随着热泵技术与制冷技术的不断发展,结霜现象普遍存在于冷端换热器表面,严重影响了换热效率,增大了系统的能耗,甚至影响到了系统的正常运行,违背了我国节能减排与可持续发展的战略目标。目前研究学者对亲疏水性表面材料的结霜特性冷凝过程的动力学行为,电磁场对结霜过程的影响,霜层数值模拟计算,系统节能除霜优化等做了大量工作,但对换热器放置角度造成的不同重力势场下的冷凝与结霜动力学过程与冷凝结霜特性规律研究较为不足。本文从理论基础与实验研究分析了在工况温度为20℃,相对湿度为70%,入口风速为2.3m/s的湿空气,平行流过表面温度为-10℃的微型换热器表面的结霜过程。由倾斜角度的变化(θ=0°,15°,30°,60°)造成的微型换热器上表面在不同重力势场下的冷凝动力学行为,平均液滴粒径大小分布,临界冷凝粒径,液滴数量分布。理论计算出了液滴受到重力分力的液滴高度形变量,并给出了不同倾斜角度下液滴发生微量位移的判定方法。对于结霜整个过程,通过实验的进出口温差,相对湿度,进出口含湿量,实验表面上方空气温度等实验数据间接分析了不同重力势场对微型换热器冷凝量,结霜量,换热性能的影响。最后通过COMSOL数值模拟了液滴的冻结过程中湿空气的温度分布与速度分布,并修正了 N-S方程的重力源项,给出了不同重力势场下液滴的内部流动情况,对照并解释了实验现象。研究结果如下:1.当T_f=20℃,T_w=-10℃,RH=70%,微型换热器放置倾角0=0°,15°,30°,60°时,不同重力势场对冷凝及结霜过程有明显的影响,随着倾斜角θ的增大,冷凝时间缩短,相同时刻下的冷凝液滴平均粒径逐渐减小。实验发现水平放置的换热器上方冷表面冷凝速率最快,冷凝时间最长,临界冷凝粒径为0.037mm,临界成平均粒径为0.057mm。在θ=15°时,平均单个液滴动能达到最大,冷凝过程中液滴滑落合并现象明显。在结霜过程中,随着倾斜角度的增加,临界成核粒径减小,结晶速率增大,霜枝倒伏与再融现象明显。2.通过实验测量的进出口温度与相对湿度数据发现换热器放置的水平倾角越大,换热器在结霜后换热效果越好,空气流经换热器出风温度越低,结霜整个过程倾斜角θ对应的换热量大小排序为0°>60°>30°>15°。在霜层生长期时,建议换热器保持θ≥60°的放置倾角,以减少霜枝的倒伏与再融现象导致霜层结构再凝结,形成致密结构的霜层,增大对流换热热阻,影响换热器换热效率。3.从实验计算出的含湿量变化来看,在冷凝阶段随着换热器放置倾角的增大,冷凝量不断减小,冷凝量大小排序为0°>15°>60°>30°,在0=30°与60°时在不同时刻冷凝量相差不大建议换热器摆放倾角θ≥30°更利于换热。在霜层生长期210s后,结霜量大小排序为0°>60°>30°>15°,综合上述结论考虑换热器在θ=60°放置角度时换热效率较高,霜层结构更利于换热与除霜工作。4.数值模拟发现液滴冻结过程对空气流动的影响主要表现在液滴上方的温度分布,相变潜热造成了温度局部的升高,产生了温度梯度。而液滴两侧空气与冷表面直接接触,热阻小,流速慢,换热更加充分,温度边界层更为明显,因此冷凝过程液滴的大小与液滴的数量决定了冷表面非润湿表面的面积,润湿面积大小为0°>15°>60。>30°。