翅片换热器表面霜层质量生长特性及平均堵塞率的试验研究

2020-05-12周亚素李后明

流体机械 2020年4期

涛，周亚素，李后明

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.上海湿腾电器有限公司，上海 200000）

0 引言

结霜是制冷与低温领域中常见的一种现象，特别是在低温高湿的冬季制热工况下，空气源热泵系统室外蒸发器表面就会出现结霜情况，此时换热器的换热效果会随着霜层质量的生长及堵塞率的上升而逐渐变差，以至于影响整个系统的制热性能。因此，研究换热器表面霜层质量生长特性及翅片堵塞率是优化换热器除霜规律和确保空气源热泵系统稳定且高效工作所必须考虑的关键性问题。换热器表面结霜一方面增加了换热热阻和空气流动阻力，降低了热泵系统的制热量和可靠性；另一方面，由于与结霜周期不匹配的周期性停机除霜也会进一步减小空气源热泵系统的工作效率。目前，出于对翅片换热器模型的简化以便于研究的原因，进而国内外学者对冷平板表面霜层生长特性及数学模型进行了广泛研究，但对于翅片换热器表面霜层质量生长特性及霜层对于结霜后翅片堵塞状况的研究却较少，而翅片堵塞率也应该作为空气源热泵系统换热器优化设计的关键性因素。因此，研究翅片换热器表面霜层质量生长和翅片堵塞特性对优化空气源热泵换热器的设计具有重要理论意义。

近年来，国内外对于结霜的研究对象从简化的冷平板模型到实际的翅片换热器模型，并主要从结霜机理、霜层生长特性影响因素、霜层物性等3个方面切入研究。

在冷平板结霜模型研究方面，Neal等［1］及Lee等［2］建立了一维平板表面霜层传热传质方程，为结霜模型的建立奠定了基础。Piucco等［3］提出平板表面非均匀霜晶成核数学模型，通过该模型可以分析霜晶成核条件。刘中良等［4］通过试验研究自然对流下竖直平板表面结霜过程，以晶体生长理论为依据，建立了较为完整的冰柱-冰块混合结霜物理模型和一维平板凝华结霜数学模型。王军等［5］对冷平面结霜过程的一维准稳态数学模型进行求解，分析了结霜过程的特征，研究了湿空气流速、相对湿度及冷表面温度对结霜过程的影响。Östin等［6］研究了在不同环境温度、相对湿度和风速下，对受气流作用的水平平板结霜厚度特性的影响。

对霜层热物性的研究是计算霜层生长和致密化过程的关键，Hayash等［7］对霜层热传导等热物性展开了大量的试验研究。Hermes等［8］和Sommers等［9］先后均通过试验和理论对比研究，通过对Jakob关联式进行改进，建立了新型霜层密度半经验公式。孟繁炯［10］提出了水平表面结霜的管子网格多孔介质霜层物理模型，并建立了一维凝华结霜传热传质控制微分方程。顾祥红等［11］依据随机管子多孔介质霜层模型，进一步考虑到了几何结构和壁面温度等因素，建立了更为完善的霜层导热系数表达式，但由于限定了空隙率致使方程不适合结霜晚期。马强等［12-14］对水平冷面上霜层生长过程进行试验及数值模拟，随后又对低温高湿条件下的波纹表面的结霜过程进行了试验研究，分析了冷面温度、湿空气流速及波纹结构等因素对波纹表面冷凝水珠冻结和霜层生长的影响。赵玲倩等［15］研究了不同疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性影响。盛伟等［16］通过试验及数值模拟的方法研究了水平铝表面结霜特性，试验结果表明该模拟模型能够很好预测铝表面结霜。从以上文献可以看出，近年来国内外学者对于平板表面霜层生长特性及模型研究的较为全面。

在翅片换热器模型研究方面，Wu等［17］通过试验研究了不同形式翅片冷表面对霜层分布特性的影响规律，并建立了结霜质量与翅片结构等的无因次经验公式。Kondepud等［18］对翅片换热器表面结霜特性进行研究，定量分析了翅片几何参数等对换热器性能影响。Yang等［19］考虑了结霜对于空气流量的影响，建立了翅片换热器霜层生长模型。张鲁梦等［20］进一步研究了环境温度、相对湿度及迎面风速对翅片换热器表面霜层生长特性的影响规律。李景善等［21］考虑到结霜过程蒸发压力的变化，研究了一台空气源热泵室外换热器表面霜层厚度生长特性及机组动态性能。梁媛媛等［22］测试了平行流换热器在结霜工况下的换热性能，研究了换热器的换热面积及表面换热效率随霜层厚度的变化。朱建民等［23］在焓差法空调器性能试验台上对一个汽车空调用平行流蒸发器的结霜过程进行了试验研究，分析了蒸发器的翅片霜层厚度、结霜量、制冷量和空气压降随结霜时间的变化规律。陈轶光等通过试验研究了进风温度及相对湿度对低温高湿环境下翅片换热器结霜量及结霜厚度等的影响［24-31］。

相较于平板表面结霜特性，目前对于翅片管换热器结霜的研究不够充分，本文通过称重法首次研究载冷剂温度等对于翅片换热器霜层生长特性的影响，并借助霜层的密度-时间关系式［9］，首次提出平均堵塞率概念，进而得出平均堵塞率变化曲线，为优化除霜周期提供新型参考指标和设计依据。

1 试验研究

1.1 试验装置

作者搭建了翅片换热器表面结霜可视化称重试验平台结霜，其结构如图1所示。该试验台主要由空气调节系统、翅片换热器结霜风道循环系统、载冷液制冷循环系统、数据测控采集系统4个部分组成。其中，空气调节系统的主要设备温度控制箱体、加湿器和变频离心风机分别用来调控来流湿空气的温度、相对湿度和迎面风速，用于模拟冬季室外侧工况条件；载冷液制冷循环系统接恒温循环水浴箱，以模拟试件能够达到测试蒸发温度而提供冷源，其中载冷液采用的是体积分数为23%的氯化钙浓溶液；数据测控采集系统有数据采集器和试验称重仪分别用于采集翅片式换热器进风前的空气参数及其霜层质量变化情况。

图1 结霜可视化试验结构示意

表1给出了试验中结霜试件翅片式换热器的结构参数。

表1 翅片换热器结构尺寸参数 mm

1.2 试验过程

确保翅片换热器试件表面干燥，将试件接通恒温水浴箱预冷至温度为0 ℃左右，完全排水拆卸取下换热器经多次称重取平均值记为m0；迅速将试件放入结霜循环风道中，打开风机调至试验条件温度，开始计时；达到试验预定时间后拆卸下试件取出并多次称重取平均值记为，则该工况下该预定时间内的结霜量为m0-。为保证试验准确性及精度，在处理称重数据时采用剔除最大值及最小值，并进行多次试验称重取平均值而达到消除粗大误差减小随机误差的目的。试验过程中所使用的仪器型号及精度见表2。

表2 试验仪器型号及精度

1.3 试验数据处理

在试验过程中，结霜过程中霜层质量是通过试验电子称重仪器而获取的直接测量值，翅片平均堵塞率为计算值，换热器翅片平均堵塞率定义为：结霜之后的霜层在流通方向上的截面积占翅片管换热器总流通面积的比例，通过下式计算。

式中 ε ——翅片间隙堵塞率，%；

m0——翅片换热器净重，g；

ρf——霜层密度，kg/m3，随时间变化；

s ——翅片换热器结霜面积，mm2；

L ——翅片换热器翅片间距，mm。

本文根据文献［9］提供的霜层密度数据，得出霜层的密度-时间关系式如下：

式中 Λ——改进的Jakob数；

t ——结霜时间，s；

θ ——翅片表面接触角，°；

φ——来流空气相对湿度，%；

CP——干空气比热，J/（kg·K）；

isv——升华潜热，J/kg；

Tsat,a——来流空气饱和温度，℃；

Tw——翅片表面温度，℃；

ωa——湿空气含湿量，kg/kg；

ωsat,w——翅片表面饱和空气含湿量，kg/kg。

2 试验结果分析

2.1 迎面风速对翅片换热器霜层质量生长特性及平均堵塞率的影响

迎面风速是影响霜层质量生长变化的重要因素，在迎面风速较高的情况下，更多的湿空气可以进入翅片间空间，进而导致所形成的霜层密度更大，不利于快速除霜；在迎面风速较低的情况下，结霜前期更利于水蒸气在翅片表面凝结附着形成粒状冰晶，霜层密度较为疏松，霜层厚度增加较快导致除霜更加频繁。因此研究迎面风速对于结霜质量生长特性的影响对于换热器除霜是非常有必要的。本文模拟环境温度TS为1 ℃、相对湿度φs为90%的结霜工况，在设定载冷剂温度为Tr为-11 ℃不变的条件下，改变迎面风速分别为V=1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 m/s进行试验。对比了在不同迎面风速V工况下换热器霜层质量生长特性及平均堵塞率随时间的变化差异，如图2，3所示。从图2可以看出，在载冷剂温度为-11 ℃时，随着时间的推移，同一风速下的霜层质量在前20 min增加的速率较快，这也增加了换热器与湿空气之间的传热热阻，所以随后霜层质量增加速率趋于平缓直至趋向于零。在相同结霜时间内，迎面风速越大结霜量就越大。这是由于迎面风速越大则单位时间经过翅片间的水蒸气量就越大，且流速增大使得霜层上方水蒸气浓度变化的传质边界层变得更薄，使得靠近霜面处水蒸气分压较大，从而传质驱动力和相变驱动力都变大。因此导致结霜前期迎面风速越大相同时间内结霜量越大。

图2 不同迎面风速下结霜量随时间变化

图3 不同迎面风速下平均堵塞率随时间变化

从图3可以看出，平均翅片堵塞率的变化趋势与结霜量随时间变化趋势类似，也是结霜前期平均堵塞率增长迅速，然后渐渐趋近一个稳定值，且随着迎面风速的增加，平均堵塞率达到稳定的时间逐渐延后，如图3中曲线L所示。

2.2 载冷液温度对翅片换热器霜层质量生长特性及平均堵塞率的影响

载冷剂温度直接决定换热器表面温度，而换热器表面温度又直接影响霜层表面温度，更低的载冷剂温度会使得霜层表面更低，从而使结霜面附近的水蒸气分压力降低，增加了传质和相变的驱动力，从而使得霜层的结构和厚度均有所变化。本文模拟环境温度TS为1 ℃、相对湿度φs为90%的结霜工况，在设定迎面风速V=1.5 m/s不变的条件下，改变载冷剂温度分别为Tr=-11，-9，-7，-5，-3 ℃进行试验。对比了在不同载冷剂温度（Tr）工况下换热器霜层质量生长特性及平均堵塞率随时间的变化差异，如图4，5所示。

图4 不同载冷液温度下结霜量随时间变化

图5 不同载冷液温度下平均堵塞率随时间变化

由图4可以看出，在进口风速为1.5 m/s下，随着时间的推移，同一载冷剂温度下的霜层质量在结霜前期增加的速率较快，随后霜层质量增加速率趋近一个稳定值；在相同结霜时间内，前15 min时载冷剂温度越低结霜量越大，20 min之后载冷剂温度在-7，-9，-11 ℃的试验工况下霜层质量生长趋势出现反转，相同时间内载冷剂温度低结霜量越小。

从图5可以看出，平均翅片堵塞率的变化趋势与结霜量随时间变化趋势类似，结霜前期载冷剂温度越低平均堵塞率越大，20 min后载冷剂温度在-7，-9，-11 ℃的试验工况下平均堵塞率增长趋势出现反转。

根据结霜量和翅片平均堵塞率随时间变化规律，结合试验过程中对霜层生长的观察。在迎面风速不变的情况下，相同时间内载冷剂温度越低霜层质量越大。如图6所示，由于迎风侧接触到的水蒸气分压力大，致使该处相较于翅片内部及背风侧，其传质驱动力和相变驱动力都大，进而迎风面霜层生长较快导致迎风侧过早堵塞，导致后期结霜变缓。这也是图4中霜层质量生长曲线和图5中平均堵塞率曲线出现交叉的原因。