速凍冷風機超聲波除霜技術理論與實驗研究

(1 大連冷凍機股份有限公司 大連 116630； 2 西安交通大學 現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室 西安 710049； 3 大連市冷熱技術創新中心 大連 116630； 4 西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室 西安 710049)

在制冷過程中，濕空氣流經結霜工況下的蒸發器時，蒸發器表面會出現結霜現象，速凍冷風機采用強制對流換熱，加大了傳熱溫差。銅的導熱系數為401 W/(m·K)，鋁的導熱系數為237 W/(m·K)，而霜的導熱系數僅為0.045 W/(m·K)[1]。研究發現，蒸發器少量的結霜會增強傳熱效果[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。如不進行處理，空氣流道將逐漸變窄，增大空氣的流動阻力，使制冷裝置的換熱效率嚴重下降。因此應對換熱器進行除霜，以恢復制冷設備的冷熱交換能力，提高制冷效果。否則，將會導致系統的制冷能力下降甚至設備損壞。傳統的除霜方式為水沖霜、熱工質反向融霜和電熱融霜，這幾種除霜方法均導致庫溫回升，儲藏物品質下降，同時化霜完畢還需壓縮機多做功，將庫溫重新拉至低溫狀態，增加了制冷機的負荷，反復的升溫、降溫又為加速結霜提供了條件。

與傳統淋水融霜、電熱融霜、熱工質融霜等融霜方式相比，超聲波除霜是一種物理作用的主動除霜技術，不直接引入熱量融霜，減少了溫度的波動。同時，超聲波除霜具有低能耗、蒸發器連續運行周期長的優點。

近年來許多學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制，其能耗是傳統逆向除霜技術能耗的1/88～1/22；閻勤勞等[5]提出超聲波縱橫聯合波的除霜效果優于單一波；錢晨露等[6]提出疏水表面特性有助于超聲波對冷表面凍結液滴的脫除；李棟等[7]提出自然對流條件下，超聲波能夠顯著抑制平板表面霜層的生長。然而對于高濕、低溫、大風壓、大風量條件下的速凍冷風機超聲波除霜的研究依然較少。

1 超聲波除霜機理

超聲波以波動的形式作用于物質時，會產生同波有關的折射、反射等現象。蒸發器的翅片一般為鋁，鋁的密度高于冰。霜附著在翅片表面時，由于霜層密度低于翅片層，超聲波會在霜和翅片表面的界面上產生反射現象，翅片對聲波的吸收很少，聲波的能量將主要被反射回霜層中。選擇合適的振動頻率，使其同霜層的振動頻率相吻合，產生共振。聲波振動頻率高于20 kHz，每秒將造成冰雪層發生上萬次的反復膨脹、收縮運動，雖然霜層內產生的內應力達不到使冰雪層破壞的臨界值，但短時間內可以積累足夠的次數，使霜層疲勞而破壞。

同時，超聲波的機械效應引發的機械振動傳遞到翅片上，會引起翅片上質點進行高頻率、低振幅、高加速度的交替振動。研究發現，振幅超過1 mm后，對結構易造成損害[8]，除霜應用中，超聲波振幅在3 μm左右，對換熱管和蒸發器的結構沒有影響。

2 超聲波除霜的簡易理論建模

2.1 物理模型

根據實驗中采用的蒸發器建立簡易三維實體模型，在三維軟件SolidWorks中建立蒸發器的實體模型，用有限元軟件COMSOL打開并進行離散處理。

2.2 數學模型

計算中，蒸發器的單元類型選擇為殼單元，網格采用自適應網格進行離散。整個系統的振動有限元方程與壓電有限元方程為[9-10]：

振動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 數值計算

計算中，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，相對介電常數為：

壓電材料彈性矩陣(單位：1010N/m2)：

壓電材料耦合矩陣(單位：C/m2)：

壓電材料的相對介電常數：

當不考慮壓電片的機械損耗時，最大導納頻率(最小阻抗頻率)等于串聯諧振頻率和諧振頻率，最小導納頻率(最大阻抗頻率)等于并聯諧振頻率和反諧振頻率。因此，認為最大導納頻率為壓電片振動的諧振頻率，在此頻率處壓電片可輸出最大能量。

在COMSOL中分別對壓電片和壓電結構模型進行阻抗分析，分析過程中銅板和冰層的材料參數如表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導納-頻率曲線，如圖1所示。

由圖1可知，獨立壓電片和壓電片在銅板上安裝獲得的系統在低頻范圍內的最大導納頻率約為28 kHz，最大導納為0.054 S。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

圖1 20～80 kHz的導納-頻率曲線Fig.1 Admittance frequency curve at 20～80 kHz

在進行數值模擬時，壓電換能器為圓片狀，并按照最大導納頻率加載交變電壓發生諧振，產生縱波。壓電片、金屬板和冰層構成的組合體結構邊界設置為自由模式。在劃分網格時，由于3種材料的物體尺寸相差較大，分別對金屬板、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格。

為保證計算速度，網格劃分不能過于密集，實際中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上，通過對壓電片輸入連續交變的高頻電U=50sin(56 000πt)，求解壓電振動在基板與覆冰界面處激發的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平面剪切應力并呈現正負交替分布，并且剪切力大于部分覆冰的最大黏附力0.4 MPa[12]，具備除霜的力學可行性。剪切力的正負交替出現，有利于霜層的破碎與剝離。在剪切應力小于覆冰黏附力的區域，易形成除霜死區現象。因此，超聲高頻振動對霜的作用機理是高頻振動激發的加速度在霜與基板界面處產生剪切應力，使結霜折斷或剝離，難以黏附在翅片上。

為了研究蒸發器在換能器激勵下發生的高頻強迫振動特性，判斷超聲振動對蒸發器結構的影響，本文對翅-管式蒸發器模型的特征頻率及對應的模態振型進行了求解，結果如表2和圖4所示。

由表2和圖4可知，在超聲高頻振動激勵下，蒸發器做高頻強迫振動，呈現出振動波的振動模式，伴隨頻率的增加，兩個周期內振幅的強弱交替距離變短，符合波動特性。振幅的強弱交替是波傳播到蒸發器邊界處經過發射回來與發射波疊加產生的。

表2 蒸發器高階模態下的特征頻率Tab.2 The characteristic frequency of the high-mode evaporator

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

通過有限元分析發現，蒸發器出現波紋狀位移分布。由于超聲波在傳播過程中受蒸發器結構的影響，在結構邊界處發生反射，相當于在邊界處有多個發射波源，同頻率的兩個波在蒸發器的某些部位發生疊加。表現為某些區域振動加強的特性，因此，超聲高頻振動在蒸發器的某些部位由于波的相互疊加出現除霜死區，某些部位除霜效果增強。

理論上冰的最大黏附應力為0.4 MPa，不考慮超聲耗散的情況下，超聲波在鋁板與結霜界面處所激發剪切應力遠大于霜的黏附應力。因此，基于超聲高頻振動除霜技術在理論上是可行的。

3 超聲波除霜實驗

3.1 實驗目的

實驗在焓差室內高濕、低溫環境下進行，研究了超聲波對速凍冷風機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)對超聲波實際除霜的影響。實驗用速凍冷風機及探頭連接形式見圖5，參數見表3，其中制冷劑為R717(氨)，換熱管材質為銅，翅片材質為鋁，采用泵供液。

3.2 實驗方法

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

圖5 實驗用速凍冷風機及探頭連接形式Fig.5 The form of experimental quick-freezing cooling fan and probe connection

參數數值換熱管間距/mm60翅片間距/mm12～30傳熱面積/m2199風量/(m3/h)16 000風壓/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行測量。根據各超聲換能器的平均阻抗和各傳振板超聲振動系統的最小阻抗，確定超聲電源的系統輸出頻率，以此對超聲電源進行調節，并通過調節串聯在回路中的電感抵消系統的電抗，使其成為純阻系統，實現整個系統的調諧。

4)降溫、加濕開始實驗。在實驗過程中，通過繼電器控制電路的通斷，調節換能器的工作和間歇時間長短，從而實現換能器的間歇工作。

4 實驗結果與討論

4.1 直板型、L型、T型傳振板對超聲波除霜效果的影響

設定制冷系統蒸發溫度為-30 ℃，環境溫度為-20 ℃，實驗室通入熱濕蒸汽，保持相對濕度在95%以上，功率超聲波頻率38.76 kHz，加載機制為間隔50 s振動10 s。實驗過程中，環境溫度測量精度為0.1 ℃，相對濕度測量精度為0.1%，通過設置環境干濕球溫度控制實驗過程中溫濕度，并打開電加熱器以維持實驗環境工況的穩定運行，并在實驗工況穩定后進行實驗。實驗共分3次，每次實驗單獨激勵直板型、T型、L型傳振板的換能器組連續運行4 h，比較3種傳振結構的抑、除霜效果。為了控制實驗變量，得到準確的實驗結果，每次實驗前停機待霜層全部融化，保證冷風機翅片、換熱管表面干燥，實驗室內溫、濕度與外界環境相同。實驗結果如下：

1)3次實驗無論在霜層的厚度還是在積霜量方面，施加超聲側換熱室翅片上的結霜量明顯少于不加超聲側的結霜量。說明超聲波對速凍冷風機翅片表面結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)對比3種傳振板周圍翅片上的結霜量，直板型霜層最薄，T型次之，L型稍厚。

3)對比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 長時間連續工作時超聲波除霜效果

選取超聲波除霜效果最好的直板型傳振板上的換能器組，在相同的環境條件下連續實驗，進一步觀察在高濕、低溫環境下超聲波對速凍冷風機翅片表面的抑、除霜效果。受冷風機結構限制，顯微圖像測量系統無法布置于蒸發器前，因此無法通過圖像處理技術得到霜層厚度隨運行時間的定量關系曲線。僅在相同工況下，對翅表結霜過程進行定性分析，得到超聲波對翅表結霜過程的影響。實驗8 h后，冷風機換熱室結霜情況如圖7所示。

圖7 連續實驗8 h超聲波除霜效果Fig.7 Continuous experiment 8 hours ultrasonic defrosting effect

由圖7可知，與施加超聲波側換熱室翅片上結霜量相比，未加超聲波側翅片上的霜層多且厚，幾乎將整個換熱室表面全部覆蓋，嚴重影響其通風和換熱特性。

5 結論

本文針對速凍冷風機在高濕低溫環境下結霜速度快，運行效率低的問題，建立了超聲波除霜系統，搭建實驗平臺，并對超聲除霜速凍冷風機進行測試，得出以下結論：

1)從理論建模、激光測振和超聲高頻振動除霜實驗效果的對比來看，結果完全一致。因此，基于超聲高頻振動的除霜技術在理論和實際上是可行的。

2)超聲高頻振動在結霜與基板界面處激發的剪切應力遠大于結霜的黏附應力，具備除霜的力學可行性；剪切應力的強弱交替，有利于結霜的破碎和剝離。

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

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

針對超聲波除霜技術的實際工程應用，今后會在超聲波傳振結構、連接形式、超聲波頻率及加載機制等方面深入研究，并融合新型翅片工藝，提升超聲波除霜的效果。