【中國制冷網】[摘 要] 本文在不同結霜工況下對蒸發器盤管的結霜特性進行了實驗研究，考察了空氣的相對濕度、盤管表面溫度和驅動溫度三種控制因素對盤管結霜特性的影響，得出了盤管空氣側的壓力降、制冷量在結霜過程中的動態變化規律，以及空氣進出口側的結霜情況、盤管管排的霜層分布特點。實驗結果表明，這三種控制因素對蒸發器盤管的結霜性能有不同程度的影響。較低的相對濕度，較高的盤管表面溫度，較低的驅動溫度都可抑制霜層的生長。為以后的結霜性能研究提供了較好的研究經驗。

　　[關鍵詞] 蒸發器盤管；結霜特性；控制因素；實驗研究

　　引言

　　結霜現象是制冷工程、空調熱泵以及其他低溫領域中常見的問題之一，結霜現象對換熱系統都會造成一定的危害，因此國內外許多學者對結霜問題都曾做過大量研究，主要通過以下三個方面對結霜現象進行研究。結霜機理研究方面[1-6]：利用實驗或理論模擬的方法研究了環境溫度、濕度、空氣流速、冷表面溫度和冷表面特性對霜層生長的厚度、密度和晶體形態等的研究。結霜對系性能的影響方面：如羅超等[7]考察了在低溫工況下（-18℃）、進口空氣溫度、空氣相對濕度和空氣風速對蒸發器性能的影響，給出了換熱量、空氣側壓降、結霜量和總傳熱系數在結霜過程中的動態變化規律。其他學者[8-9]通過建立數學模型、實驗研究的方法，論證了空氣溫度、濕度和風速對換熱器系統結霜性能（如換熱量和空氣側壓降等）有不同程度的影響。在除霜抑霜方面：除霜的方法主要有電加熱除霜和熱氣融霜等，文獻[10]提出了空氣源熱泵“蓄能熱氣除霜”新系統，解決了常規除霜時低位熱源供給熱量不足的問題。抑霜主要通過改變冷表面特性、外加電場（磁場）、盤管型式設計等，劉中良等[11]綜述了抑霜技術的研究進展，表明通過外加電場（磁場）和表面改性在一定條件下可以延緩或有效地抑制結霜過程。此外，近年來學者們[12-13]對化霜邏輯的控制方面也做了較多的研究，旨在準確判斷化霜時機，減少化霜所需要的時間及能量。

　　本文基于作者早期對蒸發器盤管結霜現象的觀察實驗，較為全面地研究了在三種不同結霜工況下，空氣的相對濕度、盤管表面溫度、驅動溫度三種控制因素對盤管結霜特性的影響，得出了盤管空氣側的壓力降和制冷量在結霜過程中動態變化規律以及空氣進出口側的結霜情況和盤管的霜層分布的特點。

　　1、實驗裝置

　　圖 1 為我們設計的LET090 冷風機的實驗裝置，采用R404A 制冷劑，固定轉速的電機。實驗工況見表1。

　　在 3 種工況下，分別控制空氣的相對濕度（Relative humidity，RH）為55%、75%、90%進行實驗研究。觀察相對濕度對盤管結霜性能影響的實驗是在工況1 下，相對濕度分別控制在57%、74%、87%，考察相對濕度對盤管的結霜特性（空氣側壓力降、空氣進出口側的結霜情況、霜層在每排管排的結霜量和制冷量變化）的影響。研究盤管表面溫度對盤管的結霜特性影響是在對比工況1 和工況2的實驗基礎上的，而分析溫差TD 影響的實驗是在工況2 和工況3 的條件下進行的。2 實驗結果及分析。

　　2.1 相對濕度對盤管結霜特性的影響在工況 1 下隨著結霜過程的進行，盤管空氣側壓降的變化見圖2。

　　從圖 2 可知在不同相對濕度（57%、74%、87%）下，盤管壓力降（風量損失）也會有較大的不同。同時在實驗中觀察到，z*大的壓降發生在停機之前；相對濕度越高，結霜速度越快。在空氣進口側（如圖 3），相對濕度較低時（55%）沒有發生結霜現象；當相對濕度在75%時，實驗進行到7 h，盤管上有部分結霜；當相對濕度在90%時，實驗僅進行到2 h，盤管上已全部結霜。

　　在空氣出口側（如圖4）盤管的結霜量沒有空氣進口側結霜量受相對濕度的影響明顯，但當相對濕度較大時，盤管上也有部分結霜。55%RH 75%RH (7h) 90%RH (2h)圖3 工況1下不同相對濕度時空氣進口側的結霜情況55%RH 75%RH (7 h) 90%RH (2h)圖4工況1下不同相對濕度時空氣出口側的結霜情況。

　　從圖 5 可見，55%RH 時每排管排的結霜量為0 kg，而75%RH 實驗7 h 的總結霜量比90%RH 實驗2 h 的結霜量大，可能原因是90%RH 時結霜較快，阻礙了濕空氣的進入。

　　圖6 中通過風量和焓變來估算制冷量，可知相對濕度越大，制冷量的衰減也越快。

　　2.2 盤管表面溫度對盤管結霜特性的影響在蒸發器盤管中，空氣溫度Tair>露點溫度Tdew>盤管表面溫度Tcoil>蒸發溫度TSST，溫差ΔT（空氣溫度和盤管表面溫度之差ΔT=Tair-Tcoil）、DF（盤管表面溫度與露點溫度之差DF=Tdew-Tcoil）、TD，其中DF 為驅動溫差。通過工況1 和工況2 的實驗，對比分析了Tcoil 對盤管結霜特性的影響。

　　工況 1 比工況2 的室溫低，相同的TD 說明工況1 的Tcoil 也比工況2 的低。對比圖1 和圖7 兩圖，在相同濕度下工況1 空氣側壓力降比工況2 的壓力降要高，說明在較低的Tcoil 有較大的壓力損失或風量損失。

　　從圖 8 知，空氣進口側在75%RH 下工況1 比工況2 的結霜量略大，而在90%RH 下工況1 在2 h內的結霜量明顯比工況2 在4 h 內的結霜量大的多。

　　對比圖 5 和圖9 可知：75%RH 下，工況2 管排的總結霜量略小于工況1；90%RH 下，由于工況1 空氣進口側的結霜量較大，導致空氣無法進入盤管而造成工況1 的管排總結霜量遠小于工況2。

　　對比圖 6 與圖10，74%RH 和55%RH 時，工況2 制冷量衰減比工況1 小，表明較低的Tcoil 時制冷量隨著結霜過程的進行衰減較快。

　　2.3 空氣溫度與蒸發溫度之差對盤管結霜特性的影響。

　　此實驗是在工況 2 和工況3下進行的，工況2和工況3 具有相同的室溫-6.7 ℃，工況2 比工況3有較大的TD，為-5.6 ℃，工況3 的TD 為-2.8 ℃。

　　通過對比分析工況 2 和工況3 盤管結霜的實驗結果（圖7 和圖11），在90%RH 下，TD 較小時空氣側壓力降（風量損失）也較小；在75%RH 下，較小的TD 時不會結霜。

　　從圖 12 可知，工況2 比工況3 的出口結霜量大，同時比較圖12 和圖9（b）都說明在較低的TD下結霜量會減少。

　　圖 14 和圖10 說明當TD 較低時，制冷量的衰減也較緩慢，因此在結霜情況下為了達到相同的制冷量需要有較大的盤管換熱面積。

　　3、 結論

　　1）兩種條件會影響霜層生長：一是驅動溫度；二是濕度條件，任何促進這兩個條件的行為都會促進結霜。

　　2）在較低的Tcoil、較大的TD 和較高的相對濕度下結霜較快，霜層也較為疏松，在很短時間內就會阻礙風量。

　　3）控制結霜方面：用較小的TD 來減緩結霜（需要較大的盤管換熱面積）；及時檢測到結霜并使用正確的除霜方法（需要精確的結霜傳感器和控制邏輯）。

　　4）風速的影響、霜的微觀結構、宏觀物性（如密度、熱導率和表面粗糙度）以及創新的盤管設計和除霜方法，都可以是今后更深入的研究方向。