空调换热器长期运行性能衰减的加速实验研究

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海200240)

房间空调器是一种向房间或封闭空间提供经过处理的空气的设备，包括制冷和制热系统[1]。目前，家用空调器使用5年后，能效衰减率处于基本稳定的水平，但其能效水平通常比目前标准所规定的能效限定值低20%～30%，最低可达54%[2]，空调器能效降低的一个重要原因是空调换热器性能衰减严重[1]。空调换热器是房间空调器中用于对空气进行制冷或制热处理的热交换器，由于长期置于室外，使用一定年限后表面会沉积灰尘颗粒物等进而结垢堵塞，使房间空调器制热、制冷能力减弱，导致空调器整体能效水平大幅下降[1]。研究表明，使用7年后空调换热器的空气侧压降增加超过44%，换热能力下降10%～15%[3]。因此有必要对空调换热器积尘后的性能衰减情况进行研究。

房间空调器室外机普遍使用具有耐腐蚀、易制造、导热系数高等优点的翅片管式换热器。翅片管换热器表面沉积少量粉尘时，粉尘颗粒对气流具有扰动作用，能够强化空气侧换热；但随着运行时间的增加，翅片表面不断增厚的污垢层使传热系数大幅降低，造成换热性能明显下降[4-5]，且对其压降和换热量影响显著[6-7]。 Yang L.等[8]研究表明表冷器在典型工作环境下正常运行6年后，积灰使其空气侧压降增大145%，换热性能衰减14%。积尘对空气侧压降变化的影响大于对空气侧换热的影响。T. R. Bott等[9]研究发现积尘后换热器的换热因子增幅小于摩擦因子增幅，H. J. Lee等[10]研究表明积尘后的单、双排管换热器空气侧压降增幅为22%～37%，而传热系数衰减为4%～12%。

空调换热器在自然环境下的积尘过程不易在实验室操作，到目前为止，还没有关于空调换热器整机积尘的加速实验的相关研究。空调换热器表面的积尘量主要受翅片结构和管排数的影响[11-13]，因此，在研究翅片管换热器积尘后性能的衰减规律时，需要研究不同翅片结构和管排数对换热器表面积灰特性的影响。

本文通过搭建换热器加速积尘测试实验台和换热性能测试实验台，采用加速积尘测试方法对翅片管换热器在室外运行5年后性能衰减率进行加速实验，研究不同翅片类型和管排数对翅片管换热器压降和换热量的影响。

1 加速积尘测试方法

1.1 加速积尘原理

空调器在室外正常运行时，一定质量流量的含尘气流通过换热器时粉尘沉积在换热器表面，导致空调换热器性能衰减。加速积尘测试是指在室外正常运行时通过换热器的粉尘总质量和加速测试过程中通过换热器的粉尘总质量保持一致的前提下，通过提高测试环境中的粉尘浓度来降低测试时间。

当换热器在室外正常运行一段时间后，通过换热器的粉尘总质量为：

M=CQT

(1)

式中：M为实际长期运行时通过换热器的粉尘总质量，g；C为当地大气环境中的粉尘浓度，g/m3；Q为室外环境中通过换热器的空气体积流量，m3/h；T为空调换热器在室外正常运行的时间，h。

当换热器在积尘室内进行加速测试时，通过换热器的粉尘总质量为：

m=cqt

(2)

式中：m为加速测试中通过换热器的粉尘总质量，g；c为加速积尘环境中粉尘浓度，g/m3；q为积尘室内通过换热器的空气体积流量，m3/h；t为空调换热器在积尘室内加速积尘的时间，h。

为了真实模拟实际环境中换热器的积尘过程，换热器实际在室外长期运行时通过换热器的粉尘总质量与在积尘室内加速测试时通过换热器的粉尘总质量应保持一致，即M=m，则：

CQT=cqt

(3)

在积尘室内加速测试时，可以通过调节积尘室内含尘气流的体积流量，使其与实际室外积尘过程中的体积流量相等，即q=Q，化简式(3)得：

CT=ct

(4)

因此，当换热器在室外运行一定年限后表面粉尘沉积量一定时，为达到加速积尘的目的，可通过提高加速测试环境中的粉尘浓度来减少测试时间，即加速积尘测试的基本原理。

1.2 实际积尘与加速积尘的等效关系

经过调研，空调换热器表面粉尘颗粒的主要成分为大气环境中的PM10[1]。本文以上海为例，根据大气气象的调研结果[14]可得当地大气环境中10年间的平均粉尘浓度C(PM10)=85 μg/m3。按国家规定的空调器季节能效比标准，换热器在室外正常制冷运行1年的时间T≈2 399 h[2]。为加速粉尘沉积，本文设定测试浓度c为远大于实际环境粉尘浓度的100 mg/m3。

根据上述调研结果及实验设定的测试浓度，推算实际积尘与加速积尘的等效关系为：当空调换热器在室外粉尘浓度为85 μg/m3下正常运行1年时，对应室内测试浓度为100 mg/m3加速积尘测试2 h。加速积尘测试时间与换热器实际使用时间的等效关系如表1所示。

表1 加速积尘时间与实际使用时间的等效关系Tab.1 The equivalent relationship between the accelerated testing time and the actual use time

1.3 加速测试实验台

基于上述加速测试原理，换热器加速测试技术路线如图1所示。实验包括两部分：换热器加速积尘测试和换热性能测试，因此需分别搭建加速积尘测试实验台和换热性能测试实验台。

图1 换热器加速测试技术路线Fig.1 Technical route of dust deposition accelerating tests of heat exchangers

1)加速积尘测试实验台

加速积尘测试实验台用于提供特定温湿度、粉尘浓度的积尘环境，使置于其中的换热器样件达到加速积尘目的，原理如图2所示。

1风扇；2混合箱；3控制柜；4螺旋给料机；5纤维发生装置；6纤维；7加湿系统；8风道；9积尘室；10箱门；11粉尘浓度仪；12温湿度传感器；13换热器样件；14推车；15除尘装置。图2 换热器加速积尘测试实验台原理Fig.2 The principle of experimental rig for dust deposition accelerating tests of heat exchangers

实验台包括4部分：1)粉尘发生系统，提供具有一定浓度的含纤维粉尘，包括螺旋给料机、控制柜、纤维发生装置、混合箱、风扇，控制柜用于控制螺旋给料机给料速度以控制粉尘的质量流量；2)加湿系统，向含尘气流提供一定的湿度，包括加湿箱、空压机、PID控温装置、电加热棒、流量调节阀，PID控温装置利用温度的负反馈调节机制，通过调节电加热棒的功率来控制湿空气的出口温度；3)风道系统，由不锈钢风管制成，用于引导含尘含纤维气流进入积尘室；4)加速积尘环境，包括积尘室、粉尘浓度仪、温湿度传感器和除尘装置。

加速积尘测试过程：粉尘发生系统通过调节风扇转速和螺旋给料机的控制柜向风道中提供具有一定风速和粉尘浓度的含尘含纤维粉尘，并与加湿系统提供的具有一定温湿度的湿空气混合，由风道通向积尘室，样件通过推车推进积尘室积尘，并实时检测粉尘浓度和温湿度。

2)换热性能测试实验台

换热性能测试实验台用于测试换热器积尘前后的空气侧压降和换热量，研究空调换热器长期运行性能衰减率。根据家用空调器的工作原理，换热性能测试基本原理为管内走水、管外走空气，原理如图3 所示。

1电加热棒；2整流罩；3空气侧温湿度传感器；4空气侧压差传感器；5换热器样件；6风扇； 7恒温水槽；8水泵；9水侧热电偶；10流量计。图3 换热性能测试实验台原理Fig.3 The principle of experimental rig for heat exchanger performance test

实验台包括4个部分：1)测试风道，由具有保温层的不锈钢风管制成，用于引导空气流经测试样件并进行换热；2)送风装置，包括电加热棒、整流罩、吸气风扇，电加热棒用于加热入口空气至一定温度，整流罩用于对空气进行整流，吸气风扇通过调节风扇转速从而控制风道内空气流速；3)水循环装置，用于给换热器测试样件提供水循环，包括恒温水槽、水泵、流量计；4)数据采集系统，包括空气侧温湿度传感器、压差传感器、水侧热电偶。

换热性能测试过程：将换热器样件放入测试风道，利用水循环装置为其提供管内水流，通过恒温水槽保持换热管内水温一致。然后启动送风装置，打开吸气风扇和整流罩，调节风扇转速及整流罩直至气流状态接近空调器正常运行状态，然后使用加热棒加热气流至一定温度，待整个气流的风速、温度稳定后，进行换热性能测试并记录稳定状态下的实验数据。

1.4 测试工况

1)加速积尘测试工况

通过分析空调室外机表面积尘成分发现，室外粒径<10 μm的可吸入颗粒物(PM10)是换热器表面积尘的重要来源[15]。因此在加速积尘测试中，根据GB 13270—91的规定[16]，测试粉尘由28%炭黑和72%白陶土组成，粉尘密度为2.2×103kg/m3，中位径为10 μm，符合实际环境中的粉尘物性。测试中粉尘浓度与测试时间如表1所示。此外，在积尘室内，为了加速积尘进程，根据常用空调室外机翅片管换热器的正常迎流风速，设置风速为1.5 m/s进行积灰实验[17]。

2)换热性能测试工况

在换热性能测试中，根据空调室外机的日常工作环境[2]，设置空气侧进口温度为35 ℃，进口体积流量为0.25 m3/s，水侧进口温度为21 ℃，进口质量流量为0.192 kg/s，风道的风速稳定在1.5 m/s。

1.5 测试样件

测试样件选取不同管排数和翅片类型的翅片管换热器整机。管排数为1～2排管，翅片类型为波纹和平直翅片，覆盖常见的空调室外换热器尺寸及类型。测试样件结构参数如表2所示。

表2 测试样件结构参数Tab.2 Structure parameters of test samples

1.6 加速测试实验步骤

换热器加速测试主要包括加速积尘测试和换热性能测试，实验步骤如下：

1)将干净的换热器样件置于换热性能测试实验台中进行积尘前的换热性能测试，同时记录换热器样件积尘前的换热性能实验数据；

2)调试加速积尘实验台的积尘环境，使积尘环境中风速、温湿度、粉尘浓度达到稳定。然后将样件用推车推进积尘环境，开始加速积尘测试，同时记录加速积尘时间及相应的实验数据；

3)样件在积尘室内每积尘2 h后，取出并放入换热性能测试实验台中进行积尘后的换热性能测试，同时记录换热器积尘2 h后的换热性能数据。对一个换热器样件如此循环5次，直至完成换热器样件积尘10 h后的换热性能测试；

4)按照上述循环，对所有换热器样件进行相同的加速积尘测试和积尘前后的换热性能测试，记录整理相应的实验数据并处理分析。

1.7 加速测试方法可靠性验证

为确保加速测试结果的可靠性，本文调研了4个品牌的换热器整机样件在室外正常积尘5年的额定制冷EER衰减率[2]，并选取了一款常用室外机样件(样件5)进行加速实验，对比结果如图4所示。

图4 额定制冷EER衰减率Fig.4 EER decay rate

由图4可知，当房间空调器使用5年后，EER衰减率基本达到稳定，不再随使用年限的增加而增大。此外，空调器能效性能衰减率不完全呈线性变化，变化为5%～15%[2]。这与测试样件在喷粉浓度为100 mg/m3下的加速积尘10 h后能效衰减率情况基本吻合。因此这种针对空调换热加速测试方法可行。

2 数据处理及误差分析

2.1 数据处理方法

积尘前后换热量Q如式(5)所示：

(5)

式中：Qa为空气侧换热量，kW；Qw为冷却水侧换热量，kW。

采用加热进口空气的方式对换热器进行换热，空气侧换热量Qa：

Qa=ma(ia,in-ia,out)

(6)

式中：ma为空气质量流量，kg/s；ia,in和ia,out分别为进、出口空气的焓值，J/kg。

冷却水侧换热量Qw：

Qw=mwcp(Tout-Tin)

(7)

式中：mw为入口水的质量流量，kg/s；cp为水的比热容，J/(kg·K)；Tin和Tout分别为水侧进、出口温度，K。

2.2 误差分析

本实验涉及参数包括测量参数和计算参数，测量参数误差由仪器精度得到，计算参数包括压降和换热量，由Moffat[18]方法得到，如表3所示。

表3 仪器测量精度及计算参数误差分析Tab.3 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 实验结果与分析

3.1 翅片表面粉尘沉积特征分析

图5所示为不同管排数和翅片类型的换热器整机及翅片积尘5年后表面粉尘分布实物图。

由图5可知，粉尘覆盖程度受翅片结构和管排数的影响。对于不同的翅片类型，波纹翅片表面更容易堆积粉尘颗粒，经过一段时间积尘后，波纹翅片间粉尘颗粒容易结垢并堵塞翅片，导致换热器性能严重下降。而平直翅片由于表面平整，粉尘颗粒容易在重力作用下从翅片表面脱落，故其表面粉尘颗粒的堵塞情况没有波纹翅片严重。对于不同管排数，2排管换热器比1排管表面粉尘堵塞情况严重。一方面，粉尘颗粒容易堆积在换热管与翅片的连接处，随着管排数的增加，翅片与换热管的连接面积增大；另一方面，随着管排数的增加，翅片表面积增大，使粉尘颗粒与换热器表面碰撞沉积的概率变大，导致积尘增多。

图5 翅片样件表面粉尘沉积特征Fig.5 Dust distribution characteristics on test samples

3.2 翅片类型对压降和换热量的影响

图6所示为翅片管换热器加速积尘5年后两种翅片类型对空气侧压降和换热量的影响。

由图6(a)可知，空调使用5年后，翅片管换热器的波纹翅片类型比平直翅片更容易沉积粉尘。波纹翅片和平直翅片换热器积尘后压降增幅分别为29.5%和25.0%，波纹翅片比平直翅片的压降增幅大4.5%。这是因为波纹翅片表面积远大于普通平直翅片，经过一段时间的室外工作后，波纹翅片换热器表面更容易沉积大量粉尘并结垢，最终堵塞换热器翅片的迎风面。当空气流经换热器进行换热时，流经波纹翅片受到的阻力大于流经平直翅片受到的阻力，导致波纹翅片换热器的压降更大。

由图6(b)可知，空调使用5年后，翅片管换热器的波纹翅片换热性能衰减更严重。波纹翅片和平直翅片换热器的换热衰减率分别为19.3%和18.0%，波纹翅片比平直翅片的换热衰减率大1.3%。这是因为，与平直翅片相比，波纹翅片表面凹凸状波纹使翅片表面积增大，因此波纹翅片换热器长期的室外工作使表面的粉尘覆盖程度远高于平直翅片换热器，导致波纹翅片的导热系数大幅降低，严重影响其与空气之间的换热。但因波纹翅片综合换热性能较好，故积尘后的总换热量仍高于平直翅片。

图6 翅片类型对空气侧压降和换热量的影响Fig.6 Effect of fin types on air-side pressure drop and heat transfer

3.3 管排数对压降和换热量的影响

图7所示为翅片管换热器加速积尘5年后两种管排数对空气侧压降和换热量的影响。

图7 管排数对空气侧压降和换热量的影响Fig.7 Effect of tube row number on air-side pressure drop and heat transfer

由图7(a)可知，空调使用5年后，波纹翅片管换热器的2排管比1排管压降增幅更显著。1、2排管换热器积尘后压降增幅分别为21.8%和29.5%，2排管比1排管的压降增幅大7.7%。随着管排数的增加，翅片表面积增大，翅片表面的粉尘覆盖程度更高，空气流动阻力增大。此外，当空气流经换热器时，2排管换热器的空气流道长度是1排管的2倍，含尘气流中的粉尘颗粒更容易碰撞沉积，进一步增大空气流动阻力。同时，2排管由于空气流程长使其积尘前后的压降均远高于1排管。

由图7(b)可知，空调使用5年后，波纹翅片管换热器的2排管比1排管的换热量衰减更大。1排管和2排管换热器积尘后换热衰减率分别为11.2%和19.3%，2排管比1排管的换热衰减率大8.1%。当管排数从1排增至2排时，传热面积变为原来的2倍，积尘量也随传热面积的增大而显著增加。此外，长时间的室外运行使2排管的翅片间粉尘堵塞情况更严重，换热量衰减幅度更大。但2排管由于传热面积大的绝对优势使其积尘后的总换热量仍远高于平直翅片。

4 结论

本文采用加速测试方法对换热器进行加速积尘2～10 h，预测其在室外运行1～5年后的性能衰减效果。根据上述测试方法，本文搭建了加速积尘测试实验台和换热性能测试实验台，研究在粉尘浓度为100 mg/m3、风速为1.5 m/s的积尘环境下，换热器加速积尘5年后不同翅片类型和管排数对压降和换热量的影响规律，结论如下：

1)空调使用5年后，1排管波纹翅片换热器压降增幅为21.8%，换热衰减率为11.2%。2排管波纹翅片换热器压降增幅为29.5%，换热衰减率为19.3%。2排管平直翅片换热器压降增幅为25.0%，换热衰减率为18.0%。

2)当管排数相同时，翅片管换热器波纹翅片比平直翅片更容易积灰，压降增幅更大，换热性能衰减更严重。积尘后波纹翅片的压降增幅比平直翅片大4.5%，波纹翅片的换热衰减率比平直翅片大1.3%。

3)当翅片类型相同时，翅片管换热器2排管比1排管压降增幅更为显著，换热量衰减幅度更大。积尘后波纹翅片2排管的压降增幅比1排管大7.7%，换热衰减率比1排管大8.1%。