(1 大連冷凍機(jī)股份有限公司 大連 116630； 2 西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049； 3 大連市冷熱技術(shù)創(chuàng)新中心 大連 116630； 4 西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

在制冷過程中，濕空氣流經(jīng)結(jié)霜工況下的蒸發(fā)器時(shí)，蒸發(fā)器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，速凍冷風(fēng)機(jī)采用強(qiáng)制對(duì)流換熱，加大了傳熱溫差。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401 W/(m·K)，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/(m·K)，而霜的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.045 W/(m·K)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器少量的結(jié)霜會(huì)增強(qiáng)傳熱效果[2-3]，但隨著霜層厚度的不斷增加，霜層的熱阻增大，換熱器的傳熱性能降低。如不進(jìn)行處理，空氣流道將逐漸變窄，增大空氣的流動(dòng)阻力，使制冷裝置的換熱效率嚴(yán)重下降。因此應(yīng)對(duì)換熱器進(jìn)行除霜，以恢復(fù)制冷設(shè)備的冷熱交換能力，提高制冷效果。否則，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷能力下降甚至設(shè)備損壞。傳統(tǒng)的除霜方式為水沖霜、熱工質(zhì)反向融霜和電熱融霜，這幾種除霜方法均導(dǎo)致庫溫回升，儲(chǔ)藏物品質(zhì)下降，同時(shí)化霜完畢還需壓縮機(jī)多做功，將庫溫重新拉至低溫狀態(tài)，增加了制冷機(jī)的負(fù)荷，反復(fù)的升溫、降溫又為加速結(jié)霜提供了條件。

與傳統(tǒng)淋水融霜、電熱融霜、熱工質(zhì)融霜等融霜方式相比，超聲波除霜是一種物理作用的主動(dòng)除霜技術(shù)，不直接引入熱量融霜，減少了溫度的波動(dòng)。同時(shí)，超聲波除霜具有低能耗、蒸發(fā)器連續(xù)運(yùn)行周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

近年來許多學(xué)者在超聲波除霜方面做了大量的探索性研究：譚海輝等[4]提出超聲波除霜的間歇性加載機(jī)制，其能耗是傳統(tǒng)逆向除霜技術(shù)能耗的1/88～1/22；閻勤勞等[5]提出超聲波縱橫聯(lián)合波的除霜效果優(yōu)于單一波；錢晨露等[6]提出疏水表面特性有助于超聲波對(duì)冷表面凍結(jié)液滴的脫除；李棟等[7]提出自然對(duì)流條件下，超聲波能夠顯著抑制平板表面霜層的生長(zhǎng)。然而對(duì)于高濕、低溫、大風(fēng)壓、大風(fēng)量條件下的速凍冷風(fēng)機(jī)超聲波除霜的研究依然較少。

1 超聲波除霜機(jī)理

超聲波以波動(dòng)的形式作用于物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同波有關(guān)的折射、反射等現(xiàn)象。蒸發(fā)器的翅片一般為鋁，鋁的密度高于冰。霜附著在翅片表面時(shí)，由于霜層密度低于翅片層，超聲波會(huì)在霜和翅片表面的界面上產(chǎn)生反射現(xiàn)象，翅片對(duì)聲波的吸收很少，聲波的能量將主要被反射回霜層中。選擇合適的振動(dòng)頻率，使其同霜層的振動(dòng)頻率相吻合，產(chǎn)生共振。聲波振動(dòng)頻率高于20 kHz，每秒將造成冰雪層發(fā)生上萬次的反復(fù)膨脹、收縮運(yùn)動(dòng)，雖然霜層內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力達(dá)不到使冰雪層破壞的臨界值，但短時(shí)間內(nèi)可以積累足夠的次數(shù)，使霜層疲勞而破壞。

同時(shí)，超聲波的機(jī)械效應(yīng)引發(fā)的機(jī)械振動(dòng)傳遞到翅片上，會(huì)引起翅片上質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行高頻率、低振幅、高加速度的交替振動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，振幅超過1 mm后，對(duì)結(jié)構(gòu)易造成損害[8]，除霜應(yīng)用中，超聲波振幅在3 μm左右，對(duì)換熱管和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)沒有影響。

2 超聲波除霜的簡(jiǎn)易理論建模

2.1 物理模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中采用的蒸發(fā)器建立簡(jiǎn)易三維實(shí)體模型，在三維軟件SolidWorks中建立蒸發(fā)器的實(shí)體模型，用有限元軟件COMSOL打開并進(jìn)行離散處理。

2.2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算中，蒸發(fā)器的單元類型選擇為殼單元，網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行離散。整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)有限元方程與壓電有限元方程為[9-10]：

振動(dòng)有限元方程與壓電有限元方程的完全解可利用插值法求解線性方程組，因此，式(1)、式(2)可表示為[11]：

2.3 數(shù)值計(jì)算

計(jì)算中，超聲波換能器選用壓電NEPEC 6壓電材料，密度為7 730 kg/m3，壓電片半徑為38 mm，厚度2.5 mm，沿厚度方向極化，彈性矩陣、耦合矩陣，相對(duì)介電常數(shù)為：

壓電材料彈性矩陣(單位：1010N/m2)：

壓電材料耦合矩陣(單位：C/m2)：

壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)：

當(dāng)不考慮壓電片的機(jī)械損耗時(shí)，最大導(dǎo)納頻率(最小阻抗頻率)等于串聯(lián)諧振頻率和諧振頻率，最小導(dǎo)納頻率(最大阻抗頻率)等于并聯(lián)諧振頻率和反諧振頻率。因此，認(rèn)為最大導(dǎo)納頻率為壓電片振動(dòng)的諧振頻率，在此頻率處壓電片可輸出最大能量。

在COMSOL中分別對(duì)壓電片和壓電結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行阻抗分析，分析過程中銅板和冰層的材料參數(shù)如表1所示。壓電片、銅板與冰層間相互黏貼，無滑移。得到頻率介于20～80 kHz導(dǎo)納-頻率曲線，如圖1所示。

由圖1可知，獨(dú)立壓電片和壓電片在銅板上安裝獲得的系統(tǒng)在低頻范圍內(nèi)的最大導(dǎo)納頻率約為28 kHz，最大導(dǎo)納為0.054 S。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖1 20～80 kHz的導(dǎo)納-頻率曲線Fig.1 Admittance frequency curve at 20～80 kHz

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，壓電換能器為圓片狀，并按照最大導(dǎo)納頻率加載交變電壓發(fā)生諧振，產(chǎn)生縱波。壓電片、金屬板和冰層構(gòu)成的組合體結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置為自由模式。在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于3種材料的物體尺寸相差較大，分別對(duì)金屬板、壓電片和冰層采用剖分四邊形劃分面，并采用掃掠方式劃分網(wǎng)格。

為保證計(jì)算速度，網(wǎng)格劃分不能過于密集，實(shí)際中2.5 mm厚壓電片沿z軸方向劃分為5層，將1.7 mm厚度的冰層沿z軸劃分為5層，3.8 mm的厚度冰層劃分為5格，0.7 mm金屬板沿z軸方向劃分為4層，得到的三維實(shí)體模型和有限元模型如圖2所示。

圖2 壓電/冰層物理模型Fig.2 Piezoelectric/ice physical model

在獲得諧振頻率的基礎(chǔ)上，通過對(duì)壓電片輸入連續(xù)交變的高頻電U=50sin(56 000πt)，求解壓電振動(dòng)在基板與覆冰界面處激發(fā)的xy平面剪切力大小和分布如圖3所示。

圖3 基板與覆冰的xy平面剪切應(yīng)力(單位：MPa)Fig.3 Shear stress on the xy plane of the substrate and ice

由圖3可知，基板表面分布有較大面積的xy平面剪切應(yīng)力并呈現(xiàn)正負(fù)交替分布，并且剪切力大于部分覆冰的最大黏附力0.4 MPa[12]，具備除霜的力學(xué)可行性。剪切力的正負(fù)交替出現(xiàn)，有利于霜層的破碎與剝離。在剪切應(yīng)力小于覆冰黏附力的區(qū)域，易形成除霜死區(qū)現(xiàn)象。因此，超聲高頻振動(dòng)對(duì)霜的作用機(jī)理是高頻振動(dòng)激發(fā)的加速度在霜與基板界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力，使結(jié)霜折斷或剝離，難以黏附在翅片上。

為了研究蒸發(fā)器在換能器激勵(lì)下發(fā)生的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)特性，判斷超聲振動(dòng)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)翅-管式蒸發(fā)器模型的特征頻率及對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型進(jìn)行了求解，結(jié)果如表2和圖4所示。

由表2和圖4可知，在超聲高頻振動(dòng)激勵(lì)下，蒸發(fā)器做高頻強(qiáng)迫振動(dòng)，呈現(xiàn)出振動(dòng)波的振動(dòng)模式，伴隨頻率的增加，兩個(gè)周期內(nèi)振幅的強(qiáng)弱交替距離變短，符合波動(dòng)特性。振幅的強(qiáng)弱交替是波傳播到蒸發(fā)器邊界處經(jīng)過發(fā)射回來與發(fā)射波疊加產(chǎn)生的。

表2 蒸發(fā)器高階模態(tài)下的特征頻率Tab.2 The characteristic frequency of the high-mode evaporator

圖4 蒸發(fā)器在超聲下的振動(dòng)模態(tài)(單位：mm)Fig.4 The vibration mode of the evaporator at the ultrasonic frequency

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器出現(xiàn)波紋狀位移分布。由于超聲波在傳播過程中受蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的影響，在結(jié)構(gòu)邊界處發(fā)生反射，相當(dāng)于在邊界處有多個(gè)發(fā)射波源，同頻率的兩個(gè)波在蒸發(fā)器的某些部位發(fā)生疊加。表現(xiàn)為某些區(qū)域振動(dòng)加強(qiáng)的特性，因此，超聲高頻振動(dòng)在蒸發(fā)器的某些部位由于波的相互疊加出現(xiàn)除霜死區(qū)，某些部位除霜效果增強(qiáng)。

理論上冰的最大黏附應(yīng)力為0.4 MPa，不考慮超聲耗散的情況下，超聲波在鋁板與結(jié)霜界面處所激發(fā)剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于霜的黏附應(yīng)力。因此，基于超聲高頻振動(dòng)除霜技術(shù)在理論上是可行的。

3 超聲波除霜實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)驗(yàn)在焓差室內(nèi)高濕、低溫環(huán)境下進(jìn)行，研究了超聲波對(duì)速凍冷風(fēng)機(jī)翅片表面霜層的抑制和去除效果，比較分析3種不同的傳振板(直板型、T字型、L型)對(duì)超聲波實(shí)際除霜的影響。實(shí)驗(yàn)用速凍冷風(fēng)機(jī)及探頭連接形式見圖5，參數(shù)見表3，其中制冷劑為R717(氨)，換熱管材質(zhì)為銅，翅片材質(zhì)為鋁，采用泵供液。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)將超聲波傳振板固定于換熱管上，直板型焊接在蒸發(fā)器左側(cè)換熱室的鋁管；T型和L型則脹緊在蒸發(fā)器右側(cè)換熱室鋁管。

圖5 實(shí)驗(yàn)用速凍冷風(fēng)機(jī)及探頭連接形式Fig.5 The form of experimental quick-freezing cooling fan and probe connection

參數(shù)數(shù)值換熱管間距/mm60翅片間距/mm12～30傳熱面積/m2199風(fēng)量/(m3/h)16 000風(fēng)壓/Pa250

2)將超聲換能器按照一定的順序和間距粘貼在3種傳振板上，T型、L型和直板型3條傳振板上安裝若干40 kHz超聲換能器，陣子粘貼后，靜待24～48 h以保證膠水完全固化。安裝完成后，超聲換能器在3種傳振板上的布置如圖6所示。

圖6 超聲換能器在3種傳振板上的布置Fig.6 The arrangement of the ultrasonic transducer on three kinds of vibration plate

3)在超聲換能器安裝完成后，對(duì)傳振板上各換能器及各傳振板上的超聲換能器組的最小阻抗進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)各超聲換能器的平均阻抗和各傳振板超聲振動(dòng)系統(tǒng)的最小阻抗，確定超聲電源的系統(tǒng)輸出頻率，以此對(duì)超聲電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在回路中的電感抵消系統(tǒng)的電抗，使其成為純阻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)諧。

4)降溫、加濕開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過繼電器控制電路的通斷，調(diào)節(jié)換能器的工作和間歇時(shí)間長(zhǎng)短，從而實(shí)現(xiàn)換能器的間歇工作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 直板型、L型、T型傳振板對(duì)超聲波除霜效果的影響

設(shè)定制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-30 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃，實(shí)驗(yàn)室通入熱濕蒸汽，保持相對(duì)濕度在95%以上，功率超聲波頻率38.76 kHz，加載機(jī)制為間隔50 s振動(dòng)10 s。實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度測(cè)量精度為0.1 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量精度為0.1%，通過設(shè)置環(huán)境干濕球溫度控制實(shí)驗(yàn)過程中溫濕度，并打開電加熱器以維持實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況的穩(wěn)定運(yùn)行，并在實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共分3次，每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)激勵(lì)直板型、T型、L型傳振板的換能器組連續(xù)運(yùn)行4 h，比較3種傳振結(jié)構(gòu)的抑、除霜效果。為了控制實(shí)驗(yàn)變量，得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每次實(shí)驗(yàn)前停機(jī)待霜層全部融化，保證冷風(fēng)機(jī)翅片、換熱管表面干燥，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫、濕度與外界環(huán)境相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1)3次實(shí)驗(yàn)無論在霜層的厚度還是在積霜量方面，施加超聲側(cè)換熱室翅片上的結(jié)霜量明顯少于不加超聲側(cè)的結(jié)霜量。說明超聲波對(duì)速凍冷風(fēng)機(jī)翅片表面結(jié)霜具有顯著的抑制作用，3種傳振板均能將超聲能量有效傳播到翅片表面上。

2)對(duì)比3種傳振板周圍翅片上的結(jié)霜量，直板型霜層最薄，T型次之，L型稍厚。

3)對(duì)比3種傳振板的超聲波抑霜影響范圍，直板型的范圍大于T型及L型。

4.2 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)超聲波除霜效果

選取超聲波除霜效果最好的直板型傳振板上的換能器組，在相同的環(huán)境條件下連續(xù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步觀察在高濕、低溫環(huán)境下超聲波對(duì)速凍冷風(fēng)機(jī)翅片表面的抑、除霜效果。受冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)限制，顯微圖像測(cè)量系統(tǒng)無法布置于蒸發(fā)器前，因此無法通過圖像處理技術(shù)得到霜層厚度隨運(yùn)行時(shí)間的定量關(guān)系曲線。僅在相同工況下，對(duì)翅表結(jié)霜過程進(jìn)行定性分析，得到超聲波對(duì)翅表結(jié)霜過程的影響。實(shí)驗(yàn)8 h后，冷風(fēng)機(jī)換熱室結(jié)霜情況如圖7所示。

圖7 連續(xù)實(shí)驗(yàn)8 h超聲波除霜效果Fig.7 Continuous experiment 8 hours ultrasonic defrosting effect

由圖7可知，與施加超聲波側(cè)換熱室翅片上結(jié)霜量相比，未加超聲波側(cè)翅片上的霜層多且厚，幾乎將整個(gè)換熱室表面全部覆蓋，嚴(yán)重影響其通風(fēng)和換熱特性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)速凍冷風(fēng)機(jī)在高濕低溫環(huán)境下結(jié)霜速度快，運(yùn)行效率低的問題，建立了超聲波除霜系統(tǒng)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)超聲除霜速凍冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

1)從理論建模、激光測(cè)振和超聲高頻振動(dòng)除霜實(shí)驗(yàn)效果的對(duì)比來看，結(jié)果完全一致。因此，基于超聲高頻振動(dòng)的除霜技術(shù)在理論和實(shí)際上是可行的。

2)超聲高頻振動(dòng)在結(jié)霜與基板界面處激發(fā)的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于結(jié)霜的黏附應(yīng)力，具備除霜的力學(xué)可行性；剪切應(yīng)力的強(qiáng)弱交替，有利于結(jié)霜的破碎和剝離。

3)超聲換能器的振動(dòng)通過T型或L型傳振板傳遞到換熱管、翅片上時(shí)，受振面處于不完全固定狀態(tài)，振動(dòng)能量不能完全通過傳振面進(jìn)行傳遞，超聲波能量發(fā)生衰減。

4)與T型及L型傳振板相比，直板型傳振板工作時(shí)處于完全鎖定狀態(tài)，超聲波能量傳遞效率更高，有利于超聲波對(duì)速凍冷風(fēng)機(jī)翅片表面霜層的抑制和去除。

針對(duì)超聲波除霜技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用，今后會(huì)在超聲波傳振結(jié)構(gòu)、連接形式、超聲波頻率及加載機(jī)制等方面深入研究，并融合新型翅片工藝，提升超聲波除霜的效果。