翅片管换热器在析湿工况下的积灰特性及对空气侧压降的影响

2018-12-11

制冷学报 2018年6期

(上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240)

翅片管换热器是空调系统中常用的换热器类型[1]，减小其空气侧流动阻力能够有效降低空调器功耗并提升整体能效[2]。目前，换热器流动阻力增大的一个重要原因是长期积尘导致换热器翅片表面严重堵塞[3]。

当空调室内机处于制冷运行时，由于换热器翅片温度低于露点温度，空气中水蒸气会在翅片表面析湿[4-5]。与干工况相比，翅片表面含湿更容易形成厚实的结垢层[6]。在积尘过程中根据翅片表面湿度的不同，可以分为淋雨、高湿和析湿3种工况，目前主要研究的有淋水工况和高湿气流两方面。在淋水工况下，淋水量对翅片表面粉尘污垢有冲刷清洁的作用[7-8]。对于高湿气流，湿空气浸湿粉尘颗粒而形成湿颗粒群，其沉积过程总结为成核、生长、移除3个阶段[9-10]。对于析湿工况，析湿后的翅片相比于以上两种情况更容易覆盖粉尘并结垢，导致灰尘堵塞换热器翅片，空气流动阻力增大，空调器性能衰减严重。Y. C. Ahn等[11]发现，空调室内机经7年干湿交替运行后，换热能力衰减了10%～15%，空气侧压降增大了44%。

为了保证空调器的能效水平，对于空调室内机换热器的翅片结构设计，要求室内机换热器在初始运行和长期运行时的流通阻力均不能过大。当室内机换热器处于初始运行时，翅片表面没有积灰，已有研究通过模拟技术[12-13]和实验手段[14-15]来设计和优化翅片结构，以达到降低翅片空气侧流动阻力的目的。当室内机换热器处于长期运行时，翅片表面由于析湿会粘附大量灰尘，造成翅片性能失效并引起流动阻力增大。目前还没有关于不同翅片结构在析湿工况下的积灰特性研究，也无法得知析湿工况下积灰对空气侧压降的影响。

本文针对空调室内机常见的翅片结构，实验研究了翅片管换热器在析湿工况下的积灰特性及对换热器空气侧压降的影响。

1 实验原理与测试样件

1.1 实验原理及装置

为了研究析湿工况下翅片管换热器表面的积灰特性及其对空气侧压降的影响，本实验设计了换热器积灰可视化实验台。该实验台由3个系统和连接风道组成：1)湿空气系统，用于提供特定湿度、风速、温度的湿空气；2)粉尘系统，用于提供特定质量流量的粉尘；3)可视化测试段，用于定时观测并拍摄翅片表面积灰形貌，实时测量翅片积灰后的压降。连接风道用于将湿空气系统提供的湿蒸汽与粉尘系统提供的粉尘混合形成含尘气流并送入可视化测试段。实验原理如图1所示[16]。

1蒸汽混合箱；2 PID控温装置；3螺旋给料机；4粉尘混合箱；5温控探头；6温湿度传感器；7测试样件；8压差传感器；9制冷温控装置。图1 换热器积灰实验原理Fig.1 Experimental principle of heat exchanger fouling particle deposition

此外，为称量粉尘质量，设计了独立的称重系统。在实验初始阶段用分析天平称量干净样件的初始质量。实验过程中每积灰一段时间后，将经湿颗粒沉积后的样件放入电热干燥箱中烘干一段时间后称重，然后再放入干燥箱进行烘干，重复以上操作直至相邻两次质量几乎相等，此时样件达到完全烘干状态，记录此时称重数据并将其与初始质量的差值记为相应时间点的粉尘沉积量数据。重复以上操作并记录多个时间点数据，直至连续3个以上的时间点数据不再变化，则样件积灰量达到稳定，实验结束。

可视化测试段用于实时观测样件表面粉尘沉积形貌并测量积灰过程中的压降，如图2所示。将具有一定相对湿度、风速和粉尘浓度的气流通入测试段，使样件表面沉积粉尘；同时使用温湿度传感器及压差传感器实时测量样件积灰过程中的温湿度及压差。样件表面发生析湿的原理为：半导体制冷片通电后将冷量传递给测试样件，热敏电阻测量导冷铝板的温度并反馈给制冷温控装置进行调节，使样件表面温度低于露点温度而达到析湿工况。

1制冷温控装置；2测试样件；3半导体制冷片；4 热电偶。图2 可视化测试段原理Fig.2 Principle of visualization test section

1.2 测试样件及实验工况

本文选取的测试样件覆盖了常见空调换热器的翅片类型及翅片间距。翅片类型为空调室内机常用的波纹翅片和开窗翅片，为了更深入地对比翅片类型的影响，选取平直翅片作为对比实验。翅片间距范围选为空调器中常用的1.5～2.2 mm。测试样件实物及结构如图3所示。3种翅片类型的测试样件相同的结构参数为：宽×高×长(x×y×z)=20 mm ×84 mm ×25.4 mm；管径dt=7 mm；管间距(Pt×Pl)21 mm ×12.7 mm；管排数为2。各类型的翅片间距如表1所示。

实验工况包括测试段进口温度25 ℃、进口相对湿度80%，进口风速1.5 m/s，具体调节方法参见文献[17]。由于实际大气中粉尘浓度低，实验中需要高粉尘浓度才能加速粉尘沉积进程，因此本文的喷粉浓度选为10.8 g/m3。粉尘成分按照GB 13270—91规定，由包含72%的白陶土和28%的炭黑组成，平均粒径为15 μm。

翅片类型翅片间距FP/mm数据来源平直翅片1.5波纹翅片1.5开窗翅片1.5开窗翅片1.8文献[16]开窗翅片2.2本文

2 数据处理方法及误差分析

2.1 数据处理方法

本实验的粉尘浓度和粉尘沉积量需要通过特定计算关系式得到，空气侧压降和风速则可通过压差传感器和流量计读取。

粉尘浓度c的表达式[3]：

(1)

式中：c为粉尘浓度，g/m3；db、dr分别为螺旋叶片、螺旋杆的直径，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，即在输送过程中物料堆集的截面积和螺旋机截面积的比，本实验为0.95；V为空气体积流量，m3/s。

粉尘沉积量m的表达式：

m=mo-mi

(2)

式中：m为换热器样件的粉尘沉积量，g；mi、mo分别为积灰前、后换热器样件质量，g。

单位面积粉尘沉积量mu的表达式：

(3)

式中：mu为换热器样件单位面积粉尘沉积量，g/m2；Af为换热器样件迎风面的面积，m2。

2.2 误差分析

本实验参数包括直接测量参数与间接计算参数，直接测量参数误差通过实验仪器精度可得，间接计算参数为粉尘沉积量，通过Moffat[18]方法可得，如表2所示。

表2 仪器测量精度及计算参数误差分析Tab.2 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 实验结果与分析

3.1 翅片表面液滴分布

图4所示为3种不同翅片类型换热器样件表面析湿液滴分布实物图。

图4 翅片表面析湿液滴分布Fig.4 Condensate water distribution on fin surface

由图4(a)可知，平直翅片表面光滑平整，湿空气流经时形成均匀流场，液滴分布均匀；波纹翅片表面的波纹凹凸结构使得流场分布不均，导致液滴呈团聚分散状；开窗翅片表面的开缝有扰流作用，液滴多凝聚在开缝处且体积较大。

由图4(b)可知，液滴在翅片间会生长凝聚成液桥。平直翅片表面平滑，液滴受到重力作用易滑落，翅片间液桥较少。波纹翅片表面的波纹凹凸增大了液滴的附着面积，使液桥较多。开窗翅片表面开缝前后对称，液桥受到的对称表面张力使得液桥数目多、体积大，多分布在开缝处。

3.2 翅片表面湿粉尘沉积分布

图5所示为3种不同翅片类型的换热器样件表面湿粉尘沉积分布实物图。

图5 翅片表面湿粉尘沉积分布Fig.5 Wet particle distribution on fin surface

由图5可知，析湿工况下积灰情况受翅片结构的影响，粉尘覆盖程度由高到低依次为开窗翅片、波纹翅片、平直翅片。平直翅片与含尘气流的接触面积小、翅片间液桥少，降低了含尘气流中粉尘颗粒碰撞沉积的概率。波纹翅片的波纹状表面增大了液滴的接触面积，从而形成更多液桥，增大了粉尘颗粒碰撞沉积的概率。开窗翅片对称的开缝结构使翅片间形成大量的大体积液桥，严重阻碍了含尘气流的通过，极大地增加了含尘气流中粉尘颗粒碰撞沉积的概率。

3.3 翅片类型对粉尘沉积量及压降的影响

图6所示为相同实验工况下3种不同翅片类型对翅片管换热器表面粉尘沉积量及压降的影响。

图6 翅片类型对粉尘沉积量及压降的影响Fig.6 Effect of fin types on particle deposition weight and air-side pressure drop

由图6(a)和图6(b)可知，在相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时，翅片表面的粉尘沉积量和单位面积粉尘沉积量由大到小依次为开窗翅片、波纹翅片和平直翅片。与波纹翅片和平直翅片相比，开窗翅片表面粉尘沉积量分别增加了29.6%和62.8%，单位面积粉尘沉积量分别增加了35.8%和58.9%。开窗翅片表面开缝处更易形成大体积液滴与液桥，极大增加了粉尘颗粒碰撞沉积的概率，导致翅片几乎被完全堵塞。而平直翅片在析湿工况下形成较少的液滴与液桥，粉尘碰撞沉积的概率明显小于开窗翅片。

由图6(c)可知，相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时，与波纹翅片和平直翅片相比，开窗翅片的空气侧压降分别增大了19.4%和54.7%。这是因为积灰后压降与翅片堵塞情况呈正相关，粉尘堵塞情况越严重，则流经翅片的含尘气流受到的空气阻力越大，导致空气侧压降越大。

3.4 翅片间距对粉尘沉积量及压降的影响

图7所示为相同实验工况下3种不同翅片间距对翅片管换热器表面粉尘沉积量及压降的影响。

图7 翅片间距对粉尘沉积量及压降的影响Fig.7 Effect of fin pitch on particle deposition weight and air-side pressure drop

由图7(a)和图7(b)可知，相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时，翅片表面的粉尘沉积量和单位面积粉尘沉积量均随片距的减小而增大。与1.8 mm和2.2 mm片距相比，1.5 mm片距样件表面粉尘沉积量分别增加了17.4%和40.7%，单位面积粉尘沉积量增加了6.2%和17.2%。这是因为换热器尺寸一定时，总换热面积随翅片间距的减小而增大，又由于小片距在翅片间更易形成液桥，从而增大粉尘颗粒碰撞沉积的概率。

由图7(c)可知，相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时，翅片空气侧压降随翅片间距的减小而增大。与1.8 mm和2.2 mm片距相比，1.5 mm片距样件的空气侧压降分别增加了16.0%和32.1%。这是因为翅片空气侧压降与翅片迎风面的堵塞情况呈正相关，翅片间距越小的翅片其粉尘堵塞情况越严重，导致空气侧压降越大。

3.5 粉尘沉积量对压降的影响

图8所示为相同实验工况下3种翅片类型和3种翅片间距下表面粉尘沉积量对压降的影响。

图8 粉尘沉积量对压降的影响Fig.8 Effect of particle deposition weight on pressure drop

由图8(a)可知，3种翅片类型下，随着粉尘沉积量的增加，空气侧压降先增大后达到临界点(图中虚线所示)，开窗翅片的临界点最高。在积灰的初始阶段，粉尘与翅片及液桥发生碰撞而不断沉积，导致空气的流动阻力不断增加，空气侧压降增大。当粉尘沉积稳定时，此时空气流道的堵塞情况基本稳定，空气侧压降变化达到稳定。又因开窗翅片间液桥最多，导致粉尘堵塞严重，空气侧压降最大，临界点达到最高。

由图8(b)可知，3种翅片间距下，随着粉尘沉积量的增加，空气侧压降先增大后达到临界点，翅片间距越小的翅片临界点越高。这是因为在相同的积灰环境下，翅片间距越小的翅片其换热面积越大，翅片间液桥越多，使得粉尘更易碰撞沉积且不易脱落，导致粉尘完全堵塞翅片，空气侧压降增大明显，临界点达到最高。

4 讨论

4.1 过滤网对积尘的影响

过滤网的设置会对积尘成分和积尘分布形态产生影响。没有过滤网时，含尘气流将直接吹向换热器表面，使得空气中的颗粒物容易沉积在换热器迎风面。此外，大气中的纤维也容易粘附在换热器表面，由于纤维对颗粒物具有捕集效应，从而有可能加剧换热器表面的积尘程度。而有过滤网时，过滤网的孔径大小会对积尘成分和积尘形态产生影响[19]。当过滤网的孔径足够小时，一方面，含尘气流在吹向换热器表面之前，气流中的部分颗粒物会预先沉积在过滤网上，减少颗粒物在换热器表面的沉积量；另一方面，过滤网会阻隔纤维进入换热器，进一步降低了换热器表面的积尘风险。本文针对不设置过滤网时析湿工况下的积尘特性进行研究，针对过滤网对积尘影响的研究将在后续工作中展开。

4.2 冷凝水对积尘的影响

冷凝水对积尘具有加速沉积和清洁两种作用，由凝水量的大小决定。凝水量小时，由于水对颗粒物具有粘附作用，且颗粒物间的液体饱和度不高，积尘形态主要为黏糊状的粉尘污垢层，会起到加速积尘的效果[20]。凝水量大时，水对颗粒物的粘附作用会达到饱和，颗粒物间的液体饱和度较高，积尘形态主要为液滴状的粉尘污垢，液滴的聚集滑落会起到清洁的效果。因此，当积灰量较小且凝水量足够大时，冷凝水对积灰会起到冲刷清洁的作用[21]。本文研究发现，平直翅片在析湿时积灰速度最慢且积尘量最小，表明冷凝水对表面平整的平直翅片的清洁效果比对波纹翅片和开窗翅片更加明显。