-60 ℃水平圓管表面結霜特性的實驗研究

任政,張興群,張蓓樂,薛絨,陳小磚,賴天偉,侯予

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.河南理工大學機械與動力工程學院,454000,河南焦作)

結霜是濕空氣中的水蒸氣先凝結后凍結或者直接凝華的相變過程,往往發生在暴露于高濕環境的換熱器冷表面上。換熱器的換熱效果隨著霜層的生長逐漸變差,間接影響了系統換熱性能[1],因此掌握不同換熱器表面結霜過程的規律,對于提高系統換熱性能和防止通道堵塞極為重要。

圖1 實驗臺結構簡圖

較早時期就有學者對普冷溫區冷壁面上的霜層生長做了實驗研究,郝英立和謝福壽等研究了自然對流空間下平板上霜層生長情況[2-3],O’ Neal和吳曉敏等研究了平行板上方空氣強制對流時的板面結霜情況[4-5],還有些學者研究了其他形狀如環狀管表面[6]以及微通道[7]的結霜特性。隨著技術的進步,結霜實驗發展到了微觀,Hayashi等發現了霜層從初始霜晶形成到霜層充分發展的具體過程[8-9]。李棟等對霜晶演化特征進行了觀測,同時從相變動力學的角度對冷表面霜層初始液滴成核過程進行了理論分析[10]。侯普秀等研究了霜層生長的影響因素(空氣相對濕度、流速、壁面溫度等)及其影響程度[11]。目前的研究集中于通過數值模擬預測霜層參數如厚度、密度、導熱系數等,并不斷擴充其適用范圍[12-14]。

近年來,結霜的研究領域得到了進一步拓展[15],如在航天領域火箭發射過程中,低溫氧化劑罐表面也會出現結霜現象,影響衛星的正常入軌[16]。Zendehboudi等搜集了711個低溫表面下霜層生長的數據點,并利用人工智能技術建立了4種模型,其中自適應神經模糊推理系統(ANFIS)可以較準確地預測實際結果[17]。Liu等研究了自然對流條件下-165 ℃水平和垂直放置的平板表面的結霜特性,總結了壁面溫度、空氣溫度以及相對濕度對低溫表面結霜的影響[18]。較低溫區冷表面的結霜特性研究尚不完善:其一,目前研究的結霜壁面多為平板結構;其二,狹窄通道內霜層對通道的堵塞影響還缺乏研究。因此,本文設計并搭建了受限通道內水平圓管表面結霜特性可視化實驗臺,其結霜壁面為套管形式換熱器通道內圓管表面,壁面溫度可達-60 ℃以下,而且結霜過程發生在套管夾層的受限空間內。

1 實驗臺簡介

水平圓管表面結霜特性可視化實驗臺主要由兩個系統組成:復疊制冷系統和套管形式換熱器結霜可視化通道。大多數學者進行的小平板表面上的結霜研究采取半導體制冷方法,該方法結構簡單且制冷速度快,但是不適合在大面積表面上使用,也很難達到較低的壁面溫度。因此,本文設計了兩級復疊制冷系統,利用低溫級蒸發器中制冷劑在兩相區恒溫恒壓的特性為銅管提供相對較低且恒定的管壁溫度,其制冷溫度范圍為-50～-85 ℃。選用套管形式換熱器主要考慮以下幾個方面:其一是可以研究換熱器通道內部受限空間下的結霜情況;其二,水平圓管表面的結霜特性還有待研究;其三是方便可視化研究且排除了觀測角度的影響。

圖1為實驗臺結構簡圖,圖2為兩級復疊制冷系統裝置流程圖。該系統分為高低壓兩個子系統,兩個子系統各自構成一套制冷系統,通過板式蒸發冷凝器耦合起來,并可通過高低壓電子膨脹閥調節改變系統工況。高溫級制冷劑選用R507,標準沸點為-46.7 ℃;低溫級選用R23,標準沸點為-82.1 ℃。為了保證整個結霜管道上的恒定溫度,在通道進出口管壁上各布置了8個熱電偶,實時監測管壁溫度,并設置了視液鏡,以觀察蒸發器出口制冷劑兩相狀態。為防止兩相制冷劑被直接吸入壓縮機造成液擊,還設置了回熱器,一方面可以將兩相制冷劑全部氣化,另一方面冷卻了壓縮機排氣,提升了系統性能。

G1:蒸發冷凝器;G2:套管形式結霜通道;G3:板式回熱器;C1:高溫級壓縮機;C2:低溫級壓縮機;E1:高溫級冷凝器;J1:高溫級節流器;J2低溫級節流器;R1:高壓儲液罐;S1:視液鏡圖2 兩級復疊制冷系統裝置流程圖

結霜可視化通道系統如圖3所示,主要由濕空氣處理段、圓管結霜可視段、風機段和其他圖像及數據采集設備組成。

(1)濕空氣處理段選用超聲波加濕器控制入口空氣相對濕度,選用翅片式換熱器通過循環水泵與恒溫槽相連來控制入口空氣溫度。

(2)圓管結霜可視段共有3層管:內層為銅管,外徑為40 mm,其內流通復疊制冷系統中低溫級制冷劑R23,利用制冷劑在蒸發過程中兩相區的恒溫恒壓特性為銅管提供恒定的壁溫;中層為透明有機玻璃管,內徑為60 mm,與內部銅管構成套管形式換熱器,其管內通濕空氣,濕空氣順著管長方向流動,并在銅管外壁上結霜;外層同樣為透明有機玻璃管,內部抽為真空,以隔絕外界環境的漏熱影響,也可以防止環境中的濕空氣在中層管外壁上凝露,影響顯微鏡拍攝效果。

(3)風機段選用變頻風機通過調整電機轉速來控制空氣流速,調節范圍為0～20 m/s。

圖3 套管形式換熱器結霜可視化通道

除此之外,還選用顯微鏡和CCD相機連接至PC端,以實時監測銅管表面的結霜情況,并拍照記錄,同時配置了水平導軌,可水平移動顯微鏡拍攝結霜可視段任意位置的圖像。其他參數如通道進出口的溫濕度、流速和銅管壁溫則采用溫濕度傳感器、速度傳感器和熱電偶實時采集并保存在數據記錄儀中,相關儀器的采集精度如表1所示。

表1 儀器精度

2 數據處理

先按照順序給所有拍攝圖像依次編碼,未結霜的銅管表面為第一張圖像。圖4a為未結霜銅管表面圖像處理過程,從左至右依次為直接拍攝的彩色圖像,然后利用MATLAB讀取并轉化成為的灰度圖像,以及設定灰度分界值后經過判定并重置的二值圖像。從二值圖中可以看出,銅管區域全部被置為“1”,其他區域則被置為“0”,將圖像中每個像素點上的賦值相加則可代表銅管表面所占據的面積。

圖4b為拍攝的結霜表面圖像,按照上述方法將其處理為灰度圖像和二值圖像,然后將圖像中每個像素點上的賦值相加,則可代表結霜區域所占據的面積。該面積包括了銅管表面占據的空間,因此霜層區域所占據的真實面積應減去銅管面積。

(a)未結霜銅管圖像

(b)結霜表面圖像圖4 圖像處理過程

經過測量,顯微鏡的視野范圍已知,圖像分辨率為1 080×1 920像素,因此視野范圍內的霜層平均厚度可通過下式計算

(1)

式中:A1為霜層占據像素點個數;A0為銅管占據像素點個數;d為相機視野實際寬度。

為說明霜層厚度測量的準確性,計算了霜層厚度的不確定度。顯微鏡采集圖像中一個像素代表的實際大小,即顯微鏡誤差計算如下

(2)

對同一位置霜層圖像拍攝3次,并在處理過程中設置不同的灰度分界值,所得的霜層厚度見表2,則多次測量的標準差計算如下

(3)

霜層厚度不確定度為

(4)

3 結果分析

本實驗可控參數有管壁溫度Tw、空氣溫度Ta、空氣流速v和空氣相對濕度φ。圖5a是在Tw=-61.77 ℃、Ta=25.25 ℃、v=1.38 m/s、φ=74.79%(實驗工況1)下霜層厚度的增長曲線;圖5b給出了曲線中8個特征時刻點的結霜圖像,從圖像中霜層高度也可以看出霜層厚度增長情況。

(b)顯微鏡采集的不同時刻圖像圖5 實驗工況1下通道入口處的結霜特性

(a)厚度增長對比

(b)厚度增長速率圖6 不同壁溫工況下通道入口處的結霜特性

圖6a是本文實驗與Leoni等[19]和Lee等[20]所做的結霜實驗的霜層增長厚度對比圖,可見-60 ℃壁面上的結霜過程與-15 ℃以上的壁面存在相當大的差異。在60 min時,Tw=-15 ℃、Ta=25 ℃、v=2 m/s、φ=70%(對比工況1[19])下霜層厚度為2.8 mm,Tw=-14.8 ℃、Ta=12 ℃、v=4 m/s、φ=80%(對比工況2[20])下為2.25 mm,本文實驗工況1下為5.1 mm。本文實驗工況1除壁面溫度之外其他參數與對比參考實驗相近,而霜層厚度遠高于以上兩組實驗。這說明-60 ℃壁面上的結霜速率遠高于-15 ℃以上的壁面,并且霜層的其他特征參數如孔隙率、密度、導熱系數等也可能存在較大差異,這方面仍需更深入的研究。同時,-60 ℃壁面上的結霜過程與-15 ℃以上壁面的結霜過程具有相同的厚度增長趨勢,如圖6b所示,結霜過程前期霜層厚度增長速率比較快。這是由于濕空氣與裸露的銅管表面間存在較大的濕度差與溫度差,從質擴散理論或傳熱傳質類比理論[21],均可知此時濕空氣中水分的沉積量較大。此外,這一時期凝華而成的霜層較為疏松,即密度較小,所以受到沉積量和霜層密度兩方面的影響,表現出來的霜層厚度較大。隨著霜層的增長,霜層孔隙結構中蘊含的濕空氣也具有一定的含濕量,這一方面降低了質擴散量,另一方面霜層的熱阻導致霜層表面溫度與壁面溫度相差越來越大,反之霜層表面溫度與上方濕空氣的溫差越來越小,因此濕空氣與霜層的換熱量也降低。根據質擴散理論或傳熱傳質類比理論,水分沉積量逐漸下降,厚度增長速率逐漸下降,此時進入霜層成熟期。

在Tw=-60.12 ℃、Ta=20.24 ℃、v=6.14 m/s、φ=79.02%(實驗工況2)下通道入口處的結霜特性曲線如圖7所示,由圖可見周期出現的霜層增長、回融過程。這是因為隨著結霜進入中后期,厚度的增長導致霜層導熱性變差,霜層上方流動熱空氣傳遞給霜層表面的熱量不能及時通過霜層傳遞到冷壁面,所以霜層表面溫度不斷上升并接近三相點溫度,此時表層的霜晶就會融化成液滴(如圖8中融霜區域所示)并下滲,在整體上就表現為霜層回融,導致其厚度減小。然后,液滴在下滲過程中被重新凍結,增大了霜層的密度和導熱系數,使霜層表面溫度降至三相點溫度以下,重新開始下一個結霜周期。

(a)厚度增長曲線

(b)厚度增長速率圖7 實驗工況2下通道入口處的結霜特性曲線

圖8 霜層表面霜晶融化成液滴

在Tw=-60.55 ℃、Ta=25.05 ℃、v=6.14 m/s、φ=60.56%(實驗工況3)下通道入口處的結霜特性曲線如圖9a所示,霜層增長過程中出現了與圖7a不同的回融現象,其霜層厚度減小程度遠大于圖7a的情況。與圖7a實驗工況相比,本次實驗空氣溫度較高,而相對濕度較低?？諝庀鄬穸容^低時霜層的平均密度較小[22],另外空氣溫度較高,在此兩方面的影響下,霜層表面溫度應該更早達到三相點溫度,引起霜層的回融。觀察圖9中厚度增長曲線可知,前64 min霜層厚度單調增長,即在該過程中未出現明顯回融現象(即霜層結構的“加固”過程),因此霜層的密度始終較小,這就使得霜層結構一直處于脆弱的狀態下,同時霜層熱阻的增加導致霜層表面溫度達到三相點溫度,此時霜層表面一旦出現液滴,則液滴下滲和霜層結構不穩定引起的塌陷疊加造成了厚度的大幅減小?，F推測造成厚度大幅減小的主要原因為霜層表面霜晶融化而成的液滴直接下滲至霜層底部,而圖7所示實驗中融化液滴僅下滲較小距離即被重新凍結。圖9b是顯微鏡采集的未經處理的圖像,對應圖9a中的8個具有代表性的時刻,可以看出厚度經過一段較長時間的增長后突然大幅減小,圖像中的明亮區域就是霜晶融化成液滴后的反光,佐證了上述解釋。

(a)厚度增長曲線

(b)顯微鏡采集的不同時刻圖像圖9 實驗工況3下通道入口處的結霜特性

4 結 論

本文對套管形式換熱器通道內圓管外低溫冷表面上濕空氣順掠管的結霜特性進行了實驗研究,主要介紹了水平圓管表面結霜特性可視化實驗臺測試方法,實時監測了-60 ℃下的壁面結霜表面特性,比較了-60 ℃壁面與-15 ℃以上壁面結霜過程的霜層厚度及生長速率,并分析了兩種不同特征的融霜過程,主要結論如下。

(1)-60 ℃水平圓管表面霜層厚度生長速率約為-15 ℃以上壁面的兩倍,同時還保持了相似的厚度增長趨勢,即前期快速增長,中后期增長緩慢。

(2)在實驗工況2下,霜層厚度呈階梯式增長,呈現出明顯的結霜融霜周期;在實驗工況3下,出現了不同特征的融霜現象,即大幅突降式的霜層崩塌回融。

(3)本實驗臺滿足設計要求,濕空氣參數以及管壁溫度均可調并能穩定控制,揭示了-60 ℃水平圓管表面的結霜特性,即霜層厚度及其增長速率,可為今后更加系統完整的實驗研究奠定基礎。