1融霜模型
由于除霜过程是一个存在相变的复杂换热过程，而且发生相变的边界条件是非线性的，因此对蒸发器除霜建立数学模型的难度较大，目前采用的模型都通过数值计算向实际过程靠拢或在实验研究的基础上建立简化模型。除霜采用的是预埋于冷风机蒸发管组中的电加热器，由于翅片管融霜的复杂性，需对融霜过程作如下假设来建立融霜的数学模型。﹙1﹚蒸发管组表面的霜层均匀分布；﹙2﹚融霜过程为理想过程，即包括预热阶段、融霜阶段、蒸发阶段和干加热阶段；﹙3﹚在时间微元段内将融霜过程视为准动态过程，融霜过程中蒸发管组表面处于同一状态；﹙4﹚各个管段的融霜过程相互独立，且不受融霜水的干扰。融霜过程中消耗的热量主要分为以下几部分［89］：加热周围空气消耗的热量Qa，霜层融化消耗的热量Qf，表面水蒸发消耗的热量Qv，翅片管组储存的热量Qw以及蒸发管组内存留制冷剂消耗的热量Qr，即Qe=Qa+Qf+Qv+Qw+Qr。
﹙1﹚Qe为融霜过程需消耗的总热量，J。从除霜效果和节能的角度看，上述所耗热量除霜层融化消耗的热量Qf是必须的，其余部分能量越小越好。﹙1﹚除霜时加热周围空气消耗的热量：Qa=cama﹙ta2ta1﹚﹙2﹚由于除霜过程所需时间很短，加热管与周围空气之间的自然对流换热没有足够的时间形成稳态过程，自然对流换热系数不仅与加热管的布置位置有关，而且与蒸发盘管的形状有关，因此采用上式计算。式中，ca为空气的比热，J/﹙kg•oС﹚；ma为空气的质量，kg；ta1，ta2为融霜开始、结束时空气的温度，oС。﹙2﹚霜层融化消耗的热量：Qf=Qfs+Qf1=cfmf﹙0tf1﹚+mfrf﹙3﹚霜层融化消耗的热量包括霜层由初始温度上升到0oС吸收的热量Qfs以及霜层融化成0oС的水吸收的热量Qfl。式中，cf为霜层的比热，J/﹙kg•oС﹚；mf为表面霜层的质量，kg；tf1为融霜开始时霜层的温度，oС；rf为霜的融化潜热，J/kg。﹙3﹚表面水蒸发消耗的热量：Qv=Rv×rw﹙4﹚式中，rw为水的气化潜热，J/kg；Rv为表面水分的质量蒸发率，kg/s，其值大小与蒸发器表面湿空气的状态参数以及蒸发器盘管的有效面积有关，可用下式来求得：Rv=CsvAw﹙ρvsρva﹚﹙5﹚式中，Csv为表面水分的蒸发系数，取Csv=0.0085m/s［11］；ρvs为蒸发器表面饱和水蒸气的密度，kg/m3；ρva为表面温湿度环境下水蒸气的密度，kg/m3；Aw为定义湿工况下蒸发器的有效面积，表达式为Aw=Atmwm()mn，其中mm为蒸发器表面能容纳的最大水量，n为表面水的气化指数，按经验值可取为1［11］，mw为蒸发器表面水质量的变化，随时间变化而变化，表达式为mw，τ=mmRv×τ。﹙4﹚翅片管组储存的热量：Qw=cwmw﹙tw2tw1﹚﹙6﹚式中，cw为盘管、翅片等构件材料的平均比热，J/﹙kg•oС﹚；mw为盘管、翅片等构件的重量，kg；tw1，tw2为融霜开始、结束时蒸发器盘管的温度，oС。﹙5﹚管组内存留制冷剂消耗的热量：Qr+Qrs+Qrl=crmro﹙tr2tr1﹚+mrlrr﹙7﹚此部分消耗的热量包括制冷剂温度升高吸收的显热Qrs和气化所需的潜热Qrl。式中，cr为制冷剂的比热，J/﹙kg•oС﹚；mro为蒸发器内制冷剂的质量，kg；tr1，tr2为融霜开始、结束时制冷剂的温度，oС；mrl为气化部分制冷剂的质量，kg；rr为制冷剂的气化潜热，J/kg。
2实验数据及其分析
初步实验中，主要确定除霜时刻和结束时刻，通过实验确定最佳的除霜时刻。若除霜时刻开始较晚，蒸发器翅片间已结满霜，严重影响系统的正常运行；若除霜时刻开始较早，蒸发器表面结霜较少，频繁除霜不仅浪费能源，还会引起库温的波动。实验选用20oС工况进行分析，观察不同加湿时间条件下蒸发器表面的结霜状况。图1是送回风速度随加湿时间的变化情况。图2至图5分别为加湿10min、20min、25min和30min后蒸发器表面的结霜状况。从图中可以看出，加湿前20min蒸发器翅片表面霜层较薄，翅片间的空气阻力较小，送风速度较大，对系统性能的影响较小；随着加湿的继续，蒸发器翅片表面的霜层越来越厚，翅片间距越来越小，空气的流动阻力较大，送风速度急剧下降，当加湿30min时，蒸发器表面严重结霜，送风速度降至回风速度的大小。除霜的结束时刻也是一个重要的参数，若除霜时间较短，蒸发器表面的水珠还没有完全蒸干，恢复制冷时，水珠再次结冰会增加下次除霜的难度；若除霜时间较长，翅片表面水珠蒸干后继续加热将会增加散失到空气中的热量，影响库温的变化。在实验中，以蒸发器回气管温度的变化作为判断除霜结束的依据。图6和图7是20oС工况下不排液融霜时翅片表面霜层的变化情况。实验过程中，电加热器开启6min后，翅片表面的霜层开始融化冷风机内部翅片和蒸发器盘管上的霜层已经融化，形成的水滴在重力的作用下落入底部的接水盘中，吸附在盘管表面的水珠则会吸热不断蒸发。图6是回气管温度为20oС时翅片表面的融霜情况，此时整个翅片表面仅剩下部两个边角的霜还未完全融化；当回气管温度达到25oС时，两个边角处也已经完全融化并基本蒸干，如图7所示。因此，以回气管温度25oС作为不排液除霜时除霜结束的依据，即当回气管温度达到25oС时就结束除霜过程。
作者：吴腾飞 臧润清 许艳 刘江彬 单位：冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术重艺术论文大纲点实验室 天津商业大学机械工程学院