疏水性翅片管换热器表面融霜特性与系统耦合机制中文摘要

空气源热泵冬季运行存在结霜问题，严重影响性能，掌握翅片管换热器表面的融霜特性与系统耦合机制是空气源热泵融霜过程优化的基础。本项目提出一种可实现融霜过程系统参数调节的新型除霜方式- - 显热除霜，采用理论、实验和模拟相结合的方法，探析基于显热除霜的疏水性翅片管换热器表面的融霜特性。理论分析与可视化实验揭示除霜过程中翅片表面霜层融化、水膜运动的细微观物理特征，探索翅片表面的疏水特性对水膜流动强化的作用机制，阐明由其引起的各融霜流路换热非均匀性的机理，揭示制冷剂、翅片、霜层、水膜和空气的热质传递规律，建立非平衡过程的翅片管换热器融霜数理模型，进而构建出空气源热泵除霜循环模型，揭示融霜时系统宏观参数与系统融霜特性的耦合机制，提出空气源热泵融霜过程优化控制策略，采用非平衡热力学，优化除霜循环热力学特性，构建空气源热泵除霜循环优化与评价方法。本研究将为融霜过程优化与探索新型空气源热泵除霜方法提供理论基础。

空气源热泵冬季制热运行存在结霜问题，严重影响性能，掌握翅片管换热器表面的融霜特性与系统耦合机制是空气源热泵融霜过程优化的基础。本项目采取理论分析、建模仿真和试验研究相结合的方法，系统地揭示了翅片管换热器表面的融霜特性，为融霜过程优化与探索新型除霜方法提供了理论基础。以单个翅片为研究对象，通过实验手段实现了结霜/融霜过程细微观物理特征的可视化观测和霜层热工特性参数的测量，探究了具有不同接触角的翅片表面对结霜/融霜过程的影响，揭示了疏水性翅片的抑霜和融霜机理。结果表明，接触角越大的表面其抗凝露和抑霜效果越好。融霜时，超疏水表面的霜层能够整体从表面快速脱离，有利于缩短融霜时间和减少耗热量。重点研究了翅片表面融霜水的滞留机理及影响因素，指出接触角滞后△θ是造成融霜水滞留的原因，接触角θ则决定了滞留液滴的形态，并且翅片表面存在最大滞留液滴，其半径由θ和△θ共同决定。融霜水在亲水表面铺展形成薄薄的水膜，而在超疏水表面凝聚成微小的球形水珠，且分布稀疏，超疏水表面的滞留水量比亲水表面减少了79.8%。普通表面的滞留水量及分布受结霜程度影响，而超疏水表面则不受影响，改变融霜温度对融霜水滞留几乎没有影响。建立了滞留融霜水的预测模型，研究了θ和△θ对最大滞留液滴半径、分布密度及滞留水量的影响，当接触角在110°～150°范围内，该模型精确度较高。以翅片管换热器为研究对象，基于显热除霜方式，模拟研究了除霜过程中制冷剂温度、流量对除霜效率和时间的影响。同时，通过构建翅片管换热器结霜/融霜实验系统，研究了亲水型、普通型和超疏水型翅片管换热器的结霜/除霜特性。结果表明，超疏水型换热器的抑霜效果最佳。亲水型、普通型和超疏水型翅片管换热器表面的滞留水量占结霜量的比例依次为27.5%、25.2%和18.1%，超疏水型翅片管换热器除霜耗时短，消耗能量少，选用这类翅片管换热器更有利于空气源热泵的高效运行。以空气源热泵系统为研究对象，建立了空气源热泵除霜循环的系统模型，该模型能够有效预测空气源热泵结霜/除霜过程中系统性能的变化规律与传热传质现象。通过构建空气源热泵除霜实验系统，对显热除霜和逆向除霜方式进行了对比分析，比较了除霜过程中压缩机吸排气压力、压缩机功率、供水温度、能耗等参数，总结了两种除霜方式的优缺点，为进一步研究空气源热泵除霜控制策略提供了基础。 2100433B

热氨融霜就是将压缩机排出的热氨气引进蒸发器，利用过热蒸气冷凝时所放出的热量，将蒸发器表面的霜层融化。蒸发器内原来积存的氨液和润滑油，则在压差的作用下，排入融霜排液桶或低压循环贮液器。

融霜所用的热氨气，必须保证有足够的量及适当的压力和温度。一般用于融霜的热氨量，不能大于压缩机排气量的三分之一。融霜热氨压力约为600-900kPa。

融霜用热氨气应从油分离器的排气管上接出。在较大的制冷系统中，宜设置专用的油分离器(非洗涤式的)。融霜热氨管不宜穿过低温地段，而应设置在常温穿堂内，并应敷设隔热层。隔热材料应采用石棉、玻璃纤维、矿棉毡或水玻璃膨胀珍珠岩制块等材料，而不能采用软木或泡沫塑料之类不能耐高温的材料。

热氨融霜一般仅用于冷库冷藏间的光滑排管中。融化下来的霜和水必须立即清扫，否则将重新冻结成冰。一般当冷藏间的顶排管或墙排管融霜时，在货物或地板上铺设油布之类的覆盖物，避免融霜水冻结在货物或地板上。冷风机已不单独采用热氨融霜，因为不仅效率低，而且霜层融化而成的水的排放也有许多麻烦，一般冷风机多采用水融霜或者热气一水融霜。

热气融霜系统热氨融霜系统工作原理

热氨融霜系统一般都和制冷系统的供液和回气调节站结合起来布置，因此其布置方法与制冷系统的型式密切相关。图1(1-气液分离器；2-液体分调节站；3-排液分调节站；4-冷却设备；5-热气分调节站；6-气体分诃节站)示出的重力供液系统和氨泵供液系统采用了热氨融霜系统。以图1为例说明融霜系统的工作原理：冷却设备(蒸发器)4正常工作时，只有液体分调节站2和气体分调节站6分别与冷却设备有关的阀门是打开的。当需要融霜时，首先关闭洪液阀和回气阀，使冷却设备4与气液分离器1切断。然后开启排液和热气分调节站的有关阀门，使热氨气由上部进入冷却设备4，在热氨气的压力作用下，使冷却设备内的氨液排入融霜排液桶，借热氨蒸气所带来的热量，使冷却设备4外表面的霜层融化。然后按相反的程序关闭和开启有关阀门，便融过霜的冷却设备4重新投入正常工作。融霜时应分冷间依次进行。其它热氨融霜系统的工作原理基本相同。

当制冷系统的蒸发温度低于0℃时，蒸发器表面必将出现霜层。霜层不仅使传热热阻增大，而且对于强制循环的蒸发器(如冷风机)，还会使空气流动阻力增加，这些都会影响热交换效率。所以，无论冷库采用何种冷却方式，都应该经常采取措施清除霜层。除霜的方法可以是人工扫霜，热气融霜，水融霜，以及热气-水融霜等。人工扫霜虽然操作简单，不影响库温，但劳动强度大，而且扫霜不彻底。热气融霜系统包括热氨融霜系统和氟利昂热气融霜系统。

氟利昂热气融霜系统原则上和热氨融霜系统类似，但一般不设融霜排液桶。其排液方法有以下几种：

(1)排气自回气端进入蒸发器(冷却设备)，被霜层冷却而凝结成液体后，从供液管排出，通至另一组正在工作的蒸发器中去蒸发。这种排液方法适用于小型制冷系统，如单机多库的食堂冷库等。

(2)排气自回气端进入蒸发器，被霜层冷却而凝结成液体后，从供液管排出，直接排至贮液器。然后经恒压阀节流降压后进入冷凝器，吸收外界热量蒸发成蒸气后被压缩机吸入。这种排液方法适用于大型或单机单库的制冷系统。

(3)排气从液管进入蒸发器，被霜层冷却而凝结成液体后，由回气管排出，经恒压阀节流后，或者经蓄热槽的蒸发盘管和液体汽化器后，再由压缩机吸入，或者直接被压缩机渐渐吸入。这种排液方法一般只适用于冰箱或单间小冷库的制冷系统。 2100433B