环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｒｏｓｔ Ｌａｙｅｒ ｆｏｒ Ａｉｒ Ｓｏｕｒｃｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ
ＧＵＯ Ｘｉａｎｍｉｎ１，２， ＷＡＮＧ Ｓｈａｎｙｕｎ１， ＷＡＮＧ Ｗｅｉｈｕａ１，ＣＨＥＮ Ｃｈｕｎｚｈｅｎｇ２
（１．天 津 商 业 大 学 天 津 市 制 冷 技 术 重 点 实 验 室 ，３００１３４，天 津 ； ２．西 安 交 通 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 ，７１００４９，西 安 ）
摘要：对一台空气源热泵翅片管蒸发器表面结霜特性 进行 了 实 验 研 究，分 析 了 室 外 环 境 温 度 和 相 对 湿 度 对 霜 层 的 形 态 、平 均 密 度 、总 平 均 密 度 及 动 态 密 度 的 影 响 ．实 验 结 果 表 明 ：室 外 环 境 温 度 的 降 低 或 相 对 湿 度 的 增 加 将 促 使 换 热 器 表 面 霜 层 在 生 长 过 程 中 形 成 针 状 霜 晶 ，乃 至 形 成 绒 状 霜 层 ；在 高 温、高湿度工况下，霜层表面出现凝结水滴，使得霜层 密 度 增 大．在 霜 层 减 速 生 长 段，霜 层 平 均 密 度 随结霜时间呈增大趋势，而在霜层加速生长段，霜层 平均密度 随 结 霜 时 间 迅 速 减 小，且 动 态 霜 层 密 度 远 远 小 于 霜 层 平 均 密 度 ．对 环 境 参 数 不 同 而 霜 层 厚 度 相 同 的 霜 层 平 均 密 度 进 行 比 较 发 现 ，其 随 环 境 温 度 的 升 高 及 相 对 湿 度 的 减 小 而 增 大 ，且 相 对 湿 度 的 影 响 在 低 湿 度 工 况 下 更 为 显 著 ． 关 键 词 ： 空 气 源 热 泵 ；结 霜 ；霜 层 密 度 ；霜 层 生 长 特 性 中 图 分 类 号 ：ＴＢ６５ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０２５３－９８７Ｘ（２０１１）０３－００３０－０５
（１．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ′ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１０－０６－１６． 作 者 简 介：郭 宪 民 （１９６２－ ），男，教 授． 基 金 项 目：天 津 市 应 用 基 础 研 究 计 划 资 助 项 目 （０６ＹＦＪＭＪＣ０５５００）． 网络出版时间：２０１０－１１－０５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１－１０６９．Ｔ．２０１０１１０５．０９２８．０００．ｈｔｍｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｒｏｓｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎ－ｔｕｂｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｏｆ ａｎ ａｉｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ （ＡＳＨＰ）ｗｅｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｄｏｏｒ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｏｔａｌ ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ ｄｙｎａｍ－ ｉｃ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｌａｙｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｏｕｔｄｏｏｒ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｒ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｅｒｏｓｅ－ｓｈａｐｅｄ ｉｃｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ，ｅｖｅｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｆｆｙ ｆｒｏｓｔ ｌａｙｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＨＰ． Ａｔ ｈｉｇｈｅｒ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｉｓｅｓ ｃｌｅａｒｌｙ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔ－ ｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｄｒｏｐｌｅｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｌａｙｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｇｒｏｗｔｈ， ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔｉｎｇ ｔｉｍｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｇｒｏｗｔｈ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ｌａｙｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｒｏｓｔ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒ－ ａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏｗ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｆｒｏｓｔ；ｆｒｏｓｔ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｆｒｏｓｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
本文对一台空气源热泵空调器室外换热器表面 结霜特性进行了实验研究，分析了室外环 境 温 度ｔａ、 相对湿度 Ｈｒ 对霜层密度和形态的影响．
１ 实验装置
实验 在 焓 差 空 调 器 性 能 实 验 台 上 进 行，热 泵 测 量 系 统 如 图 １ 所 示 ．在 内 、外 侧 环 境 室 内 分 别 安 装 了 空气处理装置，以控制ｔａ、Ｈｒ 保持在设定 值．实 验 样 机采用额定制冷量为１１．２ｋＷ 的 涡旋 压缩机，毛细 管内径为２．９６ ｍｍ，管 长 为 ７００ ｍｍ，室 内、室 外 换 热器分别为４排和 ２ 排 平 翅 片 管 式 换 热 器．实 验 样 机 参 数 、实 验 数 据 处 理 方 法 、仪 表 精 度 及 实 验 步 骤 详 见 参 考 文 献 ［１－２］．
ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ
第 ３ 期 郭 宪 民 ，等 ：环 境 参 数 对 空 气 源 热 泵 蒸 发 器 表 面 霜 层 影 响 研 究
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通过对空气源热泵室外换热器表面霜层生长规 律的研究表明［１－４］，翅片表面霜层呈现“快－慢 － 快” ３段增长模式．在结霜过程的 最后 阶 段，霜 层 厚 度 加 速 增 长 ，使 得 霜 层 厚 度 增 长 曲 线 呈 现 上 凹 型 ，这 与 许 多作者 的 ［５－８］ 数值模拟或实验结果存在很大 的 差 别． 实际上，霜层生长 过 程、室 外 换 热 器 风 机 流 量、传 热 性能及热泵系统循 环 参 数 相 互 影 响，并 在 结 霜 过 程 中造成霜层形态及 霜 层 密 度 发 生 变 化，进 而 影 响 到 霜层导热系数等．
２ 实验结果及分析
２．１ 环 境 参 数 对 霜 层 形 态 的 影 响 实 验 结 果 表 明 ，在 不 同 的 室 外 环 境 条 件 下 ，结 霜
过程中霜层的形态是 不 同 的．图 ２ 给 出 了 ５ 种 典 型 工况条件下翅片表面霜层生长过 程．从 图２ａ～ 图２ｃ 可 以 看 到 ，在 这 ３ 种 工 况 下 ，翅 片 表 面 均 首 先 形 成 薄 冰层，然后逐渐出现粒状、柱状冰晶．对于 Ｈｒ＝６５％ 工况，０～１２０ ｍｉｎ 为 结 霜 的 第 １、第 ２ 阶 段，在 此 阶 段 霜 晶 比 较 细 密 ，向 上 生 长 的 速 度 很 慢 ，霜 层 表 面 的 粗糙度较小，霜 层 的 密 度 较 大；从 第 １２０ ｍｉｎ 开 始， 霜 层 快 速 生 长 ，霜 晶 为 比 较 粗 大 的 柱 状 冰 ，但 并 未 பைடு நூலகம் 成 尖 细 的 针 状 冰 晶，因 此 加 速 生 长 期 较 长．对 于 Ｈｒ＝７５％，８５％工况，霜层表 面 比 较 粗 糙，霜 层 加 速 生长段的霜晶为针状，而且 Ｈｒ 越 大，针 状 冰 晶 的 直 径越小；对 于 Ｈｒ＝８５％ 工 况，霜 层 第 ２ 阶 段 的 生 长 期 很 短 ，并 在 加 速 生 长 段 后 期 霜 晶 演 变 为 绒 状 ，这 是 造成空气流动阻力较大的原因．
第 ４５ 卷 第 ３ 期 ２０１１ 年 ３ 月
西 安 交 通 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩ′ＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１１
环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究
郭 宪 民１，２ ， 王 善 云１ ， 汪 伟 华１ ， 陈 纯 正２
为９０．室外换热器壁面温度 采用 敷 设 在 其 管 端 弯 头 上 经 标 定 的 热 电 偶 来 测 量 ，温 度 巡 检 仪 自 动 检 测 、记 录 热 电 偶 信 号 ，计 算 机 内 部 时 钟 记 录 结 霜 时 间τ．
本文在不同的ｔａ、Ｈｒ 下对热泵蒸发器 表 面 霜 层 生长特性进行了实 验，以 对 比 分 析 环 境 参 数 对 霜 晶 形态及霜层密度ρ的影响．实验 中，室 外 的ｔａ＝ －１５ ～５ ℃，Ｈｒ＝６５％ ～８５％．室 内 侧 环 境 参 数 保 持 在 温度为２０ ℃、相对湿度为５０％工况下，无霜的热泵 样 机 室 外 换 热 器 平 均 迎 面 风 速 为 １．６ ｍ／ｓ．