结霜条件下凸出平面的传热特性

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Heat transfer characteristics of a protruded flat surface under frost formation

　　

• 空气温度对前部霜冻形态具有主要影响。• 在高空气温度下，前部的热通量稳步增加。• 高空气温度促进前部的致密化。• 前部的霜冻形态影响局部传热分布。引言当湿润空气与温度低于水的冰点和空气露点的表面接触时，会形成多孔霜层，这在实验研究中已有充分证实[1]。该层不仅是一种表面涂层，还作为额外的热阻，在冷表面与周围空气流之间引入额外的热阻[2]。在空气源热泵和工业制冷盘管等工程应用中，这种积霜的后果是双重的。首先，霜层的低导热率阻碍了传热速率。其次，不断增长的霜层在紧凑式换热器中物理性地阻塞了气流通道，导致压降显著增加，如Aljuwayhel等人[3]所报道。这种阻塞迫使风扇以更高的功率运行或降低了空气质量流量，从而降低了系统的制冷能力。因此，需要定期进行除霜操作以恢复性能。然而，除霜周期会中断连续运行并消耗额外的能量，从而降低系统的整体性能系数（COP），如Zhang等人[4]所指出的。因此，准确预测霜冻生长机制并理解其对传热速率的动态影响，对于优化热系统的设计和运行至关重要。已进行了广泛的实验和理论研究来调查环境参数对霜冻生长特性的影响。已知冷板温度在控制霜冻形成方面起主要作用，数值和实验研究均表明，降低表面温度会大幅增加自由流与壁面之间的浓度梯度，从而增强传质驱动力[5]、[6]、[7]。这种升高的驱动力导致更高的水蒸气质量通量朝向表面，并导致更厚且生长更迅速的霜层。然而，空气流速的影响尚不十分确定，且强烈依赖于流态和潜在的相互作用机制。一些研究报告称，增加空气流速会通过减小边界层厚度来增强对流传质系数，从而促进霜冻形成并增加霜层积累[8]、[9]。相反，其他研究则表明，与更高流速相关的气动效应主要改变的是霜冻结构而非其整体厚度。?stin和Andersson[10]观察到，虽然传质随空气流速增加，但相关的剪切力倾向于压缩霜冻晶体，从而形成更致密且更紧实的霜层。与这一解释一致，Saygin等人[11]报告称，空气流速的变化对霜冻形态和结构特征（如表面粗糙度和晶体堆积）的影响要强于对霜层厚度本身的影响。相对湿度也被确定为影响霜冻生长的最具影响力的参数之一，因为以往研究表明，增加湿度水平可直接增强空气与霜冻表面之间的蒸气压差，这是传质的主要驱动力[12]、[13]。这种增强的驱动力加速了外部霜冻沉积和内部致密化过程，导致热性能更快恶化。虽然全局参数已得到广泛研究，但现有的经验关联式，如Yang和Lee[14]提出的关联式，通常提供空间平均的传热和传质系数。这些关联式通常采用全局方法推导，将整个传热表面视为单一的代表性节点。如Leoni等人[15]的综述所讨论的，文献中的大多数研究集中在霜冻的全局发展上，强调平均霜厚和密度，而对局部霜冻演变的详细关注仍然有限。然而，霜冻形成的空间变化引入了额外的复杂性，这无法仅由平均模型捕捉。最近的综述强调，局部传热和传质系数沿表面可能存在显著差异[16]。特别是，Mago和Sherif[17]表明，这些系数通常在靠近前缘处最高，因为此处薄的发育中边界层和几何奇异性促进了局部质量通量升高，与下游区域相比更为显著。Hrnjak等人[18]的实验研究进一步表明，几何参数和流态导致非均匀的霜冻分布，这可能导致翅片管换热器中的局部阻塞。尽管已有这些观察，大多数数学模型仍然依赖一维公式，如Lee等人[19]开发的公式，这些公式固有地假设表面物性沿表面均匀分布，因此无法考虑这些关键的空间变化。此外，准确量化瞬态热通量演化对于评估结霜条件下换热器的动态性能至关重要。在大多数现有研究中，热通量是通过追踪霜层厚度或质量的时间演化，然后应用半经验导热率模型（如之前的研究中提出的[20]、[21]、[22]）来间接估算的。然而，这种间接方法引入了相当大的不确定性，因为霜的导热率强烈依赖于其密度和内部结构，而这两者在结霜过程中持续变化。因此，使用广义导热率关联式可能导致热通量估算的显著误差，特别是在晶体生长的早期阶段和快速致密化期间，此时霜的性质变化最为迅速。为了解决这些局限，提出使用薄膜传感器直接测量局部热通量作为一种更可靠的方法，因为它能够在不依赖假设的霜性质的情况下评估显热传递与沉积潜热之间的瞬时平衡，同时还能捕捉到空间平均或间接方法所遗漏的瞬态热行为[11]。此外，结霜系统的热响应通常还因循环现象而更加复杂。在循环结霜条件下，曾报告了瞬态融化和再冻结事件，在此期间，由于层内相变导致霜冻结构和性质发生突变[23]。因此，捕捉这些快速且高度瞬态的热事件需要时间分辨的局部热通量测量，而非稳态或平均近似。本研究旨在提供关于强制对流条件下突起平面上霜冻形成过程中热通量空间变化的详细实验调查。与以往主要依赖从简单平板获得的空间平均量的基础研究[7]、[19]不同，本工作采用分布式的薄膜热通量传感器来表征测试表面前部、中部和尾部区域的局部热响应。引入突起的主要动机是模拟被霜覆盖的表面或圆柱形制冷剂管上的结霜行为。它们都起到钝体作用，结霜行为在钝体不同区域之间可能表现出显著差异。之前关于圆柱面和受限流道的研究[24]、[25]、[26]表明，这种几何不连续性诱导了这些流特征，并与光滑表面相比显著改变了局部传热和传质。这种行为与实际的翅片管换热器直接相关，在其中，平面翅片被管套、百叶窗和加厚前缘所打断。实验证据已证实这些几何形状的重要性：da Silva等人[2]表明，翅片特征（如百叶窗）引入额外的压降，加速气流减少和容量损失，而Zhang和Hrnjak[18]报告称，翅片和百叶窗节距等几何参数强烈影响结霜条件下换热器的热工水力和运行持续时间。此外，Kim等人[27]证明，管套产生的流动扰动在靠近前缘处产生薄边界层，导致管区和翅片区之间霜厚不均匀。通过选择突起平面作为测试样品，本研究旨在捕捉由流动扰动引起的非均匀霜冻生长行为，包括前角区域附近的局部流动分离和低速回流区。这些流动特征改变了局部传热和传质条件，因此导致与光滑表面上观察到的不同的霜冻发展特性。为了研究这些效应，系统地研究了空气速度、空气温度和相对湿度对局部传热响应的影响。此外，分析了霜层对入口湿度阶跃变化的瞬态响应，以评估潜热传递在结霜过程中的贡献。结果显示，前角区域存在与持续热通量水平相关的局部致密化行为，这与下游区域观察到的更渐进且单调的下降形成对比。部分摘录实验系统闭环结霜风洞的示意图配置如图1所示。实验设施由空调换热器、湿度控制室、结霜测试段、热通量测量系统和相关数据采集单元组成。除透明测试段外，风洞进行了隔热处理以减少与周围环境的热交换。风洞内的空气温度使用过程冷水机进行调节。湿度控制通…总体结霜行为在暴露于潮湿气流的冷表面上形成霜冻涉及耦合的对流传热、相变过程以及通过不断发展的霜层的热传导。在结霜过程中，表面处测量的局部热通量反映了这些机制的综合热响应，而非单个传热模式。因此，所测热通量的时间演化提供了整体结霜过程的基于物理的表征。耦合的…结论本研究实验性地调查了强制对流条件下突起平面上霜冻的形成过程，使用安装在表面前部、中部和尾部区域的薄膜热通量传感器。测量系统的设计旨在减少传感器内部热阻与周围区域之间的不匹配。这一方面对于突起表面尤为关键，因为由于…（此处原文截断）…传感器表面跨度的传热可能被严重低估。CRediT作者贡献声明Alper Abdusoglu：撰写—审阅与编辑、可视化、方法论、调查、形式化分析。Kaan Demirhan：方法论、调查。Enes Murat Yakut：调查。Altug Melik Basol：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、概念构思。Mehmet Arik：监督、资源。资金来源本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项拨款。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢作者感谢厄泽金大学EVATEG研究中心允许使用其实验和计算资源。Alper Abdusoglu|Kaan Demirhan|Enes Murat Yakut|Altug Melik Basol|Mehmet Arik