箔表面残留水蒸干率变化曲线，如图8所示。

蒸发过程开始时，普通铝箔表面残留水的蒸干率约为90%，随着实验的进行蒸干率逐渐增加，大约27min后残留水被蒸干。亲水铝箔在开始蒸发时，表面残留水蒸干率约为50%，但蒸干率随时间变化曲线较陡，实验进行(6~7) min后表面即被蒸干。

2.3 残留水对相邻结霜过程的影响

为研究普通铝箔表面残留水珠对下一个结霜过程产生的影响，本文设计了一个结融霜循环实验。结霜工况和融霜工况与2.1节对应工况相同。当前一个融霜过程的冷板温度趋于稳定时即开始下一个结霜过程。

整个实验包括3个结除霜循环，冷表面温度的变化曲线如图9所示。

与冷表面温度变化曲线相对应的铝箔表面霜层状态如图 10 所示。

残留水珠在温度开始下降后的第4 min完全冻结，从图像上来看没有残留水的区域结霜只有薄薄的一层，而冰珠的高度远远高于霜层高度。直到结霜过程开始 15 min 后残留水周围区域的结霜高度达到 1 mm 时，残留水珠长成的冰霜高度仍高于周围区域，这将使得空气通道被堵塞的更加严重。在实际应用中会恶化传热过程，增加设备噪音，使得机组性能大大降低。

3 结论

换热器表面的除霜包括霜层的融化、排水和残留水的蒸发等过程，为了研究普通铝箔和亲水铝箔表面这两个过程的区别，本文搭建了金属冷表面除霜特性研究实验台。 根据实验结果分析得出以下结论：

1）普通铝箔表面的霜层首先全部融化为液态水珠，随后水珠发生合并从表面脱落，最后一部分水珠残留在表面；亲水铝箔表面的霜层则在融化过程中便以液-固混合状态脱落，表面残留一层水膜；

2）虽然普通铝箔表面初始的蒸干率有90%，而亲水铝箔表面初始的蒸干率只有50%，但亲水铝箔表面的残留水在第7 min即被蒸干，普通铝箔则耗时约28 min。所以与普通翅片管换热器相比，由于亲水换热器表面残留水以膜状形式存在，将使其表面的霜层更容易在除霜过程中被完全除掉；

3）除霜结束后普通铝箔表面残留部分水珠，在进入相邻的结霜循环时，这些水珠将“二次成霜”，并且在之后的结霜过程中一直高于周围霜层的高度，在实际应用中将使得换热器空气通道堵塞的状况更加严重。

0人已收藏
0人已打赏
免费
1人已点赞
分享

复制链接新浪微博微信扫一扫

全部回复（1 ）

只看楼主我来说两句 抢板凳

wx_45886731 沙发

好资料，学习学习，谢谢楼主的分享！

2023-05-26 17:34:26
回复举报
赞同0