翅片结构对翅片管换热器积灰与压降影响的实验研究

唐家俊 詹飞龙 胡海涛 丁国良 庄大伟

（上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240）

翅片结构对翅片管换热器积灰与压降影响的实验研究

唐家俊 詹飞龙 胡海涛 丁国良 庄大伟

（上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240）

积灰对具有不同翅片结构的翅片管换热器均会造成长效性能的衰减。本文搭建了换热器积灰可视化实验台，研究了翅片结构对积灰量及积灰后空气侧压降的影响。测试样件的翅片类型包括平直翅片、波纹翅片和开窗翅片；翅片间距范围为1.3～1.8 mm。实验结果表明：开窗翅片管换热器表面最容易沉积粉尘并增大积灰后压降，与平直翅片相比，波纹翅片和开窗翅片表面粉尘沉积量分别提高了25.6%和52.8%、积灰后压降增量分别提高了44.4%和165.6%；对于开窗翅片，小翅片间距有利于积灰并增大积灰后压降，与翅片间距1.8 mm的样件相比，翅片间距1.5 mm和1.3 mm的样件表面粉尘沉积量分别提高了26.2% 和43.2%、积灰后压降增量分别提高了24.1%和49.4%；在积灰过程中，随着粉尘沉积量的增加，翅片管换热器空气侧压降先增大后保持稳定。

翅片管换热器；粉尘沉积；压降；翅片结构；实验研究

翅片管换热器因具有单位体积传热面积大、结构紧凑等优点，广泛应用于房间空调换热器中［1］。然而翅片管换热器运行一定年限后，表面附着的大量粉尘污垢导致性能严重衰减。已有研究表明，对于使用5～7年的翅片管换热器，表面积灰导致空气侧压降增大100%、换热效率衰减18%［2］。目前应用较广的翅片类型包括平直翅片、波纹翅片和开窗翅片，这些翅片类型的换热器表面所受的积尘状况将严重影响换热器的换热效率。因此为了明确不同翅片结构的翅片管换热器的积灰长效性能变化，必须了解不同的翅片结构对翅片管换热器表面积灰特性的影响。

目前已有对翅片管换热器表面积灰特性的研究主要集中在沉积结垢物质特性［3－7］及分布特点［8－10］、积灰的影响因素［11－19］等。关于沉积结垢物质特性及分布特点的研究表明，沉积结垢主要成分为粉尘颗粒及纤维等［3－4］；换热器表面沉积污垢平均粒径范围为6.6～20.9 μm［5－7］；沉积层主要附着在距换热器迎风面前缘 5 mm内，而在背风面不容易沉积粉尘［8－10］。对积灰影响因素的研究主要集中在喷粉速度及喷粉浓度等，结果表明：喷粉浓度越高、喷粉速度越大，翅片管换热器表面粉尘沉积量越大，换热器空气侧压降增量越大［11－19］。到目前为止，没有关于翅片管换热器翅片结构对表面积灰特性的影响的相关研究报道，无法定量得出换热器翅片结构对表面积灰特性及其对空气侧压降性能的影响。

本文通过实验得出翅片结构对翅片管换热器积灰与压降的影响规律，分析不同翅片结构参数对换热器表面粉尘沉积量与空气侧压降的影响。

1 实验原理与测试样件

1.1 实验原理及装置

翅片管换热器积灰特性与压降特性测试实验台原理图如图1所示。实验台包括三部分：1）风道系统，提供并引导特定风速的干空气至测试样件；2）粉尘发生系统，可调节粉尘的质量流量以提供特定粉尘浓度的含尘气流；3）可视化测试段，用于拍摄测试样件表面积灰形貌并测量粉尘沉积量与空气侧压降。详细的实验原理参见文献［11］。

图1实验台实物图Fig.1 Actual photo of experimental rig

可视化测试段包括透明有机玻璃风道、测试样件、分析天平、压差传感器、垂直升降机、托盘及海绵。样件嵌入至托盘2 mm深的凹槽中固定，同时托盘四周刻出15 mm深的凹槽并填充海绵，透明风道挤压托盘凹槽中海绵以实现测试段密封。托盘置于分析天平上，升降机用于调节托盘升降高度，以实现积灰过程中测量样件重量及观察积灰形貌。压差传感器用于测量积灰过程中样件空气侧压降数据。

1.2 实验工况及测试样件

实验工况参数包括翅片类型和翅片间距。翅片类型选为开窗翅片、波纹翅片和平直翅片，翅片间距选为1.5 mm和1.8 mm，覆盖常见的空调室外换热器类型及尺寸。测试样件实测试样件实物及结构示意图如图2所示，相应结构参数如表1所示。

图2测试样件实物图和结构图Fig.2 Actual and schematic diagram of test samples

依据GB 13270—91的规定，实验采用的测试粉尘包含72%的白陶土和28%的炭黑，粉尘密度为2.2×103kg／m3，中位径为10 μm。

由于实际室外环境中的粉尘浓度较低，为了加速积灰的实验进程，同时根据空调室外机中翅片管换热器的正常迎流风速，选取喷粉浓度10.8 g／m3、风速1.5 m／s进行积灰实验。喷粉时间总长为255 min，保证粉尘沉积量达到稳定。风速由空压机、流量计及流量阀调节，喷粉浓度由螺旋给料机、控制柜、混合箱实现控制。具体调节方法参见文献［11］。

2 数据处理方法及误差分析

2.1 数据处理方法

压降和风速可分别通过压差传感器、流量计读得，粉尘沉积量与喷粉浓度则由特定关系式得到。

粉尘沉积量m的表达式为：

式中：m为积灰后换热器样件表面的粉尘沉积量，g；mo为积灰前换热器样件重量，g；mi为积灰后换热器样件重量，g。

喷粉浓度c表达式为：

式中：c为喷粉浓度，g／m3；de为螺旋叶片直径，m；dc为螺旋杆直径，m；ρ为粉尘颗粒物密度，kg／m3；r为螺杆转速，r／min；s为螺旋叶片间距，mm；μ为物料填充系数，取0.95；V为空气体积流量，m3／s。

表1测试样件结构参数Tab.1 Structure parameters of test samples

为了便于研究翅片管换热器表面粉尘沉积后空气侧压降特性，选用翅片管换热器表面粉尘沉积过程中压降增强因子β，表达式为：

式中：Δpdust为积灰过程中换热器样件空气侧压降，Pa；Δpo为积灰前换热器样件空气侧压降，Pa。

2.2 误差分析

参数包含直接测量参数与间接测量参数，通过实验仪器精度可得直接测量参数误差，直接测量参数包括空气侧压降、空气体积流量与样件重量。通过R. J.Moffat［20］方法可求得间接测量参数误差，如表2所示，间接测量参数包括粉尘沉积量。

表2仪器测量精度及实验参数误差分析Tab.2 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 实验结果与分析

3.1 粉尘沉积分布特征分析

图3给出了三种不同翅片类型的样件在喷粉浓度为10.8 g／m3、风速为1.5 m／s、喷粉时长为255 min下的粉尘沉积分布特征。

由图3可知，平直翅片管换热器表面沉积粉尘最少，且主要沉积在换热管；波纹翅片管换热器的换热管和波纹翅片表面均沉积有一定量粉尘，且积尘程度较平直翅片严重；开窗翅片管换热器表面积尘程度最严重，翅片开窗处几乎完全被粉尘堵塞，且换热管表面也容易形成污垢块。

图3不同翅片类型积灰实物图Fig.3 Dust distribution characteristics on test samples with different fin types

分析粉尘在这三种类型换热器表面沉积特性可知：开窗翅片表面突起的间断缝隙正对着含尘气流，粉尘颗粒物更容易直接撞击并沉积在间断缝隙处，使开窗翅片表面容易被粉尘堵塞。同时由于开窗翅片表面各缝隙的间距较小，粉尘容易在各缝隙间形成较为紧密的污垢团，导致积灰程度较严重。

另外，由于平直翅片和波纹翅片的表面结构相对于开窗翅片更为简单，在相同的换热器横截面积下，两者与含尘气流的接触面积较小，使粉尘颗粒物与换热器表面发生碰撞沉积的概率较小。同时由于平直翅片间距和波纹翅片间距相对于开窗翅片各缝隙的间距较大，积尘生长到一定厚度时容易在重力的作用下从翅片表面脱落。

3.2 翅片类型对粉尘沉积量与压降的影响

图4给出了喷粉浓度10.8 g／m3、风速1.5 m／s、翅片间距1.5 mm、喷粉时长255 min时，不同翅片类型对粉尘沉积量与空气侧压降的影响。粉尘沉积量是通过可视化测试段中垂直升降机与分析天平测得，具体沉积量测量方法参见文献［11］。

由图4（a）可知，开窗翅片管换热器表面积灰量最大，且积灰量达到稳定所需时间最少。与平直片相比，波纹片和开窗片表面积灰量分别提高了25.6% 和52.8%，积灰量达到稳定所需时间分别减少了8.5%和25.5%。这是因为，波纹片纵向呈波纹形，相比于平直片，含尘气流在翅片间流道长度增加，在相同喷粉时间内，与翅片表面发生碰撞沉积的颗粒物数量增多。而对于开窗翅片，表面突起的缝隙增加了迎风面积，在相同的入口风量下提高了迎面风速，使得单位时间内吹向开窗翅片表面的粉尘颗粒物数量增多，减少积灰量达到稳定所需时间。

由图4（b）可知，开窗翅片管换热器积灰后压降最大，且压降达到稳定所需时间最少。开窗翅片、波纹翅片和平直翅片样件压降分别增加了222.8%、 136.3%和116.2%，也即开窗翅片和波纹翅片的压降增量相比平直翅片分别提高了165.6%和44.4%。开窗翅片积灰后压降达到稳定所需时间比波纹翅片与平直翅片分别减少了10.5%和27.9%。这是由于，翅片表面结构越复杂，换热器表面积尘量越多，不断堆积的粉尘引起含尘气流流通面积减小，流动阻力增大，导致空气侧压降增大。

图4翅片类型对粉尘沉积量与压降的影响Fig.4 Effect of fin types on deposition weight and air⁃side pressure drop

由图4（c）可知，相比于平直翅片与波纹翅片，开窗翅片的压降增强因子最大。压降达到稳定时，开窗翅片、波纹翅片和平直翅片的压降增强因子分别为3.24、2.38和2.15。由前文分析可知，开窗翅片的开窗口几乎完全被粉尘堵塞，使压降增加最显著，其压降增强因子最大；波纹翅片表面粉尘沉积量较开窗翅片小，对压降的提升作用没有开窗翅片明显，其压降增强因子较低；而平直翅片结构简单，表面积灰量最少，压降增加最不明显，故其压降增强因子最小。

3.3 翅片间距对粉尘沉积量与压降的影响

图5给出了喷粉浓度10.8 g／m3、风速1.5 m／s、翅片类型开窗翅片、喷粉时长255 min时，不同翅片间距对粉尘沉积量与空气侧压降的影响。

图5翅片间距对粉尘沉积量与压降的影响Fig.5 Effect of fin pitch on deposition weight and air⁃side pressure drop

由图5（a）可知，随着翅片间距减小，积灰量逐渐增大，且积灰量达到稳定所需时间逐渐减少。当翅片间距由1.8 mm逐渐减小到1.3 mm时，达到稳定时积灰量提高了26.2% ～43.2%，所需时间减少了9.3%～17.8%。这是因为，一方面翅片间距越小，含尘气流掠过开窗口时气流边界层越容易遭到破坏，流场不稳定度增强，导致颗粒物在翅片间发生无规则碰撞沉积概率提高。另一方面小翅片间距限制了污垢团在开窗口之间最大尺寸，使堵塞在开窗口之间的污垢团不容易在重力的作用下从翅片表面脱落，提高了积尘量。

由图5（b）可知，随着翅片间距减小，积灰后的空气侧压降逐渐增大，且压降达到稳定时所需时间逐渐减少。翅片间距为1.8 mm、1.5 mm和1.3 mm的样件压降分别增加了221.0%、205.3%和187.2%，即翅片间距为1.3 mm与1.5 mm的样件相比翅片间距为1.8 mm的样件压降增量分别提高了49.4%与24.1%。翅片间距为1.3 mm的样件压降达到稳定所需时间比翅片间距为1.5 mm与1.8 mm的样件分别减少了11.7%和29.4%。这是因为，翅片间距越小，换热器表面积尘量越多，堵塞在换热器迎风面的粉尘导致流通面积减小，含尘气流的流动阻力增大，导致空气侧压降增大。

由图5（c）可知，随着翅片间距减小，压降增强因子逐渐降低。压降达到稳定时，翅片间距为1.8 mm、1.5 mm和1.3 mm样件的压降增强因子分别为3.21、3.05和2.87。一方面小翅片间距能够增大积尘量，使压降增大；另一方面小翅片间距换热器本身积灰前的压降就较大。因此通过这两方面的综合作用，对于小翅片间距的换热器，在喷粉初始阶段其压降增强因子较大，在喷粉后期其压降增强因子比大翅片间距样件的有所降低。

3.4 粉尘沉积量对压降的影响

由图6给出了喷粉浓度10.8 g／m3、风速1.5 m／s、喷粉时长255 min时沉积量对压降影响。

由图6（a）可知，开窗翅片、波纹翅片和平直翅片三种翅片类型下，随着沉积量增加，空气侧压降均先增大后保持稳定。在积灰初期，随着含尘气流中粉尘颗粒在翅片及换热管上不断堆积，污垢层快速生长，使流通面积不断减小，导致压降增大，此阶段压降与沉积量基本呈线性关系。当达到积灰临界点（图中虚线所示）时，粉尘颗粒主要沉积在翅片迎风面前缘并向外延伸，对换热器流通面积基本无影响，导致此阶段压降基本不变。此外，开窗翅片管换热器的积灰临界点高于波纹翅片与平直翅片，这是由于开窗翅片表面结构复杂、各缝隙间距较小，更容易粘附粉尘颗粒，从而使得积灰临界点较高。

图6粉尘沉积量对压降的影响Fig.6 Effect of deposition weight on pressure drop

由图6（b）可知，对于开窗翅片管换热器，翅片间距越小，积灰量对压降提升的作用越显著，由图5（a）分析可知，由于小翅片间距能够快速增大单位时间内的积灰量，使压降增加显著。同时，小翅片间距的积灰临界点较高，原因是翅片间距越小，堵塞在翅片及换热管上的污垢层越不容易脱落。

4 结论

本文搭建了换热器积灰可视化实验台，分析了不同翅片结构对积灰量及积灰后空气侧压降的影响。测试样件的翅片类型包括平直翅片、波纹翅片和开窗翅片，翅片间距范围为1.3～1.8 mm，喷粉工况固定为风速1.5 m／s、喷粉浓度为10.8 g／m3、喷粉时间为255 min，得到如下结论：

1）开窗翅片管换热器表面最容易沉积粉尘并增大积灰后压降。与平直翅片相比，波纹翅片和开窗翅片表面粉尘沉积量分别提高了25.6%和52.8%、积灰后压降增量分别提高了44.4%和165.6%。

2）对于开窗翅片，小翅片间距有利于积灰并增大积灰后压降，与翅片间距为1.8 mm的样件相比，翅片间距为1.5 mm和1.3 mm的样件表面粉尘沉积量分别提高了26.2%和43.2%、积灰后压降增量分别提高了24.1%和49.4%。

3）在积灰过程中，随着粉尘沉积量增加，翅片管换热器空气侧压降先增大后保持稳定。

本文受上海市优秀学术带头人计划（16XD1401500）项目资助。（The project was supported by Program for Excellent Aca⁃demic Leaders of Shanghai（No.16XD1401500）.）

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Experimental Investigation on Influence of Fin Structures on Particle Deposition and Pressure Drop of Fin⁃and⁃tube Heat Exchangers

Tang Jiajun Zhan Feilong Hu Haitao Ding Guoliang Zhuang Dawei
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

The long⁃term performance of fin⁃and⁃tube heat exchangers with different fin structures will decay when covered with dust parti⁃cles.In this paper，a visual experimental rig was established to investigate the effects of fin structures on particle deposition and air⁃side pressure drop.The fin types of test samples covered plain fins，wavy fins and louver fins，and the fin pitches ranged from 1.3 mm to 1.8 mm.The results show that，louver fins are most beneficial to particle deposition；the maximum particle deposition weight on wavy fins and louver fins increased by 25.6%and 52.8%respectively compared with that on plain fins，meanwhile the increment of pressure drop in⁃creased by 44.4%and 165.6%respectively.Small fin pitch can promote particle deposition and increase pressure drop；the maximum particle deposition weight on louver fins with fin pitch of 1.5 mm and 1.3 mm increased by 26.2%and 43.2%respectively compared with that on louver fin with fin pitch of 1.8 mm，meanwhile the increment of pressure drop increased by 24.1%and 49.4%respectively. The air⁃side pressure drop firstly increased then tended to be stable with the increase of particle deposition weight.

fin⁃and⁃tube heat exchanger；particle deposition；pressure drop；fin structure；experimental investigation

TQ051.5；TK124

A

0253－4339（2017）01－0001－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.001

国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51521004）和中国博士后基金（2016M591669）资助项目。（The project was supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Sci⁃ence Foundation of China（No.51521004）and Postdoctoral Science Foun⁃dation of China（No.2016M591669）.）

2016年5月31日

丁国良，男，教授，博士生导师，上海交通大学机械与动力工程学院制冷所，（021）34206378，E⁃mail：glding＠sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空调装置的仿真、优化与新工质应用。

About the corresponding author

Ding Guoliang，male，Ph.D.／professor，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，＋86 21⁃34206378，E⁃mail：glding＠sjtu.edu.cn.Research fields：simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.