劉 耀 盛 偉,2 方永強(qiáng) 張培成 鄭海坤,2 郝曉茹

(1 河南理工大學(xué)機(jī)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)

在制冷空調(diào)與熱泵領(lǐng)域，翅片管換熱器由于其優(yōu)良的換熱性能被廣泛應(yīng)用。當(dāng)翅片管換熱器在低溫高濕的環(huán)境下運(yùn)行時，附近濕空氣遇冷發(fā)生相變，翅片表面會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。結(jié)霜使翅片間隙堵塞，產(chǎn)生熱阻，增加空氣流過換熱器時的壓降，致使換熱性能下降，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障，引發(fā)經(jīng)濟(jì)與安全問題[1-3]。因此研究翅片表面結(jié)霜過程對翅片管換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

翅片管換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過程中難以對翅片表面的霜層進(jìn)行直接觀察和測量等，目前對于翅片表面霜凍形成的實(shí)驗(yàn)研究，多采用平板代替平翅片作為實(shí)驗(yàn)對象。Sheng Wei等[4]對結(jié)霜初期表面特性對冷凝液滴生長的影響進(jìn)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，且同種潤濕性條件下，冷表面液滴凍結(jié)時間受環(huán)境控制。V.S.Nascimento等[5]實(shí)驗(yàn)測量了不同冷表面溫度、空氣溫度、濕度和速度下，平板和平行板上的霜層厚度、霜層密度。結(jié)果表明，空氣濕度和平板溫度對霜密度和霜厚度起主要影響。研究人員還對冷板結(jié)霜進(jìn)行了數(shù)值模擬，并建立了相關(guān)模型[6-8]。Wu Xiaomin等[9]提出了基于相變驅(qū)動力的結(jié)霜傳質(zhì)模型，并利用該模型模擬了局部降溫平板和翅片管換熱器的結(jié)霜過程。

上述研究主要圍繞平翅片展開。為滿足不同的換熱和壓降需求，不同類型的增強(qiáng)翅片(如開縫翅片、百葉窗翅片及波紋翅片等)被開發(fā)[10-11]。受自身狹縫結(jié)構(gòu)的影響，開縫翅片和百葉窗翅片更容易積灰堵塞，波紋翅片更適合于室外換熱器[12]，一些研究人員主要關(guān)注傳熱速率和壓降[13-16]。A.A.Bhuiyan等[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著波浪角的增加，傳熱和壓降急劇增加，但效率曲線顯示相反的趨勢。波浪角由8°增至17.5°和由17.5°增至35°，每種情況下的傳熱和壓降增幅超過50%。谷波等[18]實(shí)驗(yàn)研究了正弦波紋片及圓弧波紋片的空氣側(cè)換熱，結(jié)果表明,翅片類型對換熱的影響隨雷諾數(shù)的增大而增大。

國內(nèi)外學(xué)者也對波紋翅片的結(jié)霜特性進(jìn)行了研究。Huang Dong等[19]實(shí)驗(yàn)研究了翅片類型對換熱器結(jié)霜周期的影響，結(jié)果表明,波紋翅片的熱性能優(yōu)于百葉窗翅片。Xia Y.等[20]實(shí)驗(yàn)對比了4種不同幾何形狀的翅片在一個霜層生長周期中對百葉窗翅片換熱器的壓降和總傳熱系數(shù)的影響。Ma Qiang等[21]模擬了波紋板上的霜層生長和致密化過程，得到霜凍密度分布、溫度分布和風(fēng)速分布，并實(shí)驗(yàn)測量了霜層厚度。

綜上所述，雖然已有大量有關(guān)波紋翅片的研究發(fā)表，但關(guān)于波紋翅片的結(jié)霜研究相對較少，關(guān)于冷表面溫度與環(huán)境參數(shù)對于波紋表面結(jié)霜特性的影響仍需進(jìn)一步深入研究。本文基于無量綱相變驅(qū)動力分析結(jié)霜機(jī)理，觀察了不同環(huán)境因素下波紋表面霜層生長形貌，并實(shí)驗(yàn)研究了冷表面溫度、空氣溫度、空氣相對濕度和空氣流速對波紋表面結(jié)霜量和霜層厚度的影響及變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 表面制備

實(shí)驗(yàn)用鋁質(zhì)波紋表面，采用電火花線切割機(jī)(Hengshida DK7732)切割純鋁板(1060Al)制成。為保證冷表面溫度測量的精確性，采用電火花穿孔機(jī)表面?zhèn)冗叴蚩祝仓?個熱電偶測點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)用鋁質(zhì)波紋表面尺寸特征和熱電偶布置方式，如圖1所示。制備好的鋁質(zhì)波紋表面采用酒精浸泡，反復(fù)使用超聲波清洗機(jī)(FUYANG F-009S)清洗，去除制備過程中表面殘留的污漬，之后采用烘干箱(LICHEN 202-00S)烘干備用。

圖1 實(shí)驗(yàn)冷表面尺寸特征和熱電偶布置方式Fig. 1 Dimensional characteristics and thermocouple layout of experimental cold surface

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

可視化低溫結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示，主要由3部分組成：濕空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，低溫測試臺系統(tǒng)，數(shù)據(jù)及圖像采集系統(tǒng)。根據(jù)結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況中的冷表面溫度、濕空氣溫度，濕空氣相對濕度、濕空氣流速的目標(biāo)值，實(shí)驗(yàn)臺可以調(diào)控結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況至穩(wěn)態(tài)、實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)各工況參數(shù)、同步采集表面霜晶生長形貌圖像。

圖2 可視化低溫結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺Fig. 2 Visualized low-temperature frosting experiment platform

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。實(shí)驗(yàn)開始前，首先使用塑料薄膜將波紋表面包裹住，避免未到實(shí)驗(yàn)工況條件時波紋表面提前結(jié)霜。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況至穩(wěn)定后，掀開表面覆蓋的塑料薄膜，實(shí)驗(yàn)開始。實(shí)驗(yàn)時長最大為60 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下結(jié)霜實(shí)驗(yàn)波紋表面，測量質(zhì)量為m1(g)，烘干結(jié)霜波紋表面，再次測量質(zhì)量為m2(g)，結(jié)霜量定義為(m1-m2)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab. 1 Experimental conditions

定義霜層厚度為霜層頂端到冷表面的垂直距離。平均霜層厚度可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：δ為平均霜層厚度，mm；Δyj為霜層厚度實(shí)驗(yàn)測量值，mm；n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，采用CCD顯微攝像機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)表面上霜層的側(cè)視圖，并通過軟件Image-Pro Plus Version處理圖片，計(jì)算平均霜層厚度δ。

2 波紋表面結(jié)霜特性

冷表面上結(jié)霜受多種因素影響。在不同環(huán)境因素和冷表面溫度下，霜層生長的過程及形態(tài)存在較大差異。本節(jié)采用單一因素法，實(shí)驗(yàn)研究不同環(huán)境因素下波紋表面的結(jié)霜特性。

2.1 理論分析

實(shí)驗(yàn)工況下，濕空氣中的水蒸氣流經(jīng)波紋表面持續(xù)發(fā)生相變產(chǎn)生霜晶。相變驅(qū)動力越大，濕空氣中的水蒸氣越容易發(fā)生相變；流經(jīng)波紋表面的濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量越大，單位時間內(nèi)發(fā)生相變的水蒸氣越多。因此，環(huán)境因素對結(jié)霜量和霜層厚度的影響，可結(jié)合無量綱相變驅(qū)動力和濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量進(jìn)行分析。

結(jié)霜的相變驅(qū)動力等價于水分子從氣態(tài)轉(zhuǎn)移到固態(tài)時的吉布斯自由能減少量，可通過式(2)計(jì)算[22]：

(2)

式中：k為Boltzmann常數(shù)；Tw為冷表面溫度，℃；pv為濕空氣中水蒸氣分壓力，Pa；pvs為冷表面溫度Tw下的水蒸氣飽和分壓力，Pa。

由于pv和pvs相差較小，式(2)可改寫為：

(3)

又因水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωv與水蒸氣分壓力相關(guān)，可通過式(4)計(jì)算：

(4)

式中：patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa。

由式(3)、式(4)可得[23]：

(5)

Φ=ρa(bǔ)irωvuair

(6)

分別計(jì)算各實(shí)驗(yàn)工況下的無量綱相變驅(qū)動力、濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 無量綱相變驅(qū)動力、濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量Tab. 2 Dimensionless phase change driving force, water vapor mass flow in humid air

2.2 冷表面溫度變化時結(jié)霜特性

冷表面溫度變化時結(jié)霜形貌如圖3所示，相同結(jié)霜時間內(nèi)，冷表面溫度越低，霜晶垂直于冷表面方向生長速度越快，且霜晶形貌呈枝狀。這是因?yàn)槔浔砻鏈囟仍降停浔砻娓浇臐窨諝膺^飽和度和過冷度越大，導(dǎo)致霜層生長趨勢增快；且冷表面溫度越低，冷表面與濕空氣之間換熱量越大，霜晶生長形態(tài)更趨于針狀或枝狀。

圖3 冷表面溫度變化時霜層的生長過程Fig. 3 Growth process of frost layer with cold surface temperature changes

冷表面溫度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響如圖4所示。由圖4可知，冷表面溫度越低，波紋表面上的結(jié)霜量和霜層厚度越大，結(jié)霜60 min時，與case1相比，case2和case3的結(jié)霜量分別增長12.20%和31.28%，霜層厚度分別增長19.95%和47.24%。由表2可知，其他參數(shù)不變時，冷表面溫度的降低會使無量綱相變驅(qū)動力增加，故冷表面溫度越低，結(jié)霜量和結(jié)霜厚度會相應(yīng)增加。

從抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，城陽區(qū)鄉(xiāng)村旅游者的停留率非常低，絕大部分旅游者當(dāng)天往返，占71%；停留三天以上的旅游者僅占7%。由此，可以看出城陽區(qū)鄉(xiāng)村旅游缺乏使游客留下來的吸引力，本文認(rèn)為要更多的開發(fā)一些度假休閑旅游項(xiàng)目。

圖4 冷表面溫度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響Fig. 4 Effect of cold surface temperature on frost amount and frost layer thickness

2.3 空氣溫度變化時結(jié)霜特性

空氣溫度變化時結(jié)霜形貌如圖5所示，對比case2、case4、case5可以觀察到，相同結(jié)霜時間內(nèi)，濕空氣溫度越高，霜層頂端表面越光滑，霜層越致密化。這是因?yàn)闇囟仍礁叩臐窨諝饬鹘?jīng)冷表面上方時，與之接觸的霜晶越容易發(fā)生融化，同時使霜層頂端變得光滑，且融化的霜晶滲透進(jìn)霜層內(nèi)部，凍結(jié)成冰，使霜層更加致密。

圖5 空氣溫度變化時霜層的生長過程Fig. 5 Growth process of frost layer when air temperature changes

濕空氣溫度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響如圖6所示。由圖6可知，濕空氣溫度越高，波紋表面上的結(jié)霜量和霜層厚度越大。結(jié)霜60 min時，與case2相比，case4和case5的結(jié)霜量分別增加22.26%和51.71%，霜層厚度分別增加15.62%和27.07%。由表2可知，濕空氣溫度越高，無量綱相變驅(qū)動力與空氣中水蒸氣質(zhì)量流量越大，這解釋了圖6中霜層厚度與結(jié)霜量隨空氣溫度的變化。

圖6 濕空氣溫度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響Fig. 6 Effect of humid air temperature on frost amount and frost layer thickness

2.4 空氣濕度變化時結(jié)霜特性

空氣濕度變化時結(jié)霜形貌如圖7所示，對比圖7中case3、case6、case7可以觀察到，相同結(jié)霜時間內(nèi)，濕空氣相對濕度越大，霜層頂端霜晶生長越密集且霜枝直徑越大，使霜層頂端表面更加光滑，霜層整體致密化程度更高。

圖7 空氣濕度變化時霜層的生長過程Fig. 7 Growth process of frost layer with air humidity changes

濕空氣相對濕度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響如圖8所示。由圖8可知，相對濕度越大，波紋表面上的結(jié)霜量和霜層厚度越大。結(jié)霜60 min時，與case3相比，case6、case7的結(jié)霜量分別增加19.22%和34.78%，霜層厚度分別增加27.72%和40.55%。對比表2中case3、case6、case7可知，空氣濕度對無量綱相變驅(qū)動力以及濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量均有影響，因此空氣濕度越大，結(jié)霜量與霜層厚度越大，霜層也越致密。

圖8 濕空氣相對濕度對結(jié)霜量、霜層厚度的影響Fig. 8 Effect of humid air relative humidity on frost amount and frost layer thickness

2.5 空氣流速變化時結(jié)霜特性

空氣流速變化時霜層的生長過程如圖9所示。對比圖9中case1、case8、case9可以觀察到，相同結(jié)霜時間內(nèi)，空氣流速越大，霜層表面越光滑，霜層整體越致密。

圖9 空氣流速變化時霜層的生長過程Fig. 9 Growth process of frost layer as air velocity changes

空氣流速對結(jié)霜量、霜層厚度的影響如圖10所示。由圖10可知，空氣流速越大，波紋表面上的結(jié)霜量和霜層厚度越大。結(jié)霜60 min時，相比于case1的結(jié)霜量，case8，case9的結(jié)霜量分別增加16.87%和35.86%，霜層厚度分別增加8.81%和15.19%。由表2知，case1、case8、case9的濕空氣中水蒸氣質(zhì)量流量存在差異。此外，空氣流速越大，冷表面上的霜晶越容易發(fā)生斷裂和倒伏，導(dǎo)致霜層增長速度更快，霜層整體更致密。

圖10 空氣流速對結(jié)霜量、霜層厚度的影響Fig. 10 Effect of humid air velocity on frost amount and frost layer thickness

3 環(huán)境因素影響的重要性分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)田口法設(shè)計(jì)的概念，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，陣列為L9，自由度為8。在完全析因?qū)嶒?yàn)中，對于4因素3水平的實(shí)驗(yàn)，若在每個因素的每個水平搭配(或稱水平組合)上只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，需要34=81次，而田口法實(shí)驗(yàn)將其減少至僅9次，優(yōu)勢顯著。各實(shí)驗(yàn)時長為30 min，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)霜量、霜層厚度的方法與前文相同。實(shí)驗(yàn)因素水平表和正交表設(shè)計(jì)及結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 因素水平表Tab. 3 Factors level table

表4 實(shí)驗(yàn)正交表設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab. 4 Experimental orthogonal table design and results

采用田口法的望大特性，結(jié)霜量和霜層厚度實(shí)驗(yàn)值越大，計(jì)算的信噪比結(jié)果越大。結(jié)霜量和霜層厚度的信噪比S/N可由式(7)計(jì)算：

(7)

式中：yn為每個實(shí)驗(yàn)中每個樣本的響應(yīng)結(jié)果；n為樣本迭代次數(shù)。

3.2 結(jié)果與討論

由表4實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)霜量和霜層厚度，根據(jù)式(7)可以計(jì)算每個實(shí)驗(yàn)的結(jié)霜量和霜層厚度的信噪比S/N，如表5所示。各研究參數(shù)水平的結(jié)霜量、霜層厚度的信噪比S/N及貢獻(xiàn)率分別如表6、表7所示。表6、表7中每個因素各水平的信噪比S/N由表5中各水平對應(yīng)的信噪比S/N的算術(shù)平均值計(jì)算。貢獻(xiàn)率表示各因素對波紋表面結(jié)霜特性的影響，即對結(jié)霜量、霜層厚度的影響，使用極差R來計(jì)算。極差R表示每個因素上的信噪比S/N的最大值和最小值之間的差值。根據(jù)各因子對應(yīng)的極差R值與所有極差R值之和的比值，求出各因素的貢獻(xiàn)率。

表5 結(jié)霜量和霜層厚度信噪比Tab. 5 S/N ratio of frost weight and thickness

表6 各研究參數(shù)水平的結(jié)霜量信噪比及貢獻(xiàn)率分析Tab. 6 Analysis of S/N ratio and contribution rate of frost weight at each parameter level

表7 各研究參數(shù)水平的霜層厚度信噪比及貢獻(xiàn)率分析Tab. 7 Analysis of S/N ratio and contribution rate of frost thickness at each parameter level

由表6和表7可知，實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)根據(jù)結(jié)霜量和霜層厚度作為判斷依據(jù)，各因素對波紋表面結(jié)霜量影響的重要性排序?yàn)椋豪浔砻鏈囟?濕空氣相對濕度>空氣流速>濕空氣溫度；各因素對波紋表面霜層厚度影響的重要性排序?yàn)椋豪浔砻鏈囟?濕空氣相對濕度>濕空氣溫度>空氣流速。

圖11所示為各因素中每個水平的信噪比S/N，有助于選擇實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)環(huán)境因素的最佳參數(shù)組合。最佳參數(shù)是與波紋表面結(jié)霜的結(jié)霜量、霜層厚度相關(guān)的因素。在考慮的4個環(huán)境因素中，A3B3C3D3組合的信噪比S/N最大，則其對結(jié)霜量、霜層厚度的影響最大。即在該組合的實(shí)驗(yàn)工況下，波紋表面的結(jié)霜量、霜層厚度應(yīng)大于表4實(shí)驗(yàn)中的結(jié)霜量、霜層厚度最大值0.890 g、2.118 mm。對A3B3C3D3組合工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)霜量和霜層厚度的結(jié)果分別為1.020 g、2.237 mm，符合要求。所以，A3B3C3D3是實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)致使波紋表面結(jié)霜量、霜層厚度最大的環(huán)境因素最佳組合，即冷表面溫度-15 ℃、空氣溫度17 ℃、相對濕度90%、濕空氣風(fēng)速2.5 m/s。

圖11 各因素水平的結(jié)霜量、霜層厚度信噪比Fig. 11 S/N ratio of frost layer thickness for each factor level

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了在不同冷表面溫度(-5～-15 ℃)、空氣溫度(11～17 ℃)、空氣流速(1.5～2.5 m/s)等工況下，鋁基裸鋁波紋表面的結(jié)霜情況?；跓o量綱相變驅(qū)動力分析了結(jié)霜機(jī)理，觀察了波紋表面上霜層生長過程中的微觀形貌，并采用單一因素法和田口法實(shí)驗(yàn)研究了冷表面溫度、濕空氣溫度、濕空氣相對濕度、濕空氣流速對波紋表面結(jié)霜特性的影響，得到如下結(jié)論：

1)環(huán)境因素影響波紋表面結(jié)霜形貌。冷表面溫度越低，霜層頂部霜枝越尖銳，呈現(xiàn)針狀；空氣溫度越高，霜層頂部越平滑；濕空氣相對濕度與空氣流速增大，霜層致密化程度增加，但空氣流速過高時，會引起霜枝斷裂倒伏。

2)環(huán)境因素的改變影響無量綱相變驅(qū)動力和水蒸氣質(zhì)量通量的大小，進(jìn)而影響波紋表面結(jié)霜特性。冷表面溫度越低，濕空氣溫度越高，濕空氣相對濕度越大，空氣流速越大，波紋表面的結(jié)霜量和霜層厚度越大。

3)由田口法實(shí)驗(yàn)得出，相比于濕空氣溫度和空氣流速，冷表面溫度和濕空氣相對濕度對波紋表面結(jié)霜特性影響相對較大。冷表面溫度與空氣濕度對波紋表面結(jié)霜量的貢獻(xiàn)率分別為37.3%和31.8%，對結(jié)霜層厚度的貢獻(xiàn)率分別為61.1%和22.6%。值得注意的是，空氣流速對結(jié)霜量的貢獻(xiàn)率為22.6%，而對結(jié)霜層厚度的貢獻(xiàn)率僅為4.2%，表明空氣流速對霜層的致密化具有較大作用。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)最大結(jié)霜量與結(jié)霜厚度參數(shù)組合為A3B3C3D3。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該組合工況下的結(jié)霜量和霜層厚度結(jié)果分別為1.020 g、2.237 mm。

本文受河南省自然科學(xué)基金(162300410112)和河南理工大學(xué)博士基金(B2021-37)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Henan Province (No. 162300410112)，Doctoral Fund Project of Henan Polytechnic University (No. B2021-37).)