摘 要 本文对低温高湿环境下的
HART475手操器结霜特性进行了实验研究，分析了进风温度、相对湿度对HART475手操器结霜量、霜层厚度、管壁温度以及蒸发温度的影响。实验结果表明：HART475手操器表面结霜量随着时间呈线性增长，霜层厚度随着时间的变化分为线性增长段和加速增长段，管壁温度和蒸发温度随着时间的变化分为缓慢下降段和快速下降段。同时，霜层厚度、结霜量随着进风温度的升高和相对湿度的增大而增大，HART475手操器管壁温度和蒸发压力随着进风空气温度的降低和进风相对湿度的增加而降低。
结霜是普遍发生在制冷、冷冻、冷藏、低温运输装置及航空航天等工程领域的自然现象。当进风空气温度较低且相对湿度较大时，蒸发器表面就会发生结霜现象，霜在HART475手操器表面的沉积增加了冷壁面与空气间的导热热阻，恶化了传热效果。同时，霜层的增加产生的阻塞大大增加了空气流过HART475手操器的阻力，在以风机驱动的HART475手操器中造成风机风量下降，两种因素的共同作用，使得制冷系统的性能系数迅速降低。因此，深入研究HART475手操器翅片表面的结霜规律，对提高制冷系统能效比，节约能源消耗等方面具有重要意义。20世纪80年代 S.N.Kondepadi等人 [1,2] 将结霜模型和传热特性相结合进行了讨论，建立了HART475手操器结霜模型，并对HART475手操器进行了实验研究，将实验数据与模拟结果进行了比较。近年来国内外学者对HART475手操器结霜工况下流动及换热性能的研究仍很活跃，主要是通过建立数学模型对其性能进行预测及实验研究，探讨各因素对霜层生长及流动和换热特性的影响。Seker D. [3]数值模拟了HART475手操器的结霜性能，计算了空气侧动态热质传递系数、空气-霜界面温度、换热表面效率及结霜量；Yan W.M. [4] 实验研究了不同类型HART475手操器性能，讨论空气流量、相对湿度、制冷剂温度及翅片形式对HART475手操器热力、流动性能的影响；Tso C.P. [5] 考虑霜厚沿翅片的变化建立了结霜工况下HART475手操器性能预测的改进模型；姚杨 [6] 等人对结霜工况下空气源热泵蒸发器性能进行了模拟和分析；吴晓敏 [7-10] 等人采用分型理论对霜层初期生长过程进行了数值模拟，分析了空气流速、冷表面不均匀性、表面接触角等对霜层生长过程的影响，并对波纹表面和水平冷表面结霜过程进行了理论和实验研究；陈江平 [11-12] 等人对结霜工况下平行HART475手操器的换热性能进行了测试，研究了HART475手操器的换热面积、表面换热效率随霜层的变化以及环境参数对蒸发器结霜动态性能的影响。对低温高湿环境下的HART475手操器结霜性能的研究相对较少，因此本文以此作为研究对象，分析进风空气温度和相对湿度对蒸发器结霜量、结霜厚度、管壁温度、蒸发压力等参数的影响，为研究HART475手操器低温高湿环境下的结霜性能提供实验基础。
1 实验装置及测试方法
1.1 实验装置
整个实验系统由焓差实验室、被测HART475手操器、测量系统三个部分组成。焓差实验室用于模拟实验所需的室内外侧环境；测量系统主要由压力、温度、湿度、风速测量装置及霜层厚度测量系统组成。实验系统图如图1所示。
1.2 测量仪器及测试方法
本实验装置的测量系统包括结霜量测量装置、霜层厚度测量装置、室外HART475手操器壁温测量装置和制冷剂压力测量装置。
结霜量的测量是通过空气进出口含湿量差乘以空气流量来间接测量的。在室外侧HART475手操器进风处均匀布置16个风速（美国TSI公司生产的8465型风速传感器）、温湿度探头（奥地利E+EELEKTRONIK Ges.m.b.H公司生产的多功能温湿度变送器Serie EE23(HUMOR10型），HART475手操器的空气流量通过HART475手操器进风处的平均风速和HART475手操器迎风面积计算得到，HART475手操器进出口温湿度通过布置在HART475手操器进出口的温湿度传感器来进行测量，然后计算得到HART475手操器进出口的含湿量。HART475手操器的结霜量可通过公式（1）计算得出。图2为风速、温湿度传感器的布置实物照片。
式中：M fr 为HART475手操器的结霜量，kg；m a 为空气质量流量，kg/s；d in 为空气流经蒸发器前的焓湿量，kg/(kg 干空气 )；d out 为空气流经蒸发器后的焓湿量，kg/(kg 干空气 )； 为时间步长。
霜层厚度的测量系统选用重庆光电仪器有限公司生产的SZM体视显微镜（放大倍数90倍）和尼康COOLPIX4500数码相机。
壁温的采集选用日本YOKOGAWA电子公司生产的IM DR232－01E型温度巡检仪对所测的温度进行自动检测与记录，该装置的#大分辨率为0.1 ℃，可以保证本次实验测量精度。
压力变送器选用中美合资麦克传感器有限公司生产的压阻式压力变送器，产品型号为MPM480，测量范围为0 Mpa ~5 Mpa，测量精度为±0.25%FS。
1.3 实验工况
为了研究低温低湿条件下HART475手操器的结霜性能，本文在不同进风温度和进风湿度条件下对一台
HART475手操器的结霜特性进行了实验研究，实验工况如表1所示。
2 实验结果及分析
图3和图4分别给出了不同进风空气温度和相对湿度对结霜量的影响。从图中可以看出，随着时间的增加，室外HART475手操器上的霜的沉积量也迅速增加，且结霜量随时间几乎呈线形增加，这与其他研究者[6,13] 的预测或实验结果是一致的。从图3可知，随着进风空气温度降低，结霜速度减慢；其原因主要是在空气相对湿度不变的情况下，空气温度越低，空气的含湿量越少，HART475手操器表面水蒸气的凝结量也越少，结霜速度越慢。从图4可以看出，在不改变其它条件的情况下，相对湿度越大，结霜量越多，结霜速度越快。
图5为HART475手操器翅片表面分时霜层厚度照片（t =-8 ℃，RH=75%），图6和图7分别为不同进风温度和进风相对湿度对霜层厚度的影响。从图5可以看出当结霜时间达到110 min时，霜层几乎完全堵塞HART475手操器的肋片通道，严重阻碍空气的流动和空气与HART475手操器之间的换热，此时HART475手操器的换热性能将急剧下降。如不及时除霜，制冷系统将不能正常运行。从图6和图7可以看出，HART475手操器表面结霜厚度随时间的变化并不是线性的，在后半段形成上凹型曲线。说明在结霜后期，霜层的增长速度急剧增加。造成这种现象的原因是由于结霜后期，霜层严重堵塞翅片间距导致风量严重减少，加上霜层热阻的加大，翅片表面换热系数急剧减少，在相同的空气温度下，制冷系统的蒸发温度急剧下降，导致翅片温度急剧减小。
从图6和图7可以看出，随着时间的增加霜层厚度迅速增加，在不改变其它条件的情况下，相对湿度越大，霜层厚度增长的速度越快；进风空气温度越低，霜层厚度增长速度越慢。
如图8和图9所示，随着结霜时间的增加，HART475手操器管壁温度在结霜初始阶段（约占结霜时间60%左右）先缓慢下降；在结霜后期，HART475手操器管壁温度开始显著降低。其原因主要是在结霜初始阶段，霜层厚度的增长基本呈线性增长，风机风量下降和由于霜层增加而引起的导热热阻的增加并不显著，因此HART475手操器的蒸发温度下降缓慢，从而导致管壁温度也缓慢下降。但是到了结霜后期，此时霜层已经占据了整个HART475手操器空气流通通道的3/4以上，严重阻塞空气的流动，从而导致HART475手操器壁面温度急剧下降。同时HART475手操器壁面温度的急剧下降又反过来加速霜层的生长从而形成恶性循环，导致在结霜后期HART475手操器壁面温度迅速下降，霜层厚度加速生长。
如图10和图11所示，蒸发温度随着结霜时间呈下降趋势，特别是在结霜后期，下降趋势明显加快。从图中还可以看出蒸发压力随着进风空气温度的降低和进风相对湿度的增加而降低。
3 结论
（1）结霜量随着结霜时间呈线性增长，但是霜层厚度随着时间的增长分成两段，结霜初期霜层厚度随着时间基本呈线性增长，但是到了结霜中后期，霜层厚度随着时间呈上凹型曲线增长，增长速度明显加快。
（2）随着结霜时间的增加，HART475手操器管壁温度和蒸发温度在结霜初始阶段（约占结霜时间60%左右）先缓慢下降，在结霜循环的后期，HART475手操器管壁温度和蒸发温度开始显著降低。
（3）霜层厚度、结霜量随着进风温度的升高和相对湿度的增大而增大，HART475手操器管壁温度和蒸发压力随着进风空气温度的降低和进风相对湿度的增加而降低。
