CN114322422A - 一种冷表面结霜量测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

本申请属于制冷技术领域，特别是涉及一种冷表面结霜量测量方法及应用。现有的结霜量测量方法，难以获得高精度的结霜量数据。本申请涉及一种冷表面结霜量测量方法，结霜量通过测量定容积测试空间封闭前后的气体状态参数，计算处理差值获取。测量精度高，测量环境封闭稳定，不受外界干扰，测量结果稳定。

Description

一种冷表面结霜量测量方法及应用

技术领域

本申请属于制冷技术领域，特别是涉及一种冷表面结霜量测量方法及应用。

背景技术

在各种制冷与空调系统的工作过程中，霜不可避免地沉积在蒸发器表面。霜层的积累会占据蒸发器流道内一定的空间，阻碍气体流动，降低了气体的对流换热系数，且霜层累积会导致较大的导热热阻，严重影响了蒸发器的换热效率。所以，为了保持制冷系统的高运行效率，已经开发出了各种除霜的设备，以及针对霜沉积的控制策略进行了许多实验研究。为了能准确地预测和控制除霜循环，首先应该清楚霜的形成机理以及霜的生长于制冷系统操作条件之间的复杂关系。而结霜量是体现霜层生长特点的参考指标，也是影响传热效率程度的关键部分。

结霜和除霜是复杂的传热传质过程，结霜量是反映结霜和除霜性能的重要参数之一。在结霜和除霜的循环中，常在实验操作过后将霜融化，再测量结霜量，融化的霜的质量被视为结霜量，但这种方法通常会将周围环境中的水蒸气忽略，产生一定的误差。此方法的结霜量测量，只用位于换热器下方的积水盘收集空气源热泵的除霜实验中的融霜水，但没有考虑在板材表面或者换热器的翅片上残留的水，这种方法误差很大，难以反应实际结霜量。之后改进的结霜量测量方法，将积水盘收集的融霜水和薄纸在翅片上吸收的水分的总和作为结霜量，这种方法操作复杂，容易产生人为失误导致的误差。

另一种结霜量测量方法是在实验过程中进行的。这类方法的特点是，记录的瞬态结霜量可以用来计算霜层密度和传质速率等重要结霜特性参数。这类方法通常是通过在有机玻璃测试空间内放置称重天平，通过数据线将称重天平和电脑连接实现结霜量的实时数据测量。在测量过程中，实验冷却器放置在称重天平上，并连接到直流电源，用于冷却表面。为了准确测量霜冻生长，仅允许霜在测试板的表面上生长。为了确保仅在测试板上发生霜生长，将多个绝缘带围绕热电冷却器的边缘放置。这种测量方法经常将从测量设备的其余部分隔离的滴水罩放置在冷却器下面，以防止其他实验设备上的冷凝物和融化的霜排到称重天平上，这会影响所测量冷表面的结霜量测量。此种测量方法所需要的实验条件较高，测量的前期准备复杂，且容易受测量中其他的实验设备上结霜的影响。除此之外，还有一种常用的实时测量结霜量的方法是通过计算在换热器流道进出口的空气含湿量变化来获得结霜量。这种方法将湿空气中水蒸气的含量变化全部视为结霜的量，对温湿度测量仪器的精度要求较高，且测量过程容易受外界环境干扰。上述的几种结霜量测量方法，考虑到冷板结霜区域和与实验设备相连接的各部分的不稳定因素，难以获得高精度的结霜量数据。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于现有的结霜量测量方法，考虑到冷板结霜区域和与实验设备相连接的各部分的不稳定因素，难以获得高精度的结霜量数据的问题，本申请提供了一种冷表面结霜量测量方法及应用。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种冷表面结霜量测量方法，所述方法包括如下步骤：1)当冷表面在测试空间结霜后，获取所述测试空间内第一气体状态参数，所述第一气体状态参数包括第一温度T₁和第一压力P₁；2)封闭所述测试空间，加热所述测试空间内气体，使霜完全蒸发，获取所述封闭测试空间第二气体状态参数，所述第二气体状态参数包括第二温度T₂和第二压力P₂；3)对所述第一温度T₁与所述第二温度T₂进行补偿，得到第一实际温度T₁'和第二实际温度T₂'；4)根据所述第一实际温度T₁'和第一压力P₁采用实际气体状态方程进行处理得到第一气体密度，根据所述第二实际温度T₂'和第二压力P₂采用实际气体状态方程进行处理得到第二气体密度；5)获取所述测试空间的容积V_t，根据所述第一气体密度与所述第二气体密度计算加热前后测试空间的质量差得到冷表面结霜量。

本申请提供的另一种实施方式为：所述测试空间内的气体处于均匀非饱和状态。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3)中的补偿包括获取所述测试空间内表面温度T_w；根据h(T₁'-T₁)＝ε₁(E_b1-E_b,w)获得测试空间内气体实际温度T₁'；其中h为温度采集器与测试空间内气体的对流传热系数，所述测试空间内的发射率为ε₁，E_b1为温度采集器温度测点温度下的黑体辐射力，E_b,w为壁面温度下的黑体辐射力；根据E_b＝σT⁴计算得到E_b1和E_b,w；其中σ为黑体辐射常数，所述σ值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

本申请提供的另一种实施方式为：所述实际气体状态方程为湿空气维里方程，根据

计算得到所述测试空间内的气体密度，其中R为气体常数，T为实际温度，P为压力，x_a，x_v为干空气，水蒸气摩尔分数，A_aa为干空气的第二维里系数，A_av为干空气和水蒸气相互作用的湿空气第二维里系数，A_vv、A_vvv分别为水蒸气的第二和第三维里系数。

本申请提供的另一种实施方式为：所述干空气摩尔分数x_a和所述水蒸气摩尔分数x_v通过以下步骤获得：步骤41，根据相对湿度Φ和压力P，获得含湿量

其中P_s为温度T下对应的饱和水蒸气分压；步骤42，根据含湿量定义

获得水蒸气分压和干空气分压的比例，其中P_v是水蒸气分压，P_d为干空气分压；步骤43，根据气体状态方程PV＝nRT，水蒸气分压P_v占总压P的比例就是水蒸气的摩尔分数

干空气的摩尔分数x_a＝1-x_v。

本申请提供的另一种实施方式为：所述容积V_t可通过以下方法获得：将所述测试空间封闭，测得气体压力P₀和温度T₀，所述测试空间内的气体状态关系P₀V_t＝m₀R_gT₀；然后向封闭空间内通入质量为m₁的气体，测得所述封闭空间内气体压力P₁₁和温度T₁₁，通过气体状态关系P₁₁V_t＝(m₀+m₁)R_gT₁₁和初始状态方程P₀V_t＝m₀R_gT₀，获得所述封闭空间的容积V_t；重复几次以上步骤，所得容积取均值，减小封闭测试空间内实验装置和状态方程带来的误差；其中R_g是气体常数；m₀是测试空间内初始状态下的气体质量。

本申请还提供一种所述的冷表面结霜量测量方法的应用，其特征在于：将所述冷表面结霜量测量方法应用于存在相变过程的结霜量测量。

本申请提供的另一种实施方式为：所述存在相变过程包括湿空气结霜、湿空气凝露或者 CO₂结霜。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种冷表面结霜量测量方法及应用的有益效果在于：

本申请提供的冷表面结霜量测量方法，测量精度高，测量环境封闭稳定，不受外界干扰，测量结果稳定。

本申请提供的冷表面结霜量测量方法，结霜量通过测量定容积测试空间封闭前后的气体状态参数，计算处理差值获取。

具体实施方式

在下文中，将对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

本申请提供一种冷表面结霜量测量方法，所述方法包括如下步骤：1)当冷表面在测试空间结霜后，获取所述测试空间内第一气体状态参数，所述第一气体状态参数包括第一温度T₁和第一压力P₁；2)封闭所述测试空间，加热所述测试空间内气体，使霜完全蒸发，获取所述封闭测试空间第二气体状态参数，所述第二气体状态参数包括第二温度T₂和第二压力P₂；3) 对所述第一温度T₁与所述第二温度T₂进行补偿，得到第一实际温度T₁'和第二实际温度T₂'；4) 根据所述第一实际温度T₁'和第一压力P₁采用实际气体状态方程进行处理得到第一气体密度，根据所述第二实际温度T₂'和第二压力P₂采用实际气体状态方程进行处理得到第二气体密度； 5)获取所述测试空间的容积V_t，根据所述第一气体密度与所述第二气体密度计算加热前后测试空间的质量差得到冷表面结霜量。

进一步地，所述测试空间内的气体处于均匀非饱和状态。

进一步地，所述步骤3)中的补偿包括获取所述测试空间内表面温度T_w；根据 h(T₁'-T₁)＝ε₁(E_b1-E_b,w)获得测试空间内气体实际温度T₁'；其中h为温度采集器与测试空间内气体的对流传热系数，所述测试空间内的发射率为ε₁，E_b1为温度采集器温度测点温度下的黑体辐射力，E_b,w为壁面温度下的黑体辐射力；根据E_b＝σT⁴计算得到E_b1和E_b,w；其中σ为黑体辐射常数，所述σ值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

进一步地，所述实际气体状态方程为湿空气维里方程，根据

计算得到所述测试空间内的气体密度，其中R为气体常数，T为实际温度，P为压力，x_a，x_v为干空气，水蒸气摩尔分数，A_aa为干空气的第二维里系数，A_av为干空气和水蒸气相互作用的湿空气第二维里系数，A_vv、A_vvv分别为水蒸气的第二和第三维里系数。

进一步地，所述干空气摩尔分数x_a和所述水蒸气摩尔分数x_v通过以下步骤获得：步骤41，根据相对湿度Φ和压力P，获得含湿量

其中P_s为温度T下对应的饱和水蒸气分压；步骤42，根据含湿量定义

获得水蒸气分压和干空气分压的比例，其中 P_v是水蒸气分压，P_d为干空气分压；步骤43，根据气体状态方程PV＝nRT，水蒸气分压P_v占总压P的比例就是水蒸气的摩尔分数

干空气的摩尔分数x_a＝1-x_v。

进一步地，所述容积V_t可通过以下方法获得：将所述测试空间封闭，测得气体压力P₀和温度T₀，所述测试空间内的气体状态关系P₀V_t＝m₀R_gT₀；然后向封闭空间内通入质量为m₁的气体，测得所述封闭空间内气体压力P₁₁和温度T₁₁，通过气体状态关系P₁₁V_t＝(m₀+m₁)R_gT₁₁和初始状态方程P₀V_t＝m₀R_gT₀，获得所述封闭空间的容积V_t；重复几次以上步骤，所得容积取均值，减小封闭测试空间内实验装置和状态方程带来的误差；其中R_g是气体常数；m₀是测试空间内初始状态下的气体质量。

本申请还提供一种根据所述的冷表面结霜量测量方法的应用，将所述冷表面结霜量测量方法应用于存在相变过程的结霜量测量。

进一步地，所述存在相变过程包括湿空气结霜、湿空气凝露或者CO₂结霜。

实施例

本申请提供一种冷表面结霜量测量方法，以测量湿空气结霜量为例，结霜量通过测量定容积测试空间封闭前后的气体状态参数，计算处理差值获取，封闭测试空间内的空气处于均匀的非饱和状态；主要包括以下步骤：

步骤1，当冷表面在测试空间结霜后，测得此时测试空间内第一温度T₁，第一压力P₁，第一湿空气的相对湿度Φ₁等空气状态参数；

步骤2，随后封闭测试空间，加热空间内气体，使霜完全蒸发，再测量此时的空气状态状态参数，第二温度T₂，第二压力P₂，第二湿空气的相对湿度Φ₂等；

步骤3，然后对直接测得的温度T₁，T₂进行补偿，得到实际温度T₁'和T₂'；

这里，所述的补偿是采用经过标定的测温装置测量测试空间内表面温度T_w；根据热量平衡关系，得温度采集器测点温度T₁与测试空间内实际气体温度T₁'之间的对流换热量等与温度采集器测点温度T₁与测试空间内表面温度T_w之间的辐射换热量：h(T₁'-T₁)＝ε₁(E_b1-E_b,w)，获得测试空间内气体实际温度T₁'；T₂'以相同方法获得；其中h为温度采集器与测试空间内气体的对流传热系数，其表面的发射率为ε₁，E_b1为温度采集器温度测点温度下的黑体辐射力，E_b,w为壁面温度下的黑体辐射力。关于参数h、ε₁、E_b1、E_b,w均为现有参数和计算方法在此不再赘述。

具体的，查表获取温度采集器与测试空间内气体的对流传热系数h；查表获取温度采集器表面的发射率ε₁；根据斯特凡玻尔兹曼定律E_b＝σT⁴，获取E_b1和E_b,w；其中σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

步骤4，最后利用高精度实际气体状态方程，以湿空气维里方程为例，根据密度和温度，相对湿度，压力的关系处理封闭前和封闭加热后的空气状态参数，得到测试空间内空气的密度

经过测试空间容积的计算，则得到冷表面结霜量的大小m＝(ρ₂-ρ₁)V_t；其中，R为气体常数，x_a，x_v为干空气，水蒸气摩尔分数，A_aa为干空气的第二维里系数，A_av为干空气和水蒸气相互作用的湿空气第二维里系数，A_vv、A_vvv分别为水蒸气的第二和第三维里系数；V_t为测试空间的容积。

以湿空气维里方程为例的干空气、水蒸气摩尔分数x_a，x_v通过以下步骤获得：

步骤41，根据相对湿度Φ和压力P，获得含湿量

其中P_s为温度T下对应的饱和水蒸气分压；步骤42，根据含湿量定义

获得水蒸气分压和干空气分压的比例，其中P_v是水蒸气分压，P_d为干空气分压；步骤43，根据气体状态方程PV＝nRT，水蒸气分压P_v占总压P的比例就是水蒸气的摩尔分数

干空气的摩尔分数x_a＝1-x_v；所述步骤41中的饱和水蒸气分压通过由世界组织推荐的Goff-Gratch公式获得：

其中，C₁＝-0.909718×10，C₂＝-0.356654×10，C₃＝0.876793，C₄＝0.610710×10，C₅＝-0.790389 ×10，C₆＝0.502808×10，C₇＝-0.138160×10^-6，C₈＝0.813280×10^-2，C₉＝0.113440×10²，C₁₀＝-0.349149， C₁₁＝101.3246×10；T_n＝237.16K，T_m＝373.16K，T为补偿过后的实际温度。

干空气第二维里系数

水蒸气第二维里系数

水蒸气第三维里系数

湿空气第二维里系数

其中a₁＝4416.5K、a₂＝0.017546×10^-3 m³·K/mol、a₃＝0.0953×10^-3m³·K²/mol、a₄＝8.515×10^{- 3}m³·K³/mol。

步骤5，最后经过测试空间容积的计算，则得到冷表面结霜量的大小m＝(ρ₂-ρ₁)V_t；其中， V_t为测试空间的容积。

测试空间容积V_t可通过以下方法获得：先将测试空间封闭，测得此时的气体压力P₀和温度T₀，可知此时测试空间内的气体状态关系P₀V_t＝m₀R_gT₀；然后往封闭空间内通入一定质量 m₁的气体，测得此时封闭空间内气体压力P₁₁和温度T₁₁，通过此时气体状态方程 P₁₁V_t＝(m₀+m₁)R_gT₁₁和初始状态方程，可获得此封闭空间的容积V_t；重复几次以上步骤，所得容积取均值，减小封闭测试空间内实验装置和状态方程带来的误差；其中R_g是气体常数；m₀是测试空间内初始状态下的气体质量，此参数是未知的。因此后面需要通入已知质量的气体，来计算测试空间体积。

本申请所述的一种结霜量测量方法中，当冷表面在测试空间结霜后，测得此时测试空间内的气体状态参数；随后加热空间，使霜完全蒸发，并保证封闭测试空间内气体处于均匀的非饱和状态，再测量此时的气体状态参数；然后对直接测得的温度进行补偿，得到实际温度。本方法利用高精度实际气体状态方程处理获得的两组数据，再计算处理这些参数来获得冷表面结霜量。与现有技术相比，本申请的测量方法均在密闭环境下进行，不受外界环境和实验设备的干扰，测量结果稳定，精度更高。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (8)

1.一种冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)当冷表面在测试空间结霜后，获取所述测试空间内第一气体状态参数，所述第一气体状态参数包括第一温度T₁和第一压力P₁；

2)封闭所述测试空间，加热所述测试空间内气体，使霜完全蒸发，获取所述封闭测试空间第二气体状态参数，所述第二气体状态参数包括第二温度T₂和第二压力P₂；

3)对所述第一温度T₁与所述第二温度T₂进行补偿，得到第一实际温度T₁'和第二实际温度T′₂；

4)根据所述第一实际温度T₁'和第一压力P₁采用实际气体状态方程进行处理得到第一气体密度，根据所述第二实际温度T′₂和第二压力P₂采用实际气体状态方程进行处理得到第二气体密度；

5)获取所述测试空间的容积V_t，根据所述第一气体密度与所述第二气体密度计算加热前后测试空间的质量差得到冷表面结霜量。

2.如权利要求1所述的冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述测试空间内的气体处于均匀非饱和状态。

3.如权利要求1所述的冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述步骤3)中的补偿包括获取所述测试空间内表面温度T_w；根据h(T₁'-T₁)＝ε₁(E_b1-E_b,w)获得测试空间内气体实际温度T₁'；其中h为温度采集器与测试空间内气体的对流传热系数，所述测试空间内的发射率为ε₁，E_b1为温度采集器温度测点温度下的黑体辐射力，E_b,w为壁面温度下的黑体辐射力；

根据E_b＝σT⁴计算得到E_b1和E_b,w；其中σ为黑体辐射常数，所述σ值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

4.如权利要求1所述的冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述实际气体状态方程为湿空气维里方程，根据

计算得到所述测试空间内的气体密度，其中R为气体常数，T为实际温度，P为压力，x_a，x_v为干空气，水蒸气摩尔分数，A_aa为干空气的第二维里系数，A_av为干空气和水蒸气相互作用的湿空气第二维里系数，A_vv、A_vvv分别为水蒸气的第二和第三维里系数。

5.如权利要求4所述的冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述干空气摩尔分数x_a和所述水蒸气摩尔分数x_v通过以下步骤获得：

步骤41，根据相对湿度Φ和压力P，获得含湿量

其中P_s为温度T下对应的饱和水蒸气分压；

步骤42，根据含湿量定义

获得水蒸气分压和干空气分压的比例，其中P_v是水蒸气分压，P_d为干空气分压；

步骤43，根据气体状态方程PV＝nRT，水蒸气分压P_v占总压P的比例就是水蒸气的摩尔分数

干空气的摩尔分数x_a＝1-x_v。

6.如权利要求1所述的冷表面结霜量测量方法，其特征在于：所述容积V_t可通过以下方法获得：将所述测试空间封闭，测得气体压力P₀和温度T₀，所述测试空间内的气体状态关系P₀V_t＝m₀R_gT₀；然后向封闭空间内通入质量为m₁的气体，测得所述封闭空间内气体压力P₁₁和温度T₁₁，通过气体状态关系P₁₁V_t＝(m₀+m₁)R_gT₁₁和初始状态方程P₀V_t＝m₀R_gT₀，获得所述封闭空间的容积V_t；重复几次以上步骤，所得容积取均值，减小封闭测试空间内实验装置和状态方程带来的误差；其中R_g是气体常数；m₀是测试空间内初始状态下的气体质量。

7.一种根据权利要求1～6中任一项所述的冷表面结霜量测量方法的应用，其特征在于：将所述冷表面结霜量测量方法应用于存在相变过程的结霜量测量。

8.如权利要求7所述的冷表面结霜量测量方法的应用，其特征在于：所述存在相变过程包括湿空气结霜、湿空气凝露或者CO₂结霜。