高压电场下自然对流蒸发器结霜的试验研究

点击：1733 日期：[ 2014-04-26 22:14:23 ]

高压电场下自然对流蒸发器结霜的试验研究刘清江　申江　邹同华　秦艳　尹航　刘佳维　张智媛　裴宇利 (天津商学院) 摘要:为研究高压电场下自然对流蒸发器表面结霜的过程及电压等参数对该结霜过程的影响,对其在肋片式换热器的结霜过程进行微细观可视化研究。试验中,在冷表面Ｔｗ=-14℃,湿空气温度为15℃至20℃,相对湿度为20%～90%,静电场电压为0～40ｋＶ范围内,受高压不均匀电场的作用,换热器铜管表面的结霜分布不均匀,高压电场有明显抑制结霜的作用。关键词:结霜　高压电场　换热器蒸发器表面结霜一直是热泵供暖、制冷、食品保鲜及空调领域所面临的最棘手的问题之一。另外,航空航天领域也存在因航空及航天器表面结霜而影响其操纵性和安全性的问题。因此,如果能抑制或减少结霜无疑具有重大的实际意义。Ｍａｙｂａｎｋ和Ｂａｒｔｈａｋｕｒ[1],Ｃｈｕａｎｇ和Ｖｅｌｏｆｆ[2],Ｍｕｎａｋａｔａｔ[3]等,Ｂｌａｎｆｏｒｄ[4]等,Ｂｌｏｓｈｔｅｙｎ[5 6]等,观察到电场强度、电压、电流对霜形成的影响。但是,以上文献中,直接将电场应用于工程中常见的肋片式换热器的研究极其缺乏。笔者对高压电场下自然对流肋片式换热器冷表面结霜的过程进行了微细观可视化研究,并分析电压等参数对该结霜过程的影响,为探讨有效抑制结霜对策打下基础。 1　试验装置及试验方法试验装置示意图见图1。该系统由氟利昂制冷系统、高压静电场生成系统、ＣＣＤ摄像系统和数据采集系统组成。试验段为制冷与空调系统中常用的肋片式蒸发器。为了保证试验的准确性,在试验段中铜管两端肋片上安装了温度测量单元,以监测冷壁面温度变化情况。空气的温度与湿度由温湿度测量仪分时段测量,温度精度为±0.2℃,测湿精度为±2%,其数值可直接显示在仪表上进行实时观察。冷面结霜的过程可由ＣＣＤ摄像系统实时纪录。摄像系统的镜头为显微镜头,本试验的放大倍数为40～90倍。利用所拍摄的相片可以很清楚地观测到霜的生长过程。　试验时首先调整好静电压,例如:5ｋＶ,10ｋＶ,20ｋＶ至90ｋＶ。然后,测试肋片、铜管的初始温度,环境的温度、湿度。调整好ＣＣＤ系统后,启动制冷系统,几分钟后,肋片、铜管的温度迅速下降至-14℃,随后基本稳定。电极导线为直径0.5ｍｍ的铜丝,外面包有一层绝缘层,距离铜管外径的最近距离为2ｍｍ。利用以上试验装置,在冷表面Ｔｗ=-14℃,湿空气温度为15～20℃,相对湿度为20%～90%,静电场电压为0～40ｋＶ时,对肋片式蒸发器冷壁面凝华结霜过程进行试验研究。 2　试验现象及理论分析如图2所示,当电压为10ｋＶ,蒸发器接地,冷表面Ｔｗ=-12℃,湿空气温度为21.4℃,相对湿度为18.6%,在工作140分钟后,肋片式蒸发器冷壁面凝华结霜的情况。可以发现,在凝华结霜过程中,由于不均匀高压静电场的存在,在离电极最近的铜管外表面几乎没有结霜,而距离稍远处则逐渐加厚,为什么会出现这种现象呢? 根据相变动力学,物质之所以会发生相变,其根本原因在于亚稳相与稳定相之间存在着一种促使物质从亚稳相转变为稳定相的驱动力,并称之为相变驱动力。相变动力学认为,亚稳相的吉布斯自由能较稳定相的高,是亚稳相能够转变成稳定相的原因,也就是促使这种转变的相变驱动力存在的原因。在结霜的过程中,冷面附近水蒸气为过饱和蒸汽是亚稳相,而霜晶呈稳定相。由于两相之间存在相变驱动力,从而使处于亚稳相的水蒸气不断地转变为稳定的霜晶。相变驱动力越大,结霜越快越容易。由于高压静电场产生的电晕风现象,如图3所示,在库伦力的作用下,水蒸气分子冲向冷壁面,而在铜管附近必然形成小涡旋,而小涡旋附近的区域水蒸气分压下降,从而使得此处的相变驱动力下降,结果造成此处的霜生长缓慢。 3　结论在凝华结霜过程中由于不均匀高压静电场的存在,对霜生长有抑制作用。但由于本次试验仅仅是对高压静电场所产生的电晕风对凝华结霜这一复杂问题的初步探讨,由于对某些原理和传热传质规律尚不能准确地了解,因此关于电场抑制结霜的问题还有待进一步研究。

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