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本文針對氣候實驗室飛機發動機低溫起動試驗時，室外超大流量高濕度空氣經過低溫換熱器出現的換熱器表面積大量結霜現象進行研究，提出了一種能夠有效抑制換熱器結霜的換熱器組布置方案，從而保證發動機開車試驗連續進行，不因換熱器大量結冰引起的換熱效率快速降低而導致試驗中止。

上期介紹了結霜厚度對換熱效率的影響和換熱器設計的原理及設計思路（http://www.towbao.com/news/1921173.html），本期我們重點介紹換熱器的組成及具體參數確定。

2.氣候實驗室發動機開車試驗空氣補償系統之換熱器設計

2.2  換熱器組設計

2.2.1冷空氣補償技術要求

 空氣補償系統用于密閉的環境室內，發動機瞬態或穩態運行時提供所需的滿足試驗溫度的冷空氣，以維持環境室內外的設計壓差并保證環境室內恒定的溫度，從而保證發動機開車試驗的持續性、有效性與安全性。要求：

a)   空氣補償量：總風量最大400kg/s，每條風道最大80kg/s；

b)   補償空氣溫度范圍：-55℃～0℃；

c)   壓降：≤2000Pa；

d)   空氣補償持續時間：8 h 3次，每次持續20 min。

2.2.2  換熱器換熱面積確定

由于室外空氣中不可避免地存在水分，蒸發溫度低于0℃時，換熱器管路和翅片上將十分容易結霜。一般熱泵機組換熱器表面霜層生長可分為初始階段、減速生長段及加速生長段三個階段，三個階段的霜層形態并不相同。結霜初期先是形成霜粒，管壁表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,氣流擾動增強，傳熱系數呈現逐漸增大趨勢。隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數開始逐漸減小，導致換熱效率快速降低。當霜層厚度達到一定程度時，將帶來一系列的問題。

據研究測量結果顯示，在一定的霜層范圍內，霜層厚度每增加１ｍｍ可能導致蒸發溫度下降0.5℃(見圖4），而蒸發溫度的降低會使CＯP迅速下降。表明當霜層厚度超過1mm時，換熱器的換熱效率急劇下降，故各級換熱器的結霜厚度在試驗期間應控制在1mm以內。

圖4 蒸發溫度隨霜層厚度的變化情況

設定發動機低溫起動試驗空氣補償每個風道最大補氣量M空氣=80㎏/s，最低處理空氣溫度為-55℃，外界空氣分別經過四級換熱器逐級降溫，降溫處理后的空氣均為飽和空氣。

經過一級換熱器將空氣溫度處理至+6℃，相對濕度為φ1=100%，根據空氣焓濕圖查得此時空氣的含濕量d1=5.87g/㎏。二級換熱器為結霜盤管，處理+6℃空氣到-10℃。-10℃空氣相對濕度φ2=100%，含濕量d2=1.62g/㎏。按發動機開車試驗空氣補償單元最長補氣時間t=20min計算,經二級換熱器空氣中結霜水的質量為:

M=M空氣 × t × (d1-d2)

M=408㎏

根據換熱器結霜厚度對換熱器換熱效率影響關系，當結霜厚度超過1mm時，換熱器的換熱效率將急劇下降，最高可達25%。假設二級換熱器結霜盤管在20min補氣中表面結霜厚度均勻分布于盤管表面。由于換熱器結冰過程迎風面的霜層厚度遠大于被風面（見圖6），故結冰厚度取δ≤0.5mm（留有50%的結霜厚度余量），可得出所需設計盤管的換熱總表面面積A，該溫度下霜的密度ρ=110㎏/m³，可得：

A=M / (δ×ρ)

A=7418 ㎡

2.2.3 中、低溫換熱器結冰厚度校核

按照二級換熱器的換熱面積對中、低溫換熱器的結冰厚度進行校核。

三級（中溫）換熱器處理-10.3℃空氣到-25.8℃，-10.3℃空氣相對濕度φ=100%，含濕量d=1.62g/㎏，-25.8℃空氣相對濕度φ=100%，含濕量d=0.394g/㎏，得出結冰厚度d=0.125mm；

四級（低溫）換熱器處理-25.8℃空氣到-55.1℃，-55.1℃空氣相對濕度φ=100%，含濕量d=0.015g/㎏，計算可得：

四級換熱器的結冰厚度d=0.048mm。

由此看出，中、低溫換熱器結霜（冰）厚度遠小于0.5mm，不會影響換熱效率。

2.2.4  換熱器結霜試驗

針對換熱器結霜形式、結霜時間、融霜方法搭建試驗平臺進行研究。實驗平臺主要由試驗箱、風機、變頻器、加濕器、進風口均流網、空氣流量計、溫濕度傳感器、壓差變送器、流量計、數據采用系統等部件組成，詳見圖5。

圖5 換熱器結冰融霜試驗平臺

換熱器布置在實驗箱體內，材質為銅管鋁翅片，銅管外直徑16.6mm，翅片厚度0.3mm。共有三組，每組10排，尺寸是：24mm/3排 +12mm/3排+8mm/4排，迎風面尺寸為1200mm×800mm。

試驗過程：制冷系統及載冷載熱系統開始工作，在實驗箱內空氣溫度達到-5℃時，開始朝換熱器噴蒸汽進行結冰，30min后，換熱器兩側壓差達到了300Pa，關閉風機。稍后開啟艙門，查看結冰狀態。見圖6。

a)迎風面結霜狀態

b)背風面結霜狀態

圖6  換熱器結霜狀態

試驗結果：如圖6所示，第一排翅片已結滿了霜，第二排翅片結了很少量的霜，第三排翅片未見結霜。換熱器的迎風面結霜明顯，霜質松軟均勻，利用游標卡尺測得迎風面霜層厚度約0.9mm；背風面也出現結霜現象，但是霜層厚度較薄。

由此得出變片距結霜換熱器能夠有效對來流空氣預除濕，提前結霜，從而降低后續主換熱器的結冰風險，保證換熱性能。

2.2.5 換熱器組設計

依據上述計算得到的空氣補償換熱器所需換熱面積，綜合考慮換熱器的工作環境和風道內

的安裝維護需求，對換熱器組各級換熱器參數進行了設計。每級換熱器由4個相同的三層翅片管組成，材質為鋼管鋁翅片，翅片厚度0.285mm；肋管材料為304鋼，外徑15mm。詳細參數見表2。

表2 發動機低溫起動試驗空氣補償單元換熱器參數

結論

通過分析計算，設計了一種能夠有效抑制換熱器結霜的間接式制冷換熱器，可保證氣候實驗室內飛機發動機低溫起動試驗全過程始終維持高效換熱。該方案解決了試驗時，由于室外大量的高濕度空氣經過低溫換熱器而導致換熱器表面積大量結霜，可能出現的試驗中止現象，從而可以滿足試驗過程的連續性要求，為氣候實驗室建設大冷量空氣補償系統提供了設計依據。