翅片管換熱器在析濕工況下的積灰特性及對空氣側(cè)壓降的影響

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

翅片管換熱器是空調(diào)系統(tǒng)中常用的換熱器類型[1]，減小其空氣側(cè)流動阻力能夠有效降低空調(diào)器功耗并提升整體能效[2]。目前，換熱器流動阻力增大的一個重要原因是長期積塵導致?lián)Q熱器翅片表面嚴重堵塞[3]。

當空調(diào)室內(nèi)機處于制冷運行時，由于換熱器翅片溫度低于露點溫度，空氣中水蒸氣會在翅片表面析濕[4-5]。與干工況相比，翅片表面含濕更容易形成厚實的結(jié)垢層[6]。在積塵過程中根據(jù)翅片表面濕度的不同，可以分為淋雨、高濕和析濕3種工況，目前主要研究的有淋水工況和高濕氣流兩方面。在淋水工況下，淋水量對翅片表面粉塵污垢有沖刷清潔的作用[7-8]。對于高濕氣流，濕空氣浸濕粉塵顆粒而形成濕顆粒群，其沉積過程總結(jié)為成核、生長、移除3個階段[9-10]。對于析濕工況，析濕后的翅片相比于以上兩種情況更容易覆蓋粉塵并結(jié)垢，導致灰塵堵塞換熱器翅片，空氣流動阻力增大，空調(diào)器性能衰減嚴重。Y. C. Ahn等[11]發(fā)現(xiàn)，空調(diào)室內(nèi)機經(jīng)7年干濕交替運行后，換熱能力衰減了10%～15%，空氣側(cè)壓降增大了44%。

為了保證空調(diào)器的能效水平，對于空調(diào)室內(nèi)機換熱器的翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求室內(nèi)機換熱器在初始運行和長期運行時的流通阻力均不能過大。當室內(nèi)機換熱器處于初始運行時，翅片表面沒有積灰，已有研究通過模擬技術(shù)[12-13]和實驗手段[14-15]來設(shè)計和優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)，以達到降低翅片空氣側(cè)流動阻力的目的。當室內(nèi)機換熱器處于長期運行時，翅片表面由于析濕會粘附大量灰塵，造成翅片性能失效并引起流動阻力增大。目前還沒有關(guān)于不同翅片結(jié)構(gòu)在析濕工況下的積灰特性研究，也無法得知析濕工況下積灰對空氣側(cè)壓降的影響。

本文針對空調(diào)室內(nèi)機常見的翅片結(jié)構(gòu)，實驗研究了翅片管換熱器在析濕工況下的積灰特性及對換熱器空氣側(cè)壓降的影響。

1 實驗原理與測試樣件

1.1 實驗原理及裝置

為了研究析濕工況下翅片管換熱器表面的積灰特性及其對空氣側(cè)壓降的影響，本實驗設(shè)計了換熱器積灰可視化實驗臺。該實驗臺由3個系統(tǒng)和連接風道組成：1)濕空氣系統(tǒng)，用于提供特定濕度、風速、溫度的濕空氣；2)粉塵系統(tǒng)，用于提供特定質(zhì)量流量的粉塵；3)可視化測試段，用于定時觀測并拍攝翅片表面積灰形貌，實時測量翅片積灰后的壓降。連接風道用于將濕空氣系統(tǒng)提供的濕蒸汽與粉塵系統(tǒng)提供的粉塵混合形成含塵氣流并送入可視化測試段。實驗原理如圖1所示[16]。

1蒸汽混合箱；2 PID控溫裝置；3螺旋給料機；4粉塵混合箱；5溫控探頭；6溫濕度傳感器；7測試樣件；8壓差傳感器；9制冷溫控裝置。圖1 換熱器積灰實驗原理Fig.1 Experimental principle of heat exchanger fouling particle deposition

此外，為稱量粉塵質(zhì)量，設(shè)計了獨立的稱重系統(tǒng)。在實驗初始階段用分析天平稱量干凈樣件的初始質(zhì)量。實驗過程中每積灰一段時間后，將經(jīng)濕顆粒沉積后的樣件放入電熱干燥箱中烘干一段時間后稱重，然后再放入干燥箱進行烘干，重復以上操作直至相鄰兩次質(zhì)量幾乎相等，此時樣件達到完全烘干狀態(tài)，記錄此時稱重數(shù)據(jù)并將其與初始質(zhì)量的差值記為相應(yīng)時間點的粉塵沉積量數(shù)據(jù)。重復以上操作并記錄多個時間點數(shù)據(jù)，直至連續(xù)3個以上的時間點數(shù)據(jù)不再變化，則樣件積灰量達到穩(wěn)定，實驗結(jié)束。

可視化測試段用于實時觀測樣件表面粉塵沉積形貌并測量積灰過程中的壓降，如圖2所示。將具有一定相對濕度、風速和粉塵濃度的氣流通入測試段，使樣件表面沉積粉塵；同時使用溫濕度傳感器及壓差傳感器實時測量樣件積灰過程中的溫濕度及壓差。樣件表面發(fā)生析濕的原理為：半導體制冷片通電后將冷量傳遞給測試樣件，熱敏電阻測量導冷鋁板的溫度并反饋給制冷溫控裝置進行調(diào)節(jié)，使樣件表面溫度低于露點溫度而達到析濕工況。

1制冷溫控裝置；2測試樣件；3半導體制冷片；4 熱電偶。圖2 可視化測試段原理Fig.2 Principle of visualization test section

1.2 測試樣件及實驗工況

本文選取的測試樣件覆蓋了常見空調(diào)換熱器的翅片類型及翅片間距。翅片類型為空調(diào)室內(nèi)機常用的波紋翅片和開窗翅片，為了更深入地對比翅片類型的影響，選取平直翅片作為對比實驗。翅片間距范圍選為空調(diào)器中常用的1.5～2.2 mm。測試樣件實物及結(jié)構(gòu)如圖3所示。3種翅片類型的測試樣件相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：寬×高×長(x×y×z)=20 mm ×84 mm ×25.4 mm；管徑dt=7 mm；管間距(Pt×Pl)21 mm ×12.7 mm；管排數(shù)為2。各類型的翅片間距如表1所示。

實驗工況包括測試段進口溫度25 ℃、進口相對濕度80%，進口風速1.5 m/s，具體調(diào)節(jié)方法參見文獻[17]。由于實際大氣中粉塵濃度低，實驗中需要高粉塵濃度才能加速粉塵沉積進程，因此本文的噴粉濃度選為10.8 g/m3。粉塵成分按照GB 13270—91規(guī)定，由包含72%的白陶土和28%的炭黑組成，平均粒徑為15 μm。

翅片類型翅片間距FP/mm數(shù)據(jù)來源平直翅片1.5波紋翅片1.5開窗翅片1.5開窗翅片1.8文獻[16]開窗翅片2.2本文

2 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

本實驗的粉塵濃度和粉塵沉積量需要通過特定計算關(guān)系式得到，空氣側(cè)壓降和風速則可通過壓差傳感器和流量計讀取。

粉塵濃度c的表達式[3]：

(1)

式中：c為粉塵濃度，g/m3；db、dr分別為螺旋葉片、螺旋桿的直徑，m；ρ為粉塵顆粒物密度，kg/m3；r為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min；s為螺旋葉片間距，mm；μ為物料填充系數(shù)，即在輸送過程中物料堆集的截面積和螺旋機截面積的比，本實驗為0.95；V為空氣體積流量，m3/s。

粉塵沉積量m的表達式：

m=mo-mi

(2)

式中：m為換熱器樣件的粉塵沉積量，g；mi、mo分別為積灰前、后換熱器樣件質(zhì)量，g。

單位面積粉塵沉積量mu的表達式：

(3)

式中：mu為換熱器樣件單位面積粉塵沉積量，g/m2；Af為換熱器樣件迎風面的面積，m2。

2.2 誤差分析

本實驗參數(shù)包括直接測量參數(shù)與間接計算參數(shù)，直接測量參數(shù)誤差通過實驗儀器精度可得，間接計算參數(shù)為粉塵沉積量，通過Moffat[18]方法可得，如表2所示。

表2 儀器測量精度及計算參數(shù)誤差分析Tab.2 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 翅片表面液滴分布

圖4所示為3種不同翅片類型換熱器樣件表面析濕液滴分布實物圖。

圖4 翅片表面析濕液滴分布Fig.4 Condensate water distribution on fin surface

由圖4(a)可知，平直翅片表面光滑平整，濕空氣流經(jīng)時形成均勻流場，液滴分布均勻；波紋翅片表面的波紋凹凸結(jié)構(gòu)使得流場分布不均，導致液滴呈團聚分散狀；開窗翅片表面的開縫有擾流作用，液滴多凝聚在開縫處且體積較大。

由圖4(b)可知，液滴在翅片間會生長凝聚成液橋。平直翅片表面平滑，液滴受到重力作用易滑落，翅片間液橋較少。波紋翅片表面的波紋凹凸增大了液滴的附著面積，使液橋較多。開窗翅片表面開縫前后對稱，液橋受到的對稱表面張力使得液橋數(shù)目多、體積大，多分布在開縫處。

3.2 翅片表面濕粉塵沉積分布

圖5所示為3種不同翅片類型的換熱器樣件表面濕粉塵沉積分布實物圖。

圖5 翅片表面濕粉塵沉積分布Fig.5 Wet particle distribution on fin surface

由圖5可知，析濕工況下積灰情況受翅片結(jié)構(gòu)的影響，粉塵覆蓋程度由高到低依次為開窗翅片、波紋翅片、平直翅片。平直翅片與含塵氣流的接觸面積小、翅片間液橋少，降低了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。波紋翅片的波紋狀表面增大了液滴的接觸面積，從而形成更多液橋，增大了粉塵顆粒碰撞沉積的概率。開窗翅片對稱的開縫結(jié)構(gòu)使翅片間形成大量的大體積液橋，嚴重阻礙了含塵氣流的通過，極大地增加了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。

3.3 翅片類型對粉塵沉積量及壓降的影響

圖6所示為相同實驗工況下3種不同翅片類型對翅片管換熱器表面粉塵沉積量及壓降的影響。

圖6 翅片類型對粉塵沉積量及壓降的影響Fig.6 Effect of fin types on particle deposition weight and air-side pressure drop

由圖6(a)和圖6(b)可知，在相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達到穩(wěn)定時，翅片表面的粉塵沉積量和單位面積粉塵沉積量由大到小依次為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了29.6%和62.8%，單位面積粉塵沉積量分別增加了35.8%和58.9%。開窗翅片表面開縫處更易形成大體積液滴與液橋，極大增加了粉塵顆粒碰撞沉積的概率，導致翅片幾乎被完全堵塞。而平直翅片在析濕工況下形成較少的液滴與液橋，粉塵碰撞沉積的概率明顯小于開窗翅片。

由圖6(c)可知，相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達到穩(wěn)定時，與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片的空氣側(cè)壓降分別增大了19.4%和54.7%。這是因為積灰后壓降與翅片堵塞情況呈正相關(guān)，粉塵堵塞情況越嚴重，則流經(jīng)翅片的含塵氣流受到的空氣阻力越大，導致空氣側(cè)壓降越大。

3.4 翅片間距對粉塵沉積量及壓降的影響

圖7所示為相同實驗工況下3種不同翅片間距對翅片管換熱器表面粉塵沉積量及壓降的影響。

圖7 翅片間距對粉塵沉積量及壓降的影響Fig.7 Effect of fin pitch on particle deposition weight and air-side pressure drop

由圖7(a)和圖7(b)可知，相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達到穩(wěn)定時，翅片表面的粉塵沉積量和單位面積粉塵沉積量均隨片距的減小而增大。與1.8 mm和2.2 mm片距相比，1.5 mm片距樣件表面粉塵沉積量分別增加了17.4%和40.7%，單位面積粉塵沉積量增加了6.2%和17.2%。這是因為換熱器尺寸一定時，總換熱面積隨翅片間距的減小而增大，又由于小片距在翅片間更易形成液橋，從而增大粉塵顆粒碰撞沉積的概率。

由圖7(c)可知，相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達到穩(wěn)定時，翅片空氣側(cè)壓降隨翅片間距的減小而增大。與1.8 mm和2.2 mm片距相比，1.5 mm片距樣件的空氣側(cè)壓降分別增加了16.0%和32.1%。這是因為翅片空氣側(cè)壓降與翅片迎風面的堵塞情況呈正相關(guān)，翅片間距越小的翅片其粉塵堵塞情況越嚴重，導致空氣側(cè)壓降越大。

3.5 粉塵沉積量對壓降的影響

圖8所示為相同實驗工況下3種翅片類型和3種翅片間距下表面粉塵沉積量對壓降的影響。

圖8 粉塵沉積量對壓降的影響Fig.8 Effect of particle deposition weight on pressure drop

由圖8(a)可知，3種翅片類型下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后達到臨界點(圖中虛線所示)，開窗翅片的臨界點最高。在積灰的初始階段，粉塵與翅片及液橋發(fā)生碰撞而不斷沉積，導致空氣的流動阻力不斷增加，空氣側(cè)壓降增大。當粉塵沉積穩(wěn)定時，此時空氣流道的堵塞情況基本穩(wěn)定，空氣側(cè)壓降變化達到穩(wěn)定。又因開窗翅片間液橋最多，導致粉塵堵塞嚴重，空氣側(cè)壓降最大，臨界點達到最高。

由圖8(b)可知，3種翅片間距下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后達到臨界點，翅片間距越小的翅片臨界點越高。這是因為在相同的積灰環(huán)境下，翅片間距越小的翅片其換熱面積越大，翅片間液橋越多，使得粉塵更易碰撞沉積且不易脫落，導致粉塵完全堵塞翅片，空氣側(cè)壓降增大明顯，臨界點達到最高。

4 討論

4.1 過濾網(wǎng)對積塵的影響

過濾網(wǎng)的設(shè)置會對積塵成分和積塵分布形態(tài)產(chǎn)生影響。沒有過濾網(wǎng)時，含塵氣流將直接吹向換熱器表面，使得空氣中的顆粒物容易沉積在換熱器迎風面。此外，大氣中的纖維也容易粘附在換熱器表面，由于纖維對顆粒物具有捕集效應(yīng)，從而有可能加劇換熱器表面的積塵程度。而有過濾網(wǎng)時，過濾網(wǎng)的孔徑大小會對積塵成分和積塵形態(tài)產(chǎn)生影響[19]。當過濾網(wǎng)的孔徑足夠小時，一方面，含塵氣流在吹向換熱器表面之前，氣流中的部分顆粒物會預先沉積在過濾網(wǎng)上，減少顆粒物在換熱器表面的沉積量；另一方面，過濾網(wǎng)會阻隔纖維進入換熱器，進一步降低了換熱器表面的積塵風險。本文針對不設(shè)置過濾網(wǎng)時析濕工況下的積塵特性進行研究，針對過濾網(wǎng)對積塵影響的研究將在后續(xù)工作中展開。

4.2 冷凝水對積塵的影響

冷凝水對積塵具有加速沉積和清潔兩種作用，由凝水量的大小決定。凝水量小時，由于水對顆粒物具有粘附作用，且顆粒物間的液體飽和度不高，積塵形態(tài)主要為黏糊狀的粉塵污垢層，會起到加速積塵的效果[20]。凝水量大時，水對顆粒物的粘附作用會達到飽和，顆粒物間的液體飽和度較高，積塵形態(tài)主要為液滴狀的粉塵污垢，液滴的聚集滑落會起到清潔的效果。因此，當積灰量較小且凝水量足夠大時，冷凝水對積灰會起到?jīng)_刷清潔的作用[21]。本文研究發(fā)現(xiàn)，平直翅片在析濕時積灰速度最慢且積塵量最小，表明冷凝水對表面平整的平直翅片的清潔效果比對波紋翅片和開窗翅片更加明顯。

5 結(jié)論

1)當換熱器處于析濕工況下運行時，翅片表面的析濕量決定其積灰程度，析濕液滴分布越密集、液橋數(shù)量越多，翅片迎風面的堵塞程度越嚴重且空氣側(cè)壓降越大。

2)開窗翅片表面積灰最多，積灰后壓降增加最明顯。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了29.6%和62.8%，空氣側(cè)壓降分別增大了19.4%和54.7%。因此降低翅片結(jié)構(gòu)復雜度能夠減少翅片表面析濕，從而減輕積塵程度并降低空氣流動阻力。

3)小片距的換熱器表面更易沉積粉塵，積灰后壓降更大。翅片間距為1.5 mm的翅片比1.8 mm和2.2 mm的翅片表面粉塵沉積量分別增加了17.4%和40.7%，積灰后壓降分別增加了16.0%和32.1%。因此適當增大翅片間距能夠降低粉塵沉積量并降低空氣側(cè)壓降。

4)在積灰過程中，隨著換熱器表面粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后趨于穩(wěn)定。