空气源热泵蒸发器结霜分布实验研究

王洪利，张向阳

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210)

引言

近几年，紧随国家提出的“绿水青山就是金山银山”的发展理念，新能源产业凸显优势。空气源热泵作为绿色环保的可再生资源，成功占据了新能源市场的主导地位，也得到了政府和百姓的高度认可[1]。空气源热泵系统在建筑节能中提供的新思路和新技术为节能减排做出了积极的贡献，但在激烈的市场竞争中，空气源热泵也暴露了一些技术、运行中的问题[2,3]。经过多年研究表明，当室外空气温度在-5～5 ℃左右，室外空气相对湿度在70%以上时，热泵机组的室外机翅片表面容易结霜，这也是导致热泵机组冬季运行效果较差的主要原因[4,5]。室外蒸发器迎面风速是影响结霜的重要参数之一，国内外的研究者对此进行了大量的研究。Seker等[6]、Yao等[7]研究结果表明，空气流量越大，其表面结霜越严重。但Yan等[8]得出的结论与上述作者却是完全相反的，即通过换热器流量越小，其表面结霜越严重。针对上述问题，实验考虑了室外蒸发器的结霜过程与风机流量之间的相互影响，对室外换热器迎面风速为0.5 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s的空气源热泵蒸发器进行了系列实验。研究不同迎面风速条件下的结霜规律，并探究结霜使得热泵机组性能迅速恶化的机理。研究室外蒸发器结霜规律为解决热泵空调器工作运行时结霜问题提供理论指导。

1实验装置

1.1 实验原理

实验系统由环境室、换热器、提供低温恒温水的水箱、图像采集系统和测量系统组成。实验在低温实验箱中进行，在实验箱中控制空气温度和相对湿度及风速，使之达到理想值。换热器的表面温度采用布置在铜管弯头处的T型热电偶传感器测量。用温度计和湿度计测量空气的温度和相对湿度。空气流速由变频风机控制，风速利用风速仪来测量。利用高清摄像头在翅片表面前方观察并记录霜层。采用图像处理方法得到翅片表面的霜层厚度。翅片结霜量用电子天平称量。实验系统的原理如图1所示。

图1 实验热泵系统示意图

1.2 设备精度与误差

蒸发器通过低温冷源保证换热器入口温度维持不变，环境温湿度调节系统将实验室内空气调整到预设状态，风量测量系统控制蒸发器前空气入口流速，当空气流过被测试的蒸发器后冷凝结霜，摄像头记录翅片表面结霜形态。

采用T型热电偶测量蒸发器翅片表面温度，触点直径为0.25 mm，测量误差为±0.1 ℃;内部冷源载冷剂为体积分数50%的乙二醇溶液，流量为3.5 L/min，环境温度可控制为-20～40 ℃；环境湿度可控制为50.0%～85.0%；进风的迎面空气温度用PT100热电偶测量，精度±0.1 ℃；变频引风机可控风量0.0～4.5 m/s；结霜实时照片由摄像头定时抓拍。

1.3 实验工况

蒸发器为超细管径的光滑顺排翅片管换热器，参数如表1所示。通过改变来流风速探究不同工况换热器结霜特性，将风速设置为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s，相对湿度设定为80%，翅片表面温度稳定在-10 ℃，空气入口温度稳定在-2 ℃。

表1 蒸发器结构参数

2实验结果与分析

2.1 霜层分布区域比较

实验发现，迎面风速影响结霜区域的分布。观察空气温度为-2 ℃、相对湿度为80%，翅片表面温度为-10℃工况下，换热器迎面风速分别为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s的不同时间的结霜分布。由于结霜量是结霜过程中的累积量, 而对于固定的结霜时间, 不同工况条件下结霜过程可能处于不同的阶段, 不同工况条件下某一时刻的结霜量比较存在明显的不足。选取对比较明显的迎面风速0.5 m/s和2.5 m/s，如图2所示。

图2 不同风速下结霜分布

从图2可以看出，随着室外换热器迎面风速的增大，翅片表面霜层厚度分布出现不均匀性，对于迎面风速为0.5 m/s的工况，霜层在蒸发器翅片边缘地带厚度较厚。0.5 m/s工况下整个翅片的霜层厚度分布较均匀。造成这种现象的原因是翅片边缘的风速低于主流区的空气流速，因而结霜早期边缘地带的初始霜晶没有被吹落，使所有晶核生长成完整的霜层。而主流区翅片表面的霜晶有部分被吹落。使翅片表面的晶核较少，延缓了霜层的生长。从而造成了蒸发器翅片主流区表面霜层厚度较翅片边缘薄。

2.2 霜层厚度与密度的比较

选择霜层厚度为0.8 mm来作为比较的标准是基于以下的考虑：当霜层厚度大于0.8 mm以后，两翅片间霜晶在局部开始出现交错现象，而且在结霜循环后期霜层厚度增长非常快，因此造成总结霜时间的测量可能出现误差。选择霜层厚度为0.8 mm时的结霜时间作为基准进行比较避免了这种误差。同时，保证了不同工况条件下的霜层均处于加速生长段。图3所示为不同迎面风速工况下的霜层厚度，图4所示为不同迎面风速工况下的霜层密度。

图3 不同迎面风速工况下霜层厚度 图4 不同迎面风速工况下霜层密度

从图2结霜分布中可以看到，在0.5 m/s迎面风速条件下，结霜初始时期翅片表面生成的薄冰层并不明显，结霜开始后翅片表面很快形成柱状冰晶，并且始终在高度方向快速生长，这与2.5 m/s的相应工况下翅片表面霜晶的生长模式有所区别的，在较高迎面风速工况下翅片表面霜晶交织成连接的薄冰层，然后逐渐增长厚度和密度。图3和图4表明，低迎面风速条件下霜层厚度生长速度较快，其原因是翅片表面柱状霜晶在高度方向的快速生长模式造成的。从而造成低迎面风速工况下翅片表面霜层比较疏松，这与图4所示的结霜量变化规律是一致的。从图3可以得出，在高风速条件下结霜后期的霜层厚度增长较快，是因为结霜后期霜层堵塞翅片之间的空气通道，2层翅片之间的霜层相互交织，使得空气通道入口边缘的霜层厚度急剧增长。

3结论

(1)空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度增长速度随迎面风速的降低而加快。迎面风速影响霜层在翅片表面的分布，迎面风速较小时霜层均匀分布在蒸发器翅片表面，迎面风速较大时霜层在蒸发器翅片边缘厚度较大，而在主流区霜层厚度较薄。

(2)对霜晶形态的观察发现，低迎面风速时霜层厚度增长速度快是由于翅片表面柱状冰晶始终在高度方向快速生长且没有霜晶被吹落的现象，造成霜层平均密度降低。较高的迎面风速工况下存在霜晶吹落现象，霜层厚度增长较慢且密度较大。

(3)室外换热器低迎面风速对结霜工况下空气源热泵机组的平均性能十分不利，设计时应提高室外换热器迎面风速，以降低霜层增长速度，减缓霜层堵塞翅片之间空气通道的时间。