本文针对气候实验室飞机发动机低温起动试验时，室外超大流量高湿度空气经过低温换热器出现的换热器表面积大量结霜现象进行研究，提出了一种能够有效抑制换热器结霜的换热器组布置方案，从而保证发动机开车试验连续进行，不因换热器大量结冰引起的换热效率快速降低而导致试验中止。

上期介绍了结霜厚度对换热效率的影响和换热器设计的原理及设计思路（http://www.anytesting.com/news/1921173.html），本期我们重点介绍换热器的组成及具体参数确定。

2.气候实验室发动机开车试验空气补偿系统之换热器设计

2.2  换热器组设计

2.2.1冷空气补偿技术要求

 空气补偿系统用于密闭的环境室内，发动机瞬态或稳态运行时提供所需的满足试验温度的冷空气，以维持环境室内外的设计压差并保证环境室内恒定的温度，从而保证发动机开车试验的持续性、有效性与安全性。要求：

a)   空气补偿量：总风量最大400kg/s，每条风道最大80kg/s；

b)   补偿空气温度范围：-55℃～0℃；

c)   压降：≤2000Pa；

d)   空气补偿持续时间：8 h 3次，每次持续20 min。

2.2.2  换热器换热面积确定

由于室外空气中不可避免地存在水分，蒸发温度低于0℃时，换热器管路和翅片上将十分容易结霜。一般热泵机组换热器表面霜层生长可分为初始阶段、减速生长段及加速生长段三个阶段，三个阶段的霜层形态并不相同。结霜初期先是形成霜粒，管壁表面粗糙度增大,使传热面积增大,气流扰动增强，传热系数呈现逐渐增大趋势。随着霜层逐渐增厚,热阻随之增大,传热系数开始逐渐减小，导致换热效率快速降低。当霜层厚度达到一定程度时，将带来一系列的问题。

据研究测量结果显示，在一定的霜层范围内，霜层厚度每增加１ｍｍ可能导致蒸发温度下降0.5℃(见图4），而蒸发温度的降低会使CＯP迅速下降。表明当霜层厚度超过1mm时，换热器的换热效率急剧下降，故各级换热器的结霜厚度在试验期间应控制在1mm以内。

图4 蒸发温度随霜层厚度的变化情况

设定发动机低温起动试验空气补偿每个风道最大补气量M空气=80㎏/s，最低处理空气温度为-55℃，外界空气分别经过四级换热器逐级降温，降温处理后的空气均为饱和空气。

经过一级换热器将空气温度处理至+6℃，相对湿度为φ1=100%，根据空气焓湿图查得此时空气的含湿量d1=5.87g/㎏。二级换热器为结霜盘管，处理+6℃空气到-10℃。-10℃空气相对湿度φ2=100%，含湿量d2=1.62g/㎏。按发动机开车试验空气补偿单元最长补气时间t=20min计算,经二级换热器空气中结霜水的质量为:

M=M空气 × t × (d1-d2)

M=408㎏

根据换热器结霜厚度对换热器换热效率影响关系，当结霜厚度超过1mm时，换热器的换热效率将急剧下降，最高可达25%。假设二级换热器结霜盘管在20min补气中表面结霜厚度均匀分布于盘管表面。由于换热器结冰过程迎风面的霜层厚度远大于被风面（见图6），故结冰厚度取δ≤0.5mm（留有50%的结霜厚度余量），可得出所需设计盘管的换热总表面面积A，该温度下霜的密度ρ=110㎏/m³，可得：

A=M / (δ×ρ)

A=7418 ㎡

2.2.3 中、低温换热器结冰厚度校核

按照二级换热器的换热面积对中、低温换热器的结冰厚度进行校核。

三级（中温）换热器处理-10.3℃空气到-25.8℃，-10.3℃空气相对湿度φ=100%，含湿量d=1.62g/㎏，-25.8℃空气相对湿度φ=100%，含湿量d=0.394g/㎏，得出结冰厚度d=0.125mm；

四级（低温）换热器处理-25.8℃空气到-55.1℃，-55.1℃空气相对湿度φ=100%，含湿量d=0.015g/㎏，计算可得：

四级换热器的结冰厚度d=0.048mm。

由此看出，中、低温换热器结霜（冰）厚度远小于0.5mm，不会影响换热效率。

2.2.4  换热器结霜试验

针对换热器结霜形式、结霜时间、融霜方法搭建试验平台进行研究。实验平台主要由试验箱、风机、变频器、加湿器、进风口均流网、空气流量计、温湿度传感器、压差变送器、流量计、数据采用系统等部件组成，详见图5。

图5 换热器结冰融霜试验平台

换热器布置在实验箱体内，材质为铜管铝翅片，铜管外直径16.6mm，翅片厚度0.3mm。共有三组，每组10排，尺寸是：24mm/3排 +12mm/3排+8mm/4排，迎风面尺寸为1200mm×800mm。

试验过程：制冷系统及载冷载热系统开始工作，在实验箱内空气温度达到-5℃时，开始朝换热器喷蒸汽进行结冰，30min后，换热器两侧压差达到了300Pa，关闭风机。稍后开启舱门，查看结冰状态。见图6。

a)迎风面结霜状态

b)背风面结霜状态

图6  换热器结霜状态

试验结果：如图6所示，第一排翅片已结满了霜，第二排翅片结了很少量的霜，第三排翅片未见结霜。换热器的迎风面结霜明显，霜质松软均匀，利用游标卡尺测得迎风面霜层厚度约0.9mm；背风面也出现结霜现象，但是霜层厚度较薄。

由此得出变片距结霜换热器能够有效对来流空气预除湿，提前结霜，从而降低后续主换热器的结冰风险，保证换热性能。

2.2.5 换热器组设计

依据上述计算得到的空气补偿换热器所需换热面积，综合考虑换热器的工作环境和风道内

的安装维护需求，对换热器组各级换热器参数进行了设计。每级换热器由4个相同的三层翅片管组成，材质为钢管铝翅片，翅片厚度0.285mm；肋管材料为304钢，外径15mm。详细参数见表2。

表2 发动机低温起动试验空气补偿单元换热器参数

结论

通过分析计算，设计了一种能够有效抑制换热器结霜的间接式制冷换热器，可保证气候实验室内飞机发动机低温起动试验全过程始终维持高效换热。该方案解决了试验时，由于室外大量的高湿度空气经过低温换热器而导致换热器表面积大量结霜，可能出现的试验中止现象，从而可以满足试验过程的连续性要求，为气候实验室建设大冷量空气补偿系统提供了设计依据。