于得水 袁祖强 纪和平

1 引言

液氮发动机的换热器一般采用翅片管式，翅片管式换热器由于构造简单、体积小、重量轻、制造使用方便，在液氮汽车系统中得到广泛应用。翅片管式换热器是通过吸收外界环境热量来实现其汽化功能的，具有经济节能的优点［1］，但由于换热器的工作温度很低，因此如果不采取相应的预防措施，很容易结霜。而换热器结霜后会大大影响其换热效率，这在紧凑式换热器中是不允许的。本文分析了结霜产生的原因和结霜对换热器性能的影响，并提出两种新方法减少结霜现象的发生，通过实验验证这两种方法能有效的减少换热器的结霜，提高换热器的换热效率，进而进一步提高液氮发动机的效率。

2 结霜对换热器性能的影响

结霜对翅片管换热器的影响非常大，其对换热器性能参数的影响主要有:(1)翅片效率，由于霜层的增加，导致翅片间距减小，而翅片间距越小换热器的翅片效率越低。(2)传热系数，由于霜的传热系数很低，因此当霜层附着在换热器管壁上不仅增加了壁厚，而且还减少了管壁的传热系数。(3)空气压降，随着霜层的增厚空气的流通面积减少，导致空气流经换热器的阻力增大，因而空气侧的压降会逐步增加，导致传热系数减少。(4)表面粗糙度，由于霜层形成的不规则性，因此导致壁面的粗糙度增加，而表面粗糙度对热交换过程有很大的影响［2-3］。图1为翅片管式换热器结霜的示意图。

图1 换热器表面结霜示意图Fig.1 Diagram of heat exchanger surface frost

3 换热器结霜过程的数学分析

换热器结霜的过程就是传热传质的过程。对于霜层表面，关于热和质传递系数的Chilton Colburn方程是成立的［4-5］。

3.1 热传递

温度边界层和霜表面

霜层内

霜层内能量方程式

式中:λeff是霜层的平均导热系数，但是由于各管段流体形态不同，传热系数的计算非常复杂，应该进行分段计算。

(1)单相流体对流换热区关联式

(2)气液两相对流换热区关联式

对于低温流体而言，管内沸腾的局部传热系数最精确的计算式是由Klinenko所归纳的关系式

式中:b为气泡特征常数。

(3)缺液区关联式

在本区内热力计算中涉及到两种极限工况，Plummer等建议按下式计算ε值。

水

氟利昂

3.2 质传递

一般认为从主流湿空气中析出的水分(mw)可分为两部分，一部分用以增加霜层厚度(mδ)，另外一部分用以增加霜层体积质量(mρ)，假设霜层是由霜柱和冰-空气的多孔质部分共同组成的复合结构，则用于提高霜层密度的那一部分质量可以从扩散机理推导出如下计算式［2］。

其中:

其中，霜层体积质量可根据下式计算

式中:T为温度，K;f为摩擦系数;St为斯坦顿数;εa为霜中空气所占的体积百分比;εβ为霜中冰晶所占的体积百分比;f表示霜层表面;δ表示霜层厚度，mm;ρi为冰晶体积质量，kg/m3;ρv为水蒸气体积质量，kg/m3;ρa为空气体积质量，kg/m3;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，J/K;w代表冷表面;w为凝华潜热，J/g;D为质扩散系数;R为气体常数，J/(K·mol)。

作为霜层物性中的两个重要参数，霜层密度和热传导系数在结霜中非常重要。由于各管段内流体所处流体形态的不同，热传导系数和密度也会因此不同。利用以上关联式进行计算后发现，换热器大部分管段处于含液区，且处于液体换热区和气液两相区的管段热传导系数较小，产生的霜量较多，而过热区产生的霜量相对则较少，这与工程实际是相符的。

4 避免换热器结霜方法的研究

液氮发动机换热器的工作温度很低(最低温度将达到-200℃)，如果换热器的设计不当将引起冰堵现象，严重影响整个系统的正常工作。因此，在换热器设计的时候必须考虑如何避免换热器表面的结霜现象。目前比较通用的液氮发动机换热器除霜方法有以下几种［6］:

(1)在换热器表面镀高疏水性镀层，降低其与水蒸气之间表面能，增大接触角，来抑制结霜。

(2)对流入换热器的湿空气进行净化，尽量滤去其中悬浮的可溶性颗粒，对抑制结霜有很大效果。

(3)尝试将液氮直接喷入发动机气缸，使其在气缸内直接汽化并且膨胀做功从而避免换热器的使用。

除了上述方法外，华盛顿大学在换热器的设计上采用了一种三通道的方式，这种方式通过减少低温部分与空气直接接触来达到避免结霜的目的。在这种情况下，热量从高温端热源传来，经过一系列的多程换热管道，传到低温液氮。这样使得只有外层换热管的外表面与环境空气直接接触，就避免了结霜。实验表明，这种结构设计的换热器可以在一定程度上避免换热器的结霜，但是，它的工作效果强烈依赖于它所处的工作环境及发动机本身的运行状况。而且由于整个管束体积庞大，但与空气直接进行对流换热的单位体积的换热面积较小;相邻两换热管之间的换热主要是通过导热方式进行的，并且温差不是很大，这样的换热系数比较小，导致整个换热器的换热效率不是很高。

为了减少翅片管换热器的结霜，采用两种方法来避免液氮发动机换热器的结霜，采用预混合式换热器;通过改变翅片的间距来减少换热器的结霜量。通过实验方法验证这两种方法对换热器结霜量的影响。

4.1 预混合换热器式换热器对结霜量的影响

图2为液氮发动机的换热器系统的原理图，整个系统由两部分组成，分别为预换热器和主换热器。工作时，从主换热器出口引出部分常温氮气到预换热器与低温氮气进行混合，使得低温氮气进入主换热器时温度进一步升高，从而达到了减少主换热器结霜的目的，这样就可以在避免换热器结霜的同时既提高了换热器的效率又尽可能的避免了结霜。

图2 预混合式换热器原理图Fig.2 Schematic diagram of premixed-formed heat exchanger

通过试验的方法比较传统换热器系统和预混合式换热器系统结霜量的变化，实验中所用的换热器为间冷式翅片管蒸发器，其结构参数为:迎风管排数5;垂直风向管排数2;迎风方面的各排翅片间距为5、5、5、5和10 mm;迎风方面的各排翅片数目为39、42、44、44和21;翅片高度27 mm;翅片宽度52 mm;翅片厚度0.15mm;管直径8mm;管厚0.61 mm;管间距30 mm;管排距25 mm;管和翅片材料均为铝。

通过实验记录的预混合式换热器结霜量和普通换热器结霜量的曲线如图3所示。

图3 预混和换热器与普通换热器结霜量的比较Fig.3 Curve graph of amount of premixed-formed heat exchanger frost and common heat exchanger

通过实验发现改进后的预混合式换热器能明显较少翅片上的结霜量，随着时间增加，换热器翅片上结霜量的减少更加突出，并且在5 h后结霜量有下降的趋势，证明预换热器系统的预防结霜效果比普通换热器系统更加有效。但是预换热器还是不能完全的避免换热器的结霜现象，需要进行进一步的研究。

4.2 翅片间距对换热器结霜量的影响

采用3种不同翅片间距的换热器，其翅片间距分别为:10 mm，7.5 mm，5 mm，其它参数如上文所述。图4为不同间距翅片换热器结霜量的比较。

通过实验发现随着翅片间距的增加，空气与换热器的接触面积增加，结霜量明显减少，这是因为翅片间距越少，霜层厚度的增加对翅片间通风面积的影响越明显。因此，在结霜比较严重的管排，为了保证其换热性能，需要增大翅片间距来减少结霜量。

5 结论

图4 不同间距翅片换热器结霜量的比较Fig.4 Mount of frost of fin heat exchanger with different pitch

翅片管换热器的结霜对其换热性能有很大的影响，由于换热器大部分管段处于含液区，且处于液体换热区和气液两相区的管段热传导系数较小，因此产生的结霜量较多。通过实验发现，采用预混和式翅片管换热器和增加翅片管式换热器的翅片间距能明显的抑制换热器的结霜量。

1 苏海林.低温翅片管换热器结霜试验研究［J］.低温工程，2007(5):50-59.

2 赖建波，减润清.翅片管式换热器表面结霜特性的数值分析和实验研究［J］.制冷学报，2003，2:8-11.

3 刘凤珍，于 阳.低温工况下结霜对翅片管蒸发器性能影响的实验研究［J］.低温与超导，2003，31(1):27-30.

4 Kondepudi S N，O’Neal D L.Performance of finned-tube heat exchangers under frosting conditions［J］.International Journal of Refrigeration，1993，16(3):175-180.

5 张祉祐，石秉三.低温技术与原理［M］.北京:机械工业出版社.1987:56-59.

6 罗 超.翅片管蒸发器结霜性能的仿真与实验研究［D］.上海:上海交通大学，2008.