自然对流深冷结霜工况下湿空气流动状态实验分析

　　1引言

　　结霜现象广泛存在于食品冷藏、低温工程及航天航空等领域^[1]。冷表面温度低于湿空气露点温度时，在其表面会发生结露现象; 当冷表面的温度低于水的冰点温度时，水蒸气会在冷表面上凝华结霜。一般情况下，由于霜层的存在将增大对冷表面的传热热阻，使传热量下降^[2]。前人重点对结霜过程作了描述和分析^[3-10]，针对自然对流深冷竖直平板结霜工况下湿空气流动状态却研究甚少。但湿空气流动状态是影响结霜现象的主要因素之一，要想抑制结霜，就要分析清楚湿空气流动状态，故研究自然对流深冷竖直平板结霜工况下湿空气流动状态，对抑制结霜、强化传热具有实际的工程应用价值。

　　本文拟对霜层厚度变化规律、湿空气在竖直平板附近流动状态及温度变化进行实验观察，为研究人员对深冷自然对流工况下抑制结霜提供一定的实验基础。

　　2实验系统和方法

　　2.1实验系统

　　实验系统如图1所示，包括供液系统、竖直平板表面、图像采集系统和数据采集系统。室内工况使用dph系列大气温度湿度计测量，精度为0.5级， 量程为-20—125℃，0—100RH‰。液氮从容积为20 L的液氮瓶流出，然后途径真空绝热管进入低温容器，使用真空绝热管的目的是尽量减少液氮进入低温容器之前的冷量损失。竖直平板与室内湿空气进行自然对流换 热，使低温容器内液氮吸热气化，通过放空口排出; 湿空气受冷，使湿空气中水蒸气在竖直平板表面上结霜。

　　竖直平板上布置两个热电偶以测量竖直平板表面温度; 竖直平板附近按一定规律布置14个热电偶，以测量湿空气在竖直平板附近流动区域的温度。热电偶分布如图2所示，图3为实验系统照片图。竖直平板表面非稳态 结霜过程由Canon A3300 IS数码相机记录。低温容器底部用软管连接U型玻璃管液位计，来测量低温容器内液氮的高度。竖直平板自上往下10mm处，用游标卡尺测霜层随时间变化的厚 度。

　　2.2实验方法

　　每次实验先用丙酮清洗竖直平板表面，再将实验装置按图1连接好。打开截止阀4和放空阀10，通过液氮瓶自增压系统，把液氮输入低温容器内，使U 型玻璃管液位差达到300mm时，关闭截止阀4，然后开启温度巡检仪和图像采集系统进行数据记录。每隔半个小时人工记录一次室温和相对湿度。霜层厚度数据 记录时间: 前半个小时隔2min记录1次，以后隔5min记1次。温度数据采集时间: 先隔1min记1次，记15次; 再隔2min记1次，记15次; 最后每隔5min记1次。图片采集时间: 先隔2min拍1次，拍15次，再每隔5min拍1次。实验期间环境参数基本保持不变: 温度为16.3℃，湿度为55% 。