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高压电场对蒸发器表面结霜影响的研究点击：1692 日期：[ 2014-04-26 22:32:25 ] |
| [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了微细观可视化研究。实验中，在冷表面 =一14℃，湿空气温度为l5℃至2o℃，相对湿度为20％至90％，静电场电压0kV至40kv范围内，发现，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。 有关结霜的研究始于2o世纪6o年代，但以往有关结霜的研究主要侧重于霜层本身，如霜层的密度、成长速度、导热系数、霜层模型以及结霜对不同类型换热片蒸发器换热性能的影响等。尽管目前已经发现了电场对霜形成的影响，但电场对换热器减霜、除霜的实际应用，其研究工作仍很缺乏。 Schaefer(1953)首先观察到电场条件下，对冰晶生长的影响。Marshall and Gunn(1957)观察到，在微弱的电场下，不规则冰晶的形成，生长。Bartlett eta1．(1963)观察到，当电场超过500V／cm时，针状冰晶迅速增长。Maybank and Ba akllII ](1967)观察到，当电场强度超过200V／cm时，冰晶的生长随着电场强度的增长迅速增加，此时的冰晶数量多，细，且易折断Chuang and vel(1971)报道L2J，随着电场电流的减小，霜沉积的速度减少。Mtmakatat eta1．(1993)完成了用电场控制霜的形成L3J。他们发现，电场在一定的电压下，形成的霜量减小，超过这个电压，霜量又增加。Blanford eta1．(1995)研究了强迫对流条件下，电场对霜形成的影响L4J。据报导，在20mA电流情况下，可降低20％霜的形成。而电流上升到120mA，则形成的霜增加。Bloshteyneta1．(1999)发现【 。J，如果仅使用一个电极，当所加电压去掉后，许多霜凝结到电极表面，一个间断的电场对减少霜的形成有很大的作用。但是，从以上文章中也可以发现，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。 作者的前期研究发现，不均匀高压电场能影响换热器铜管上霜的生长。本文通过高压电场下，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及电压等参数对该结霜过程的影响的研究，进一步探讨电场条件下，湿空气在冷表面上的机理，为探讨有效抑制结霜对策打下基础。 1 实验装置及实验方法 实验装置示意图见图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。该实验段为制冷与空调系统中常用的肋片式蒸发器。为了保证实验的准确性，在实验段中铜管两端的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±0．2cI=，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，本实验的放大倍数为40—90倍。利用所拍摄的像片可以很清楚地观测到霜的生长过程。 实验时首先调整好静电压，例如：5、10、20至90 kV，然后，测试好初始时候肋片、铜管的温度，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一14cI=，然后基本稳定。电极导线为直径0．5n31n的铜丝，外面包有一层绝缘层，距离铜管的外径的最近距离为2 mill。 利用以上实验装置，在冷表面 =一14cI=，湿空气温度为15cI=至20cI=，相对湿度为20％至90％，静电场电压0kV至40kV范围内，对肋片式蒸发器冷壁面结霜过程进行实验研究。 2 实验现象及理论分析 如图2所示，当电压为10kV，蒸发器接地，冷表面 ，=一12cI=，湿空气温度为21．4cI=，相对湿度为18．6％，在工作140分钟后，肋片式蒸发器冷壁面结霜的情况，可以发现，在结霜过程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。为什么会产生此种现象呢? 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，冷面附近水蒸汽为过饱和蒸汽，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汽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。 、 相变动力学定义的相变驱动力为：／Xg=尺rs In l J 式中： ／Xg一相变驱动力，J／kg； P一远离相变分界面处的蒸汽压，bar； 一霜表面(相变分界面)的温度，K； 一对应于温度 下的饱和蒸汽压，bar； 一水蒸汽气体常数，J／J(g K 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P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 在结霜过程由于不均匀高压静电场的存在，对霜生长有抑制作用。但由于本次实验仅仅是对高压静电场所产生的电晕风对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的了解，使电场抑制结霜的问题有待进一步研究。 |
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