空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜分布實(shí)驗(yàn)研究

王洪利，張向陽

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

近幾年，緊隨國家提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，新能源產(chǎn)業(yè)凸顯優(yōu)勢。空氣源熱泵作為綠色環(huán)保的可再生資源，成功占據(jù)了新能源市場的主導(dǎo)地位，也得到了政府和百姓的高度認(rèn)可[1]。空氣源熱泵系統(tǒng)在建筑節(jié)能中提供的新思路和新技術(shù)為節(jié)能減排做出了積極的貢獻(xiàn)，但在激烈的市場競爭中，空氣源熱泵也暴露了一些技術(shù)、運(yùn)行中的問題[2,3]。經(jīng)過多年研究表明，當(dāng)室外空氣溫度在-5～5 ℃左右，室外空氣相對濕度在70%以上時(shí)，熱泵機(jī)組的室外機(jī)翅片表面容易結(jié)霜，這也是導(dǎo)致熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行效果較差的主要原因[4,5]。室外蒸發(fā)器迎面風(fēng)速是影響結(jié)霜的重要參數(shù)之一，國內(nèi)外的研究者對此進(jìn)行了大量的研究。Seker等[6]、Yao等[7]研究結(jié)果表明，空氣流量越大，其表面結(jié)霜越嚴(yán)重。但Yan等[8]得出的結(jié)論與上述作者卻是完全相反的，即通過換熱器流量越小，其表面結(jié)霜越嚴(yán)重。針對上述問題，實(shí)驗(yàn)考慮了室外蒸發(fā)器的結(jié)霜過程與風(fēng)機(jī)流量之間的相互影響，對室外換熱器迎面風(fēng)速為0.5 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s的空氣源熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)。研究不同迎面風(fēng)速條件下的結(jié)霜規(guī)律，并探究結(jié)霜使得熱泵機(jī)組性能迅速惡化的機(jī)理。研究室外蒸發(fā)器結(jié)霜規(guī)律為解決熱泵空調(diào)器工作運(yùn)行時(shí)結(jié)霜問題提供理論指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由環(huán)境室、換熱器、提供低溫恒溫水的水箱、圖像采集系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)在低溫實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)箱中控制空氣溫度和相對濕度及風(fēng)速，使之達(dá)到理想值。換熱器的表面溫度采用布置在銅管彎頭處的T型熱電偶傳感器測量。用溫度計(jì)和濕度計(jì)測量空氣的溫度和相對濕度。空氣流速由變頻風(fēng)機(jī)控制，風(fēng)速利用風(fēng)速儀來測量。利用高清攝像頭在翅片表面前方觀察并記錄霜層。采用圖像處理方法得到翅片表面的霜層厚度。翅片結(jié)霜量用電子天平稱量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)熱泵系統(tǒng)示意圖

1.2 設(shè)備精度與誤差

蒸發(fā)器通過低溫冷源保證換熱器入口溫度維持不變，環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣調(diào)整到預(yù)設(shè)狀態(tài)，風(fēng)量測量系統(tǒng)控制蒸發(fā)器前空氣入口流速，當(dāng)空氣流過被測試的蒸發(fā)器后冷凝結(jié)霜，攝像頭記錄翅片表面結(jié)霜形態(tài)。

采用T型熱電偶測量蒸發(fā)器翅片表面溫度，觸點(diǎn)直徑為0.25 mm，測量誤差為±0.1 ℃;內(nèi)部冷源載冷劑為體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇溶液，流量為3.5 L/min，環(huán)境溫度可控制為-20～40 ℃；環(huán)境濕度可控制為50.0%～85.0%；進(jìn)風(fēng)的迎面空氣溫度用PT100熱電偶測量，精度±0.1 ℃；變頻引風(fēng)機(jī)可控風(fēng)量0.0～4.5 m/s；結(jié)霜實(shí)時(shí)照片由攝像頭定時(shí)抓拍。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

蒸發(fā)器為超細(xì)管徑的光滑順排翅片管換熱器，參數(shù)如表1所示。通過改變來流風(fēng)速探究不同工況換熱器結(jié)霜特性，將風(fēng)速設(shè)置為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s，相對濕度設(shè)定為80%，翅片表面溫度穩(wěn)定在-10 ℃，空氣入口溫度穩(wěn)定在-2 ℃。

表1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 霜層分布區(qū)域比較

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，迎面風(fēng)速影響結(jié)霜區(qū)域的分布。觀察空氣溫度為-2 ℃、相對濕度為80%，翅片表面溫度為-10℃工況下，換熱器迎面風(fēng)速分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s的不同時(shí)間的結(jié)霜分布。由于結(jié)霜量是結(jié)霜過程中的累積量, 而對于固定的結(jié)霜時(shí)間, 不同工況條件下結(jié)霜過程可能處于不同的階段, 不同工況條件下某一時(shí)刻的結(jié)霜量比較存在明顯的不足。選取對比較明顯的迎面風(fēng)速0.5 m/s和2.5 m/s，如圖2所示。

圖2 不同風(fēng)速下結(jié)霜分布

從圖2可以看出，隨著室外換熱器迎面風(fēng)速的增大，翅片表面霜層厚度分布出現(xiàn)不均勻性，對于迎面風(fēng)速為0.5 m/s的工況，霜層在蒸發(fā)器翅片邊緣地帶厚度較厚。0.5 m/s工況下整個(gè)翅片的霜層厚度分布較均勻。造成這種現(xiàn)象的原因是翅片邊緣的風(fēng)速低于主流區(qū)的空氣流速，因而結(jié)霜早期邊緣地帶的初始霜晶沒有被吹落，使所有晶核生長成完整的霜層。而主流區(qū)翅片表面的霜晶有部分被吹落。使翅片表面的晶核較少，延緩了霜層的生長。從而造成了蒸發(fā)器翅片主流區(qū)表面霜層厚度較翅片邊緣薄。

2.2 霜層厚度與密度的比較

選擇霜層厚度為0.8 mm來作為比較的標(biāo)準(zhǔn)是基于以下的考慮：當(dāng)霜層厚度大于0.8 mm以后，兩翅片間霜晶在局部開始出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象，而且在結(jié)霜循環(huán)后期霜層厚度增長非常快，因此造成總結(jié)霜時(shí)間的測量可能出現(xiàn)誤差。選擇霜層厚度為0.8 mm時(shí)的結(jié)霜時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行比較避免了這種誤差。同時(shí)，保證了不同工況條件下的霜層均處于加速生長段。圖3所示為不同迎面風(fēng)速工況下的霜層厚度，圖4所示為不同迎面風(fēng)速工況下的霜層密度。

圖3 不同迎面風(fēng)速工況下霜層厚度 圖4 不同迎面風(fēng)速工況下霜層密度

從圖2結(jié)霜分布中可以看到，在0.5 m/s迎面風(fēng)速條件下，結(jié)霜初始時(shí)期翅片表面生成的薄冰層并不明顯，結(jié)霜開始后翅片表面很快形成柱狀冰晶，并且始終在高度方向快速生長，這與2.5 m/s的相應(yīng)工況下翅片表面霜晶的生長模式有所區(qū)別的，在較高迎面風(fēng)速工況下翅片表面霜晶交織成連接的薄冰層，然后逐漸增長厚度和密度。圖3和圖4表明，低迎面風(fēng)速條件下霜層厚度生長速度較快，其原因是翅片表面柱狀霜晶在高度方向的快速生長模式造成的。從而造成低迎面風(fēng)速工況下翅片表面霜層比較疏松，這與圖4所示的結(jié)霜量變化規(guī)律是一致的。從圖3可以得出，在高風(fēng)速條件下結(jié)霜后期的霜層厚度增長較快，是因?yàn)榻Y(jié)霜后期霜層堵塞翅片之間的空氣通道，2層翅片之間的霜層相互交織，使得空氣通道入口邊緣的霜層厚度急劇增長。

3結(jié)論

(1)空氣源熱泵機(jī)組室外換熱器表面霜層厚度增長速度隨迎面風(fēng)速的降低而加快。迎面風(fēng)速影響霜層在翅片表面的分布，迎面風(fēng)速較小時(shí)霜層均勻分布在蒸發(fā)器翅片表面，迎面風(fēng)速較大時(shí)霜層在蒸發(fā)器翅片邊緣厚度較大，而在主流區(qū)霜層厚度較薄。

(2)對霜晶形態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，低迎面風(fēng)速時(shí)霜層厚度增長速度快是由于翅片表面柱狀冰晶始終在高度方向快速生長且沒有霜晶被吹落的現(xiàn)象，造成霜層平均密度降低。較高的迎面風(fēng)速工況下存在霜晶吹落現(xiàn)象，霜層厚度增長較慢且密度較大。

(3)室外換熱器低迎面風(fēng)速對結(jié)霜工況下空氣源熱泵機(jī)組的平均性能十分不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高室外換熱器迎面風(fēng)速，以降低霜層增長速度，減緩霜層堵塞翅片之間空氣通道的時(shí)間。