结霜工况，微通道蒸发器制冷剂分布有啥特性？
微通道换热器作为冷凝器已经被大量应用于空调、热泵等系统中。但是结霜和制冷剂的分配不均匀等难题限制了微通道换热器作为蒸发器在制冷空调系统及热泵系统中的应用。当换热器表面温度低于0 ℃且低于空气的露点温度时，就会发生结霜。研究表明，空气中的含湿量及冷表面温度是影响结霜的主要因素，而微通道换热器表面温度分布主要受制冷剂分布的影响。制冷剂分布不均匀造成微通道换热器效率下降，在其作为蒸发器时，由于制冷剂处于气液两相状态，导致制冷剂分配不均问题更严重。
针对以上问题，一些研究在干燥情况下研究了制冷剂分布问题，但目前缺少在结霜状态下对微通道换热器制冷剂分布的研究。本文提出基于红外热像仪测量结霜工况下微通道蒸发器制冷剂分布的实验研究方法，并分析换热 器表面结霜对制冷剂分布的影响。
实验装置如图1所示，该系统共分为3个部分:
制冷系统( 压缩机、平行流式微通道蒸发器、蛇形微通道冷凝器、毛细管、干燥过滤器等) ; 数据采集系统( T 型热电偶、压力变送器、流量计、功率表、数据采集仪、热敏风速仪等) ; 图像采集系统 (体视显微镜、CCD摄像头、红外热像仪、PC终端等) 。
实验用压缩机型号QD35Y，额定功率50W，制冷剂为R600A。体视微镜型号 Olympus SZ61， 放大范围6. 7～40倍，CCD相机像素1000万。数据采集仪型号Agilent34970A，红外热像仪选用FLIR T620，测量仪器的参数见表1。
测试用平行流式微通道蒸发器如图2所示，图 3 所示为扁管和翅片的结构。该换热器分为两个流程，流程A具有6根扁管，流程B有9 根扁管，换热器的详细参数见表2。
微通道蒸发器根据制冷剂的流动状态可分为两相区和过热区，如图4所示。在制冷系统稳定的情况下，制冷剂几乎在恒定的温度下蒸发。所以确定两相区与过热区分界处的壁温即可测得扁管内制冷剂的分布。
将IR图像上的每一个像素点设为一个单元。为简化模型，本文提出以下几点假设:
1) 进入换热器迎 风面的空气速度、温度、湿度均匀;
2) 同一扁管的各通道内制冷剂质量流量相同;
3) 每个单元内的温度 均匀;
4) 霜层温度均匀，且与管壁温度相同;
5) 单个气流通道内霜层厚度均匀。
首先对 IR 图像进行平滑处理，以消除图像中非换热器区域(翅片间的空气通道等) 的影响。对比了5种平滑函数( 均值滤波、中值滤波、高斯低通滤波、 双边滤波、小波变换) ，其中基于小波变换的平滑图像能够最大程度的消除非换热器区域的影响。
图5所示为IR 图像平滑前后等值线图的对比x和y为图 像距阵的行列数。
图6所示为 IR图像平滑前后灰度直方图的对比。可知平滑处理后没有改变图像的值域，保留了直方图的峰值，并使直方图更加均衡，消除了图像中的噪声，减少了环境因素对图像的影响。
获得平滑的IR图像后，绘制分界线以识别两相区与过热区。制冷剂在入口为两相状态出口为过热状态的扁管中必然存在制冷剂为饱和蒸气状态的点， 将该点定义为分界点。将分界点处的压力估算为蒸 发器入口和出口压力的平均值 p。每根管内质量流量假设为平均质量流量 m 。
本文选用 Yan Y Y 等（文献：YAN Y Y，LIN T F． Evaporation heat transfer and pressuredrop of refrigerant R－134a in a small pipe［J］． International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41 ( 24) :4183－4194．）中的公式计算制冷剂饱和蒸气处对流换热表面传热系数：
3. 1 霜层计算结果验证
为验证公式( 8) 所计算霜层厚度在本实验测试用换热器上的适用性，用 CCD 摄像头每隔 0. 5 h拍摄一次翅片结霜照片，用于测量翅片结霜厚度。本文基于图像分割技术测量霜层厚度。首先将翅片结霜照片转化为灰度图像，使用同态滤波增强图像的对比度，锐化霜层的边缘，在去除图像噪声的同时保留了霜层的细节部分。利用迭代法将降噪后的灰度图像分割为二值图像。图 8 所示为二值化后的霜层图像。
测量未结霜状态下翅片间值为0的元素个数A，与结霜后翅片间值为0的元素个数 B，A与 B 的差值即为图像中霜层所占元素个数。测量该图像 1 mm 所占有的像素N，M为该图像矩阵的列数，则霜层的平均高度可由式( 18) 表示。
图 9 所示为当干/湿球温度为 19 ℃ /11. 5 ℃，气流速度为0. 5 m /s工况下，测霜层厚度实验值与计算值的对比。由图9可知，计算值与实验测量值较为吻合。计算值与实验值的最大偏差为16. 9%，均方根误差为9. 7%。
3. 2 结霜对制冷剂分布的影响
为测试换热器表面结霜对制冷剂分布的影响，每隔1h拍摄一次换热器表面结霜照片及IR 图像，如图10和图11所示。
由于在流程A内没有出现过热现象，为了便于观察，在图11 中只给出了流程B的IR图像。在实验期间，流程A内换热器表面的结霜量逐渐增加，实验 180 min时，流程A内翅片间的空气通道几乎完全堵塞，流程B内只有小部分区域出现结霜。而流程A内制冷剂都处于两相状态，流程B内制冷剂多处于过热状态。
图12所示为流程B内每 根管内液态制冷剂所占比率。由图12可知，流程B内液态制冷剂随着时间逐渐增多，实验180 min时较实验 60 min时流程B内液态制冷剂增加了4倍，制冷剂过热区缩小了22. 7%。这是由于流程A内的结 霜量逐渐增加，导致流程 A 的换热效率逐渐降低，在流程 A 内蒸发的制冷剂逐渐减少，导致流程 B 内的 液态制冷剂所占比率逐渐增加。
式中: RDP 为制冷剂分布参数，用于评定制冷剂 在换热器内分布的均匀性。RDP值域为( 0,1) ， RDP越大，制冷剂分布均匀性越好。随着流程A内换热效率下降，流程2内的RDP 逐渐增大，到实验 180min 时，流程B内的RDP比60 min 时增加了17. 2%，由于流程 A 内结霜量的增加使流程B内液态制冷剂分布均匀性得到改善，但由于流程 B内过热区的减小，导致换热器压损增大，实验 180 min 时 较实验 60 min 时蒸发器换热量下降了 2. 34%。
为研究结霜对微通道换热器内制冷剂分布的影响，本文提出了一种用于结霜工况下的制冷剂分布的评定方法。基于该方法，实验研究了结霜对具有双流程的平行流式微通道蒸发器制冷剂质分布的影响，得到如下结论:
1) 利用显微镜，结合图像分割技术，测量了翅片结霜厚度，验证了翅片霜层厚度计算公式在双流程微通道蒸发器上的适用性，实验结果与计算结果误差在 16. 9%以内。
2) 由于流程A内结霜量的增加，导致流程B内液态制冷剂比例增大，实验 180 min 时较实验 60 min 时流程 B 内液态制冷剂增加了 4 倍，制冷剂过热区 缩小了22. 7%。
3) 换热器表面结霜对制冷剂分布有较大的影响，实验180 min时较实验 60 min 时流程B 内RDP提高了17. 2%，制冷剂分布更加均匀。但随着过热区的减小，蒸发器换热量下降2. 34%。