一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统

1.本实用新型属于制冷热泵空调技术领域，具体是一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统。


背景技术：

2.空气源热泵机组在冬季运行时，当室外侧换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，换热器表面就会结霜。霜的形成使得换热器传热效果恶化，并且增加了空气流动的阻力，使得空气源热泵机组的供热能力降低，甚至严重时机组会停止运行。
3.为减少空气源热泵结霜问题，本领域的研究人员提出了电加热、固体/液体除湿、改变换热器结构、外加电场/磁场或超声波振动、冷表面超疏水改性等抑霜措施。在抑制结霜的同时，也有必要对空气源热泵进行周期性除霜。选择合适的除霜方式可以使得空气源热泵得到高效的利用，但是大部分的除霜方式都不可避免的出现“有霜不除”，“误除霜”的问题。无疑，想要选择有效的抑霜技术和适宜的除霜方式，对空气源热泵结霜过程的特性有必要进一步了解。
4.目前，本领域的大部分研究人员所搭建的对结霜特性进行研究的实验系统存在以下不足：第一，结霜过程都是在常温下进行，很少在实际空气源热泵结霜工况下进行实验，得到的数据和结果的准确性会降低，对空气源热泵选择合适的抑霜技术和除霜方法也会受到影响。第二，大部分实验都是研究水平或竖直表面的结霜特性，对于倾斜表面结霜特性的研究还尚缺乏。第三，大部分实验中冷表面结霜都是用的半导体温差制冷方式，此种方式在降温时需要一定的时间来达到所设定的温度，对于模拟实际的冷表面结霜过程有一定的偏差。


技术实现要素：

5.本实用新型为解决现有冷表面结霜过程中实验条件在常温下进行，不符合实际结霜工况的问题，单一的研究竖直或水平冷表面结霜问题以及使用半导体冷台降温速率慢的问题，提供了一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统。
6.为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：
7.一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统，包括：
8.用于在冷表面结霜的冷表面结霜模块；
9.用于为冷表面提供一定温度和湿度的湿空气的供给和调节模块；
10.用于记录环境温度和湿度，冷表面温度、风速以及霜表面温度的第一采集模块；
11.以及，
12.用于记录冷表面结霜过程的第二采集模块；
13.所述冷表面结霜模块包括冷表面、冷却盘管和低温恒温水浴一；
14.所述冷表面内部嵌入冷却盘管；所述恒温水浴一通过供水管接入冷却盘管的入口，所述冷却盘管的出口通过回水管接回低温恒温水浴一；
15.所述供给和调节模块包括翅片管换热器、蒸汽喷杆、低温恒温水浴二和电热式加湿器；
16.所述翅片管换热器两端与低温恒温水浴二的进出水管相连；
17.所述电热式加湿器与蒸汽喷杆相连；
18.所述翅片管换热器、蒸汽喷杆和冷表面顺次安装在送风管内；
19.所述送风管两端连接回风管构成闭式系统。
20.进一步的，所述冷表面由方形金属壳体构成。
21.进一步的，所述冷表面结霜模块还包括升降台；
22.所述冷表面安装在所述升降台上。
23.进一步的，所述冷表面结霜模块还包括角度调节机构；
24.所述角度调节机构包括螺丝和半圆弧铝片；所述冷表面安装在角度调节机构上，通过调节螺丝的松紧改变冷表面的倾斜角度。
25.进一步的，所述冷表面采用亲水、普通、疏水以及超疏水表面中的任意一种。
26.进一步的，所述供给和调节模块还包括可调速风机和风阀；
27.所述可调速风机和风阀安装在所述送风管的入口处。
28.进一步的，所述供给和调节模块还包括均流板，
29.所述均流板安装在所述蒸汽喷杆的后端。
30.进一步的，所述第一采集模块包括温湿度传感器一、温湿度传感器二、温湿度传感器三、手持式风速仪、t型热电偶、红外热像仪、数据采集仪、湿度探头、流量计和计算机；
31.所述温湿度传感器一安装在所述送风管内翅片管换热器的前端；
32.所述温湿度传感器二和所述流量计顺次安装在所述送风管内均流板后端；
33.所述温湿度传感器三安装在所述冷表面后端；
34.所述手持式风速仪和红外热像仪安装在所述冷表面周边；
35.所述t型热电偶焊锡在所述冷表面上；
36.所述湿度传感器一、温湿度传感器二、温湿度传感器三和t型热电偶均与数据采集仪连接；所述数据采集仪与计算机连接；
37.所述手持式风速仪和红外热像仪自带显示屏；
38.所述湿度探头安装在所述送风管的出口处，并与所述电热式加湿器连接。
39.进一步的，所述第二采集模块包括ccd摄像仪、体式显微镜、相机和冷光源；
40.所述送风管上与所述冷表面正对的位置开设观察窗，所述ccd摄像仪、体式显微镜、相机和冷光源置于所述观察窗的上端。
41.本实用新型的有益效果：
42.本实用新型提供一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统，实现对湿空气的温度和湿度进行调节，实现空气源热泵在实际运行过程中结霜现象，并且可以调节冷表面的倾斜角度，从多角度观测到凝结液滴、凝结液滴生长、液滴冻结到霜晶生长再到霜层生长的过程，并对霜层的高度进行测量，对霜的密度和结霜量进行计算。
附图说明
43.图1为本实用新型的冷表面结霜特性测量系统结构图；
44.图2为本实用新型的冷表面结霜特性测量系统中角度调节机构；图2（a）为侧视图，图2（b）为正视图。
45.图中：1、可调速风机；2、风阀；3、温湿度传感器一；4、翅片管换热器；5、送风管；6、蒸汽喷杆；7、均流板；8、温湿度传感器二；9、手持式风速仪；10、ccd摄像头；11、体式显微镜；12、冷光源；13、t型热电偶；14、冷却盘管；15、冷表面；16、升降台；17、红外热像仪；18、低温恒温水浴一；19、湿度探头；20、相机；21、数据采集仪；22、计算机；23、电热式加湿器；24、低温恒温水浴二；25、回风管；26、温湿度传感器三；27、流量计；28、角度调节机构。
具体实施方式
46.下面对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
47.本实用新型提供一种可调节角度的冷表面结霜特性测量系统，参见图1，包括冷表面结霜模块、供给和调节模块、第一采集模块以及第二采集模块。
48.其中，冷表面结霜模块用于在冷表面结霜，还可以调节冷表面的角度和冷表面结霜温度；供给和调节模块用于为冷表面提供一定温度和湿度的湿空气；第一采集模块用于记录环境温度和湿度，冷表面温度、风速以及霜表面温度；第二模块用于记录冷表面结霜过程的拍摄和存储。
49.参见图1，冷表面结霜模块包括冷表面15、冷却盘管14、低温恒温水浴一18、升降台16和角度调节机构28。
50.冷表面15由方形金属壳体构成，内部嵌入冷却盘管14。
51.恒温水浴一18制取冷却液通过恒温水浴一18的供水管接入冷却盘管14的供水管，用于使冷表面15温度达到结霜条件，再通过冷却盘管14的回水管送回低温恒温水浴一18的回水管。
52.升降台16用于调节冷表面15的高度。
53.角度调节机构28参见图2（a）和图2（b），角度调节机构28由螺丝28-1和半圆弧铝片28-2组成，冷表面15安装在角度调节机构28上面，通过调节螺丝28-1的松紧来改变冷表面15的倾斜角度，达到实验需要的角度后，拧紧螺丝28-1来固定住冷表面15。冷表面15可以使用亲水、普通、疏水以及超疏水表面进行结霜实验，也可以调节倾斜角度来实现不同角度下不同涂层或者材料的结霜实验。
54.供给和调节模块包括可调速风机1、风阀2、翅片管换热器4、送风管5、回风管25、蒸汽喷杆6、均流板7、低温恒温水浴二24和电热式加湿器23。
55.可调速风机1、风阀2、翅片管换热器4、蒸汽喷杆6、均流板7和冷表面15顺次安装在送风管5内。
56.翅片管换热器4左右两端与低温恒温水浴二24的进出水管相连，右侧为进水管，左侧为回水管，低进高回。
57.低温恒温水浴二24制取冷冻液通过进水管进入翅片管换热器4，对湿空气进行降温。
58.电热式加湿器23与蒸汽喷杆6相连，电热式加湿器23通过蒸汽喷杆6对湿空气进行加湿。
59.可调速风机1和风阀2安装在送风管的入口处，用于调节送风管5内湿空气的流量.
60.均流板7安装在蒸汽喷杆6的后端，用于对送风管5内湿空气进行均流，使得经过一定温度和湿度调节的湿空气到冷表面15的速度是均匀的，以上过程均在送风管5内实现。
61.送风管5的两端与回风管25相连，构成闭式系统。
62.第一采集模块包括温湿度传感器一3、温湿度传感器二8、温湿度传感器三26、手持式风速仪9、t型热电偶13、红外热像仪17、数据采集仪21、湿度探头19、流量计27和计算机22。
63.温湿度传感器一3安装在送风管5内翅片管换热器4的前端，温湿度传感器一3用于测量进风状态湿空气的温度和湿度。
64.温湿度传感器二8安装在送风管5内均流板7后端，温湿度传感器二8用于测量经过翅片管换热器4冷却和电热式加湿器23加湿后的湿空气的温度和湿度。
65.温湿度传感器三26安装在冷表面15后端，用于测量经过冷表面15的湿空气的温度和湿度。
66.手持式风速仪9安装在冷表面15周边，用于测量冷表面的风速。
67.红外热像仪17安装在冷表面15右侧，用于测量霜层表面的温度。
68.t型热电偶13焊锡在冷表面15上，用于测量冷表面15的温度。
69.湿度传感器一3、温湿度传感器二8、温湿度传感器三26和t型热电偶13均与数据采集仪21连接，采集的数据均传输至数据采集仪21。数据采集仪21获得的数据在计算机22上存储。手持式风速仪9和红外热像仪17可自行读数。
70.湿度探头19安装在送风管5的出口处，用于测量出口湿空气的湿度，并与电热式加湿器23连接，将结果反馈给电热式加湿器23，如果湿度不满足设定要求，则开启电热式加湿器23。
71.流量计27安装在均流板7的后端，用于测量经过均流板7的空气流量。
72.第二采集模块包括ccd摄像仪10、体式显微镜11、相机20和冷光源12。
73.与冷表面15正对的送风管上开设观察窗，ccd摄像仪10、体式显微镜11、相机20和冷光源12置于观察窗的上端，当进行冷表面结霜实验时，用ccd摄像仪10、体式显微镜11配合冷光源12连续拍摄和记录局部结霜过程的图片和视频，观测凝结液滴、凝结液滴生长、液滴冻结、形成针状或柱状晶体，晶体分枝形成网状，增加霜密度，霜层几乎铺面整个表面的过程，并对霜的密度和结霜量进行计算。冷光源用于为结霜表面照明。
74.相机20用于正面拍摄整个冷表面15的结霜过程，并对霜层的高度进行测量。
75.通过红外热像仪17测量霜层表面的温度t，根据公式ρf=650e
0.277(t-273.15)
计算出霜的密度。
76.通过温湿度传感器二8和温湿度传感器三26测得的流经冷表面15前后的湿空气的含湿量di和do，通过流量计27测得空气流量ma，根据公式m
fr
=ma(d
i-do)计算出结霜量。
77.本实用新型通过可调节角度的冷表面、冷却盘管和低温恒温水浴实现了冷表面结霜过程，并可对湿空气的温度和湿度进行调节，使湿空气的温度和湿度符合空气源热泵实际运行中的结霜工况；本实用新型采用闭式系统，利用回风比用全新风更加节能；通过调节角度机构，调节冷表面的倾斜角，实现不同角度下冷表面的结霜过程，得到的实验数据更加精确和全面。
78.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。