速冻冷风机超声波除霜技术理论与实验研究

(1 大连冷冻机股份有限公司 大连 116630； 2 西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室 西安 710049； 3 大连市冷热技术创新中心 大连 116630； 4 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室 西安 710049)

在制冷过程中，湿空气流经结霜工况下的蒸发器时，蒸发器表面会出现结霜现象，速冻冷风机采用强制对流换热，加大了传热温差。铜的导热系数为401 W/(m·K)，铝的导热系数为237 W/(m·K)，而霜的导热系数仅为0.045 W/(m·K)[1]。研究发现，蒸发器少量的结霜会增强传热效果[2-3]，但随着霜层厚度的不断增加，霜层的热阻增大，换热器的传热性能降低。如不进行处理，空气流道将逐渐变窄，增大空气的流动阻力，使制冷装置的换热效率严重下降。因此应对换热器进行除霜，以恢复制冷设备的冷热交换能力，提高制冷效果。否则，将会导致系统的制冷能力下降甚至设备损坏。传统的除霜方式为水冲霜、热工质反向融霜和电热融霜，这几种除霜方法均导致库温回升，储藏物品质下降，同时化霜完毕还需压缩机多做功，将库温重新拉至低温状态，增加了制冷机的负荷，反复的升温、降温又为加速结霜提供了条件。

与传统淋水融霜、电热融霜、热工质融霜等融霜方式相比，超声波除霜是一种物理作用的主动除霜技术，不直接引入热量融霜，减少了温度的波动。同时，超声波除霜具有低能耗、蒸发器连续运行周期长的优点。

近年来许多学者在超声波除霜方面做了大量的探索性研究：谭海辉等[4]提出超声波除霜的间歇性加载机制，其能耗是传统逆向除霜技术能耗的1/88～1/22；阎勤劳等[5]提出超声波纵横联合波的除霜效果优于单一波；钱晨露等[6]提出疏水表面特性有助于超声波对冷表面冻结液滴的脱除；李栋等[7]提出自然对流条件下，超声波能够显著抑制平板表面霜层的生长。然而对于高湿、低温、大风压、大风量条件下的速冻冷风机超声波除霜的研究依然较少。

1 超声波除霜机理

超声波以波动的形式作用于物质时，会产生同波有关的折射、反射等现象。蒸发器的翅片一般为铝，铝的密度高于冰。霜附着在翅片表面时，由于霜层密度低于翅片层，超声波会在霜和翅片表面的界面上产生反射现象，翅片对声波的吸收很少，声波的能量将主要被反射回霜层中。选择合适的振动频率，使其同霜层的振动频率相吻合，产生共振。声波振动频率高于20 kHz，每秒将造成冰雪层发生上万次的反复膨胀、收缩运动，虽然霜层内产生的内应力达不到使冰雪层破坏的临界值，但短时间内可以积累足够的次数，使霜层疲劳而破坏。

同时，超声波的机械效应引发的机械振动传递到翅片上，会引起翅片上质点进行高频率、低振幅、高加速度的交替振动。研究发现，振幅超过1 mm后，对结构易造成损害[8]，除霜应用中，超声波振幅在3 μm左右，对换热管和蒸发器的结构没有影响。

2 超声波除霜的简易理论建模

2.1 物理模型

根据实验中采用的蒸发器建立简易三维实体模型，在三维软件SolidWorks中建立蒸发器的实体模型，用有限元软件COMSOL打开并进行离散处理。

2.2 数学模型

计算中，蒸发器的单元类型选择为壳单元，网格采用自适应网格进行离散。整个系统的振动有限元方程与压电有限元方程为[9-10]：

振动有限元方程与压电有限元方程的完全解可利用插值法求解线性方程组，因此，式(1)、式(2)可表示为[11]：

2.3 数值计算

计算中，超声波换能器选用压电NEPEC 6压电材料，密度为7 730 kg/m3，压电片半径为38 mm，厚度2.5 mm，沿厚度方向极化，弹性矩阵、耦合矩阵，相对介电常数为：

压电材料弹性矩阵(单位：1010N/m2)：

压电材料耦合矩阵(单位：C/m2)：

压电材料的相对介电常数：

当不考虑压电片的机械损耗时，最大导纳频率(最小阻抗频率)等于串联谐振频率和谐振频率，最小导纳频率(最大阻抗频率)等于并联谐振频率和反谐振频率。因此，认为最大导纳频率为压电片振动的谐振频率，在此频率处压电片可输出最大能量。

在COMSOL中分别对压电片和压电结构模型进行阻抗分析，分析过程中铜板和冰层的材料参数如表1所示。压电片、铜板与冰层间相互黏贴，无滑移。得到频率介于20～80 kHz导纳-频率曲线，如图1所示。

由图1可知，独立压电片和压电片在铜板上安装获得的系统在低频范围内的最大导纳频率约为28 kHz，最大导纳为0.054 S。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

图1 20～80 kHz的导纳-频率曲线Fig.1 Admittance frequency curve at 20～80 kHz

在进行数值模拟时，压电换能器为圆片状，并按照最大导纳频率加载交变电压发生谐振，产生纵波。压电片、金属板和冰层构成的组合体结构边界设置为自由模式。在划分网格时，由于3种材料的物体尺寸相差较大，分别对金属板、压电片和冰层采用剖分四边形划分面，并采用扫掠方式划分网格。

为保证计算速度，网格划分不能过于密集，实际中2.5 mm厚压电片沿z轴方向划分为5层，将1.7 mm厚度的冰层沿z轴划分为5层，3.8 mm的厚度冰层划分为5格，0.7 mm金属板沿z轴方向划分为4层，得到的三维实体模型和有限元模型如图2所示。

图2 压电/冰层物理模型Fig.2 Piezoelectric/ice physical model

在获得谐振频率的基础上，通过对压电片输入连续交变的高频电U=50sin(56 000πt)，求解压电振动在基板与覆冰界面处激发的xy平面剪切力大小和分布如图3所示。

图3 基板与覆冰的xy平面剪切应力(单位：MPa)Fig.3 Shear stress on the xy plane of the substrate and ice

由图3可知，基板表面分布有较大面积的xy平面剪切应力并呈现正负交替分布，并且剪切力大于部分覆冰的最大黏附力0.4 MPa[12]，具备除霜的力学可行性。剪切力的正负交替出现，有利于霜层的破碎与剥离。在剪切应力小于覆冰黏附力的区域，易形成除霜死区现象。因此，超声高频振动对霜的作用机理是高频振动激发的加速度在霜与基板界面处产生剪切应力，使结霜折断或剥离，难以黏附在翅片上。

为了研究蒸发器在换能器激励下发生的高频强迫振动特性，判断超声振动对蒸发器结构的影响，本文对翅-管式蒸发器模型的特征频率及对应的模态振型进行了求解，结果如表2和图4所示。

由表2和图4可知，在超声高频振动激励下，蒸发器做高频强迫振动，呈现出振动波的振动模式，伴随频率的增加，两个周期内振幅的强弱交替距离变短，符合波动特性。振幅的强弱交替是波传播到蒸发器边界处经过发射回来与发射波叠加产生的。

表2 蒸发器高阶模态下的特征频率Tab.2 The characteristic frequency of the high-mode evaporator

图4 蒸发器在超声下的振动模态(单位：mm)Fig.4 The vibration mode of the evaporator at the ultrasonic frequency

通过有限元分析发现，蒸发器出现波纹状位移分布。由于超声波在传播过程中受蒸发器结构的影响，在结构边界处发生反射，相当于在边界处有多个发射波源，同频率的两个波在蒸发器的某些部位发生叠加。表现为某些区域振动加强的特性，因此，超声高频振动在蒸发器的某些部位由于波的相互叠加出现除霜死区，某些部位除霜效果增强。

理论上冰的最大黏附应力为0.4 MPa，不考虑超声耗散的情况下，超声波在铝板与结霜界面处所激发剪切应力远大于霜的黏附应力。因此，基于超声高频振动除霜技术在理论上是可行的。

3 超声波除霜实验

3.1 实验目的

实验在焓差室内高湿、低温环境下进行，研究了超声波对速冻冷风机翅片表面霜层的抑制和去除效果，比较分析3种不同的传振板(直板型、T字型、L型)对超声波实际除霜的影响。实验用速冻冷风机及探头连接形式见图5，参数见表3，其中制冷剂为R717(氨)，换热管材质为铜，翅片材质为铝，采用泵供液。

3.2 实验方法

1)将超声波传振板固定于换热管上，直板型焊接在蒸发器左侧换热室的铝管；T型和L型则胀紧在蒸发器右侧换热室铝管。

图5 实验用速冻冷风机及探头连接形式Fig.5 The form of experimental quick-freezing cooling fan and probe connection

参数数值换热管间距/mm60翅片间距/mm12～30传热面积/m2199风量/(m3/h)16 000风压/Pa250

2)将超声换能器按照一定的顺序和间距粘贴在3种传振板上，T型、L型和直板型3条传振板上安装若干40 kHz超声换能器，阵子粘贴后，静待24～48 h以保证胶水完全固化。安装完成后，超声换能器在3种传振板上的布置如图6所示。

图6 超声换能器在3种传振板上的布置Fig.6 The arrangement of the ultrasonic transducer on three kinds of vibration plate

3)在超声换能器安装完成后，对传振板上各换能器及各传振板上的超声换能器组的最小阻抗进行测量。根据各超声换能器的平均阻抗和各传振板超声振动系统的最小阻抗，确定超声电源的系统输出频率，以此对超声电源进行调节，并通过调节串联在回路中的电感抵消系统的电抗，使其成为纯阻系统，实现整个系统的调谐。

4)降温、加湿开始实验。在实验过程中，通过继电器控制电路的通断，调节换能器的工作和间歇时间长短，从而实现换能器的间歇工作。

4 实验结果与讨论

4.1 直板型、L型、T型传振板对超声波除霜效果的影响

设定制冷系统蒸发温度为-30 ℃，环境温度为-20 ℃，实验室通入热湿蒸汽，保持相对湿度在95%以上，功率超声波频率38.76 kHz，加载机制为间隔50 s振动10 s。实验过程中，环境温度测量精度为0.1 ℃，相对湿度测量精度为0.1%，通过设置环境干湿球温度控制实验过程中温湿度，并打开电加热器以维持实验环境工况的稳定运行，并在实验工况稳定后进行实验。实验共分3次，每次实验单独激励直板型、T型、L型传振板的换能器组连续运行4 h，比较3种传振结构的抑、除霜效果。为了控制实验变量，得到准确的实验结果，每次实验前停机待霜层全部融化，保证冷风机翅片、换热管表面干燥，实验室内温、湿度与外界环境相同。实验结果如下：

1)3次实验无论在霜层的厚度还是在积霜量方面，施加超声侧换热室翅片上的结霜量明显少于不加超声侧的结霜量。说明超声波对速冻冷风机翅片表面结霜具有显著的抑制作用，3种传振板均能将超声能量有效传播到翅片表面上。

2)对比3种传振板周围翅片上的结霜量，直板型霜层最薄，T型次之，L型稍厚。

3)对比3种传振板的超声波抑霜影响范围，直板型的范围大于T型及L型。

4.2 长时间连续工作时超声波除霜效果

选取超声波除霜效果最好的直板型传振板上的换能器组，在相同的环境条件下连续实验，进一步观察在高湿、低温环境下超声波对速冻冷风机翅片表面的抑、除霜效果。受冷风机结构限制，显微图像测量系统无法布置于蒸发器前，因此无法通过图像处理技术得到霜层厚度随运行时间的定量关系曲线。仅在相同工况下，对翅表结霜过程进行定性分析，得到超声波对翅表结霜过程的影响。实验8 h后，冷风机换热室结霜情况如图7所示。

图7 连续实验8 h超声波除霜效果Fig.7 Continuous experiment 8 hours ultrasonic defrosting effect

由图7可知，与施加超声波侧换热室翅片上结霜量相比，未加超声波侧翅片上的霜层多且厚，几乎将整个换热室表面全部覆盖，严重影响其通风和换热特性。

5 结论

本文针对速冻冷风机在高湿低温环境下结霜速度快，运行效率低的问题，建立了超声波除霜系统，搭建实验平台，并对超声除霜速冻冷风机进行测试，得出以下结论：

1)从理论建模、激光测振和超声高频振动除霜实验效果的对比来看，结果完全一致。因此，基于超声高频振动的除霜技术在理论和实际上是可行的。

2)超声高频振动在结霜与基板界面处激发的剪切应力远大于结霜的黏附应力，具备除霜的力学可行性；剪切应力的强弱交替，有利于结霜的破碎和剥离。

3)超声换能器的振动通过T型或L型传振板传递到换热管、翅片上时，受振面处于不完全固定状态，振动能量不能完全通过传振面进行传递，超声波能量发生衰减。

4)与T型及L型传振板相比，直板型传振板工作时处于完全锁定状态，超声波能量传递效率更高，有利于超声波对速冻冷风机翅片表面霜层的抑制和去除。

针对超声波除霜技术的实际工程应用，今后会在超声波传振结构、连接形式、超声波频率及加载机制等方面深入研究，并融合新型翅片工艺，提升超声波除霜的效果。