冰箱微通道换热器积灰机理研究

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240； 2 上海市高效冷却系统工程技术中心 上海 200240)

近年来，大气颗粒物污染引起人们越来越多的关注，继煤烟型污染、光化学污染之后，人类正在进入以室内空气污染为标志的第三污染时期。在我国，问题愈加明显，室内外PM2.5和TSP浓度均远远高于美国空气质量标准规定的35 μg/m3[1]。室内空气颗粒物污染不仅对人体健康产生影响，对所有暴露于其中的设备均具有一定的影响。国内外学者针对大气颗粒物进行了较多研究，多是针对室外环境，本文研究了室内冰箱的微通道换热器(MHE)积灰机理。冰箱使用一定期限后，位于冰箱底部的MHE表面形成大量污垢，增大了空气侧热阻且减小了空气流通面积，造成MHE空气侧压降增大、换热能力衰减。Y. J. Chang等[2-3]研究了沉积结垢物质特性及分布特点，结果表明沉积结垢主要成分为粉尘颗粒及纤维等。Y. C. Ahn等[4]实验研究了翅片管换热器积灰机理，发现显著影响因素为室内污染物尺寸和浓度、过滤器效率、翅片材料亲水性、翅片结构和片距。Pu Hui等[5]研究了管片式换热器空气侧微生物污染的问题，结果表明微生物污染最多可造成换热器空气侧压降升高41.3%。梁欣等[6]研究了百叶窗波纹翅片换热器在有灰尘的环境中加速积灰过程，结果表明，翅片密度越大，风速和换热量衰减越快。Yan Zhibin等[7]研究了微通道换热器灰尘积累速率与换热器内流体温度的关系，发现微通道换热器内流体温度越高积灰速率越快，且脉动来流会减少积灰。R. Lankinen等[8]研究了管片式换热器积灰对压降及换热效率的影响，实验发现换热效率减小8%～18%，空气侧压降增大200%。唐家俊等[9]搭建了积灰可视化实验台，观测粉尘的分布特征并测定沉积量，研究波纹翅片管换热器表面的粉尘沉积特性，结果表明，粉尘主要沉积在换热器迎风面的翅片前缘及换热管的迎风面上，高风速能够抑制灰尘沉积。I. H. Bell等[10]对比了不同灰尘对换热器积灰的影响，研究了ASHPAE标准粉尘和Arizona Road实验粉尘对微通道换热器空气侧压降和传热性能的影响，结果表明，ASHPAE标准粉尘会对压降产生较大影响，1 612.5 g/m2的粉尘使压降增大200%；Arizona Road实验粉尘使压降无明显变化，但传热量降低了10%。Li Yang等[11]使用ASHREA标准实验粉尘，研究喷射换热器性能的衰减，得到与I. H. Bell等[10]类似的结论，并定义1 612 g/m2粉尘通过量近似为换热器实际工作一年后的污染物通过量。I. H. Bell等[12]通过实验研究发现翅片密度对积灰状况有明显影响。徐博[13]研究了微通道换热器表面积灰成核和堆积过程的特点，总结了减少快速成核区域和减缓成核速度的防积灰原则，提出波纹翅片加风机反吹的长效解决方案。D. Mason等[14]研究得出固体颗粒的沉积分为两个阶段：一是核状颗粒物中的大颗粒物在换热器表面沉积；二是大颗粒物沉积达到一定程度，颗粒物大量沉积，空气侧压降急剧上升。M. G. Mwaba等[15]依据logistic函数研究得出半经验关联式用以预测积灰情况，并提出换热器清洁的有效性可以用成核时间来评定。J. A. Siegel等[16]研究了颗粒污垢沉积机理，结果发现，污垢的影响导致空气流量减少5%～6%，系统效率降低2%～4%。施骏业等[17]研究了颗粒物污染室外换热器对家用空调系统性能的影响，定量分析了积灰对功耗的影响，发现采用微通道换热器的机组性能衰减明显高于原机，制冷量衰减23.2%，功耗增加34.6%，能效衰减43.1%，指出微通道换热器更易受颗粒物污染的影响。

目前大多数学者研究的是换热器结构对积灰的影响，以及积灰对换热器性能的影响和粉尘的沉积特性。本文研究了冰箱微通道换热器(MHE，micro-channel heat exchanger)积灰的外部影响因素，即灰尘种类、风速、相对湿度、是否带电4个因素对MHE积灰的影响。将MHE样件置于换热器积灰可视化实验台上，模拟积灰过程，用压差传感器记录MHE两侧压差的变化情况，并用高清工业相机记录MHE表面积灰情况。

1 实验装置与工况

1.1 实验装置

图1所示为MHE积灰可视化实验台。实验台包括风道系统和粉尘发生装置两部分。风道系统主体材质为亚克力板，总长度为7 m，由离心风机、气流准直器、孔板流量计、气体入口传感器、MHE试样、气体出口传感器和过滤器组成。离心风机向风道送风，经气流准直器后经过喷嘴流量计，其前后设置压差传感器1，用以监测流量，与灰尘混合后流经MHE试样，MHE试样前后也设置压差传感器2，通过数据采集系统获得积灰前后压降数据。粉尘发生装置由轴流风机、高压气泵、灰尘混合器和灰尘给料器组成。进土灰速度控制器可实现匀速加灰，加灰速度设定为200 g/h，通过高压气泵将灰尘吹入灰尘混合区。MHE试样尺寸为13.5 cm×14.5 cm，片间距为2 mm，片高为12 mm，片宽为32 mm。实验中所用各传感器参数如表1所示。

表1 传感器参数Tab.1 The parameters of sensor

1.2 实验工况

积灰的工况参数包括：气流速度、灰尘种类、气流相对湿度和MHE所带电压。实验中采用控制变量的方法，分别研究各参数变化对积灰的影响，其中电压工况点的选取，在实际测量中读取。实验工况分组如表2所示。

通过A2组中不同风速条件下实验对比得出风速对MHE积灰的影响；对比A1、A2和A3得出灰尘种类对MHE积灰的影响；对比A2和A4得出相对湿度对MHE积灰的影响；对比A4和A5得出有/无电压对MHE积灰的影响。

图1 MHE积灰可视化实验台Fig.1 Visualization test bench for ash accumulation of the MHE

测试风速/(m/s)灰尘种类相对湿度/%是否带电A11.0100%颗粒45否A21.0、3.0、4.595%颗粒+5%纤维45否A31.092%颗粒+5%纤维+3%长纤维45否A41.095%颗粒+5%纤维65否A51.095%颗粒+5%纤维65直流5 V

图2所示为某品牌对开门家用冰箱MHE相对湿度随时间的变化。

图2 MHE相对湿度随时间的变化Fig.2 The relative humidity changes with time in the MHE

由图2可知，MHE相对湿度变化范围为60%～70%，相对湿度骤降时为打开冰箱门以模拟家庭使用情况，每小时打开冰箱门15 min。实验中，选择高湿度环境下的相对湿度为65%。

图3所示为该冰箱MHE上所带电压随时间的变化。由图3可知，电压的变化范围为1～5 V，为了准确显示电压对MHE积灰是否有影响，实验中选择直流电压为5 V。

图3 MHE电压随时间的变化Fig.3 Voltage of the MHE changes with time

2 实验结果及分析

2.1 风速对MHE积灰的影响

图4所示为灰尘组成为95%颗粒+5%纤维，相对湿度为45%，MHE不带电的情况下，风速分别为1.0、4.5 m/s时MHE试样空气侧压降、风量与f因子(范宁摩擦系数)随时间的变化，以及风速为3.0 m/s时MHE空气侧压降随时间的变化。

图4 不同风速下MHE空气侧风量、压降和f因子随时间的变化Fig.4 Air-side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time at different wind speeds

由图4(a)可知，A2(1.0 m/s)工况下，风量衰减率为31.7%，空气侧压降稳定在50 Pa以内；A2(4.5 m/s)工况下，风量衰减率为14.2%，空气侧压降先缓慢增大，然后急速增大至208 Pa；A2(3.0 m/s)工况下，空气侧压降约为100 Pa。风速从1.0 m/s增大至3.0 m/s，再增大至4.5 m/s时，压降增长率从451.4%增至910.4%，再减小至353.3%。由图4(b)知，积灰时间相同时，f因子低风速时比高风速时更大，随着时间的增加，低速工况下的f因子增大的速度更快。

图5所示为灰尘组成为95%颗粒+5%纤维，相对湿度为45%，MHE不带电的情况下，风速分别为1.0、4.5 m/s时MHE表面积灰情况对比。

由图5可知，A2(1.0 m/s)工况下，灰尘大量沉积在翅片迎风表面；A2(4.5 m/s)工况下，积灰开始向内扩展。

分析灰尘在不同风速下的沉积特性可知，低风速下风量衰减更大，翅片前缘正对含尘气流，此时气流对附着灰尘的冲击较小，灰尘会首先沉积在翅片前缘，然后在迎风表面渐渐沉积；高风速时，风量衰减较小，含尘气流冲刷MHE迎风表面，将较多灰尘吹入翅片后缘背风处。

2.2 灰尘种类对MHE积灰的影响

图6所示为风速为1.0 m/s，相对湿度为45%，MHE不带电的情况下，灰尘组成分别为100%颗粒、95%颗粒+5%纤维和92%颗粒+5%纤维+3%长纤维时，MHE空气侧压降、风量和f因子随时间的变化。

图5 不同风速下MHE翅片表面积灰情况对比Fig.5 Comparison of air-side fouling on the MHE at different wind speeds

图6不同灰尘种类时MHE空气侧压降、风量和f因子随时间的变化Fig.6 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time under different kinds of dust

由图6(a)可知，A1、A2(1.0 m/s)和A3这3种工况下，空气侧压降增长率分别为8.8%、451.4%和524.9%。A2(1.0 m/s)和A3工况下风量衰减率分别为31.6%和48.7%。由图6(b)可知，A3工况下的f因子增长速度远大于A2(1.0 m/s)工况。

图7所示为风速为1.0 m/s，相对湿度为45%，MHE不带电的情况下，灰尘组成分别为100%颗粒、95%颗粒+5%纤维和92%颗粒+5%纤维+3%长纤维时MHE试样表面积灰情况。

图7 不同灰尘种类时MHE翅片表面积灰情况对比Fig.7 Comparison of air-side fouling on the MHE with different kinds of dust

由图7可知，灰尘特质显著影响MHE表面积灰状况。粉末状灰尘基本不能沉积，随着纤维所占比例增加，积灰速度越来越快，灰尘成分中加入长纤维后，积灰量在很短时间内便可达到最大值。

粉末状灰尘附着在MHE表面，易于被气流冲刷带走，故难以在MHE表面沉积。由于纤维成分不容易被气流冲刷带走，更易附着于MHE表面，含纤维的灰尘中纤维成分之间相互交织，形成灰尘附着面，利于粉末状灰尘的富集，使MHE表面出现灰尘沉积。长纤维更难以通过翅片之间的间隙，被气流冲刷脱落，因此灰尘更容易附着和沉积，很快便充满整个MHE表面。

2.3 相对湿度对MHE积灰的影响

图8所示为风速为1.0 m/s，灰尘组成为95%颗粒+5%纤维，MHE不带电情况下，相对湿度分别为45%和65%时MHE空气侧压降、风量与f因子随时间的变化。

图8不同相对湿度时MHE空气侧压降、风量与f因子随时间的变化Fig.8 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time at different relative humidity

由图8可知，A2(1.0 m/s)和A4工况下的空气侧压降增长率分别为451.4%和385.6%，风量衰减率分别为31.7%和26.4%。随着时间变化，A2(1.0 m/s)工况的f因子始终高于A4工况。当相对湿度较低时，灰尘更容易产生静电，相对湿度为45%时灰尘比65%时更容易沉积。

2.4 电压对MHE积灰的影响

图9所示为风速为1.0 m/s，灰尘组成为95%颗粒+5%纤维，相对湿度为65%时，有/无电压时，MHE空气侧压降、风量与f因子随时间的变化。

图9 有/无电压时MHE空气侧压降、风量与f因子随时间的变化Fig.9 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time with/without voltage

由图9(a)可知，在积灰前期阶段，A5工况下风量衰减速度大于A4工况。随着积灰过程的进行，A4工况的风量衰减速度超过A5工况，最终风量衰减量也超过A5工况。积灰过程进行60 min后，A4和A5工况的空气侧压降增加率分别为385.6%和278.3%，风量衰减率分别为26.4%和18.4%，因此带电与否对积灰的影响相比其他因素较小。由图9(b)可知，A4工况f因子初始时小于A5工况，随着积灰过程的进行，超过A5工况。

在积灰初期，MHE带电情况下更利于纤维状灰尘的附着，因此带电情况下积灰更快，随着积灰过程的进行，带电工况下积累了更多的纤维状灰尘，而纤维状灰尘较颗粒灰尘更为疏松，故最后带电工况下空气侧压降更小，风量的衰减也较少。

2.5 f因子的一阶导数

图10所示为A2(1.0 m/s)、A2(4.5 m/s)、A4和A5 4种工况下MHE的f因子随时间的变化。

图10 不同工况下MHE的f因子随时间的变化Fig.10 f factor in the MHE changes with time under different conditions

由图10可知，f因子在最初15 min变化不大，而在15～40 min期间，f因子逐渐变大，且变化速度加快，40 min后f因子迅速增大且f因子的一阶导数发生阶跃。原因是洁净MHE上积灰初期处于潜伏期，积灰较为困难；而后处于发展期，灰尘积累缓慢但积灰量不断增加，灰尘附着点也不断增多；最后进入积累期，覆盖有一定量灰尘的MHE翅片上积灰较容易，灰尘积累速度迅速增大，积灰量增多。故除灰要在积累期之前进行，避免灰尘大量沉积，严重影响MHE的性能。

3 结论

本文搭建了微通道换热器(MHE)积灰模拟实验台，研究了风速、灰尘种类、相对湿度、是否带电等因素对MHE积灰的影响。其中，风速分别为1.0、3.0、4.5 m/s 3个工况；灰尘种类分为100%颗粒、95%颗粒+5%纤维、92%颗粒+5%纤维+3%长纤维3个工况；相对湿度分别为45%、65%两个工况；是否带电分为无电压和直流电压5 V两个工况，得到如下结论：

1)风速越高，风量衰减及衰减速度越受抑制。当风速为1.0 m/s时，风量衰减率为31.7%；当风速为4.5 m/s时，风量衰减率为14.2%。较低风速下，灰尘沉积在MHE翅片迎风表面；较高风速下，积灰向MHE翅片后缘扩展。

2)粉末状灰尘基本不能沉积，加入纤维成分后，积灰量和积灰速度显著增大，空气侧压降急剧上升。在100%颗粒、95%颗粒+5%纤维、92%颗粒+5%纤维+3%长纤维3种工况空气侧压降增长率分别为8.8%、451.4%、524.9%。95%颗粒+5%纤维、92%颗粒+5%纤维+3%长纤维工况下风量衰减率分别为31.6%和48.7%。

3)高相对湿度抑制了风量衰减。当相对湿度为45%、65%时，空气侧压降增长率分别为451.4%、385.6%，风量衰减率分别为31.7%、26.4%。

4)有电压时，在积灰初期能够加快风量衰减速度，随着积灰的进行，电压的影响逐渐消失，降低了MHE翅片的最大衰减风量。在无电压和直流电压5 V工况下的空气侧压降增加率分别为385.6%和278.3%，风量衰减率分别为26.4%和18.4%。

5)在覆盖有灰尘的MHE翅片上积灰比在洁净的翅片上容易。洁净MHE积灰过程经历潜伏期、发展期和积累期，后趋于平稳。潜伏期灰尘难以积累，发展期积灰缓慢，积累期灰尘迅速大量积累，最后积灰量趋于不变。