结霜现象广泛存在于自然界以及制冷、空调、化工、航空航天等工程领域中。如果冷表面温度低于空气的露点温度且同时低于水的三相点温度时,空气中的水蒸气便会在冷表面上凝结成霜。在制冷空调系统中,结霜会造成蒸发器换热能力下降,严重时会损坏制冷设备。因此,研究空气冷却器的结霜特性,探寻抑制制冷系统结霜、降低除霜损耗的途径,对于保证系统安全运行具有十分重要的意义。本文以结霜机理研究为切入点,搭建试验台,利用可视化方法对不同结构的空气冷却器及制冷系统进行实验观测,系统地研究空气冷却器结霜特性,在此基础上建立制冷系统结霜的仿真模型,并进行验证；建立空气冷却器在结霜工况下费用年值分析模型,研究空气冷却器结霜量与制冷系统运行经济性的定量关系,为系统的优化设计提供有力的理论依据。根据热力学和相变动力学,推导出饱和水蒸气在冷壁面凝结成霜的驱动力定量公式,结果表明,气体过冷度和饱和比越大,相变驱动力越大。建立了包含饱和比、过冷度和表面接触角的壁面成核密度及液滴生长的热力学模型,分析发现表面接触角在50-120°范围内时,对成核密度影响较大；当过冷度达到25K以上时,过冷度对成核密度影响减弱。随着过冷度的增大,液滴的生长速度加快；液滴半径越小,过冷度对其的影响越大。当液滴半径大于0.05mm时,过冷度对液滴生长速度的促进作用趋于平缓,当液滴半径大于0.5mm时,液滴生长速率趋于平稳,过冷度对其无明显影响。表面接触角越小,液滴增长速率越大,表面接触角大于90°以后,其对液滴速度影响很小。同样液滴半径,表面接触角对液滴生长速度的影响要远小于过冷度的影响。搭建了空气冷却器结霜工况性能测试实验台,采用显微照相的方法进行在线观测,通过图片处理技术进行霜层厚度测量,探究空气冷却器外表面结霜的特性,研究了结构参数及空气参数等因素对换热器结霜特性的影响。结果表明：换热器的翅片间距越小结霜越早,而且霜层厚度的增长速度快,结霜量多,但霜层密度小；亲水涂层对空气冷却器结霜有一定的抑制作用,推迟了结霜的发生；来流空气状态一定时,蒸发温度越低,结霜驱动力越大,结霜发生时刻越早,但霜层形成后,蒸发温度对霜层厚度的增长速度影响并不明显,而且蒸发温度越低初始液滴的直径越小；霜层的厚度随着相对湿度的增大而增大,而且相对湿度越大,结霜速率越快；空气流量对结霜过程有较大的影响,在实验条件下,风量增大时空气冷却器结霜开始时刻较晚,但霜层增长速率较大,在来流空气温度大于水的三相点温度时,结霜过程中提高风量会造成表面霜层的回融。提出并建立了制冷系统结霜工况下的仿真模型,利用仿真模型计算了制冷系统结霜工况下的霜层生长情况以及结霜过程中制冷系统制冷量、蒸发温度、冷凝温度和COP的变化,并通过焓差实验室以及可视化试验平台进行了验证。模型充分考虑了空气在迎风面的不均匀分布以及霜层生长情况对空气侧风量分布的影响,提高了计算的准确度；仿真计算方法能够体现结霜工况下制冷系统运行参数的动态变化,系统蒸发温度和冷凝温度计算值与实验值差异小于3%,可以有效指导系统设计。在蒸发器的结霜模型基础上,结合费用年值分析法进行空气冷却器结霜工况下的经济性分析从而进行优化设计。经过计算和比较分析可以得出以下结论：通过优化结构设计,可使得蒸发器的单位制冷量的费用年值降低；综合考虑换热管直径、翅片间距和管排数的影响,翅片间距为10mm,换热管外径为9.52mm,管排数为6时,费用年值最小。