三排變片距翅片盤管換熱器結霜特性實驗研究

肖宏新 陳觀生 劉良德 羅超鴻 劉湘云 李建國

(1 廣東工業大學材料與能源學院 廣州 510006；2 廣東紐恩泰新能源科技發展有限公司 廣州 511300)

近年來，我國北方地區在“煤改電”政策推動下，空氣源熱泵得到了快速的發展和應用。相比傳統的供暖方式，空氣源熱泵具有節能高效、清潔安全等諸多優勢[1-4]，但在低環境溫度工況下，如在北方冬季低溫高濕度地區，當空氣源熱泵的翅片盤管蒸發器表面溫度低于空氣的露點溫度且低于0 ℃時，換熱器表面會出現結霜現象[5]。霜層不僅增大了翅片盤管表面傳熱熱阻，且結霜嚴重時會造成翅片之間氣流的流通受阻，導致氣流阻力過大，氣流量減小，大幅降低室外蒸發器的傳熱效率，造成室外蒸發器不能滿足換熱要求，同時風機長期在這種不利工況下工作也容易損壞[6-7]。此外，對于固定翅片間距的翅片盤管蒸發器，在低溫高濕工況下空氣源熱泵供熱過程中，容易造成蒸發器前后管排結霜不均勻，通常迎風面翅片盤管結霜最快，更容易導致空氣通道堵塞，需要及時化霜，但頻繁的化霜會帶來供熱系統運行不穩定，增加能耗的問題[8-9]。

針對低環境溫度條件下蒸發器的結霜問題，近年來國內外學者進行了大量研究，為空氣源熱泵在低溫條件下運行的性能提升和除霜設計提供了一定的依據和參考。由于結霜需要空氣中的水分，有學者研究通過固體或液體干燥劑降低蒸發器入口空氣濕度，干燥裝置能抑制結霜的形成，延長除霜間隔，但干燥裝置的結構較復雜，成本較高[10-11]。蒸發器的布置結構也會影響換熱性能，在低溫結霜工況下，蒸發器橫排布置的結構在結霜與化霜特性上優于豎排布置結構[12]。J.S.Park等[13]研究表明，在百葉窗翅片盤管換熱器翅片中心安裝渦流發生器，延緩了換熱器前側結霜太快導致的堵塞，并提升約28%的換熱性能。黃康等[14]研究翅片盤管換熱器結構對霜層生長的影響，發現1.9 mm翅片間距換熱器的平均換熱性能最優，平翅片盤管換熱器換熱表面結霜較慢但換熱量較小。Zhang Long等[15]定量研究了空氣源熱泵機組室外盤管換熱器在兩種翅片間距(2 mm和3.2 mm)下的結霜分布差異，發現3.2 mm翅片間距更有利于確保熱泵供熱的穩定性，更適用于低溫地區。K.Kim等[16]對3種表面處理過的翅片換熱器設置不同翅片間距并進行結霜實驗，發現疏水翅片盤管換熱器因結霜延遲，在循環結霜周期中的整體傳熱效率最大。秦海杰等[17]研究了變片距(10 mm和5 mm)空冷器結霜工況下的性能，數值仿真與實驗結果表明變翅片片距空冷器相比定片距空冷器具有更長除霜周期和更好的傳熱性能。

由上述研究可知，結霜工況下翅片片距對翅片盤管換熱器具有重要影響，而目前許多研究集中于兩排固定大片距與常規間距的對比，對三排變片距翅片盤管換熱器的研究較少，因此本文采用不同翅片間距的翅片盤管換熱器串聯組合的方式進行實驗研究，以低溫恒溫槽提供恒定溫度的乙二醇-水溶液作為制冷工質，通入樣品翅片盤管換熱器內，研究不同翅片間距組合對于換熱器整體換熱性能和結霜特性的影響。

1 實驗對象與裝置

實驗對象為4種不同翅片片距的翅片盤管換熱器，如圖1所示，4種翅片盤管換熱器翅片間距分別為2、3、4、5 mm，均由6根銅管組成，其中銅管外徑均為9.52 mm，管間距均為25 mm，翅片均為親水波紋翅片，翅片厚度均為0.15 mm。每臺翅片盤管換熱器均有一個進口和一個出口，通過軟管將3臺翅片盤管換熱器串聯成5組不同翅片間距組合的三排翅片盤管換熱器樣品，三排翅片盤管換熱器樣品的翅片間距組合如表1所示，將迎風面管排視為第一排，樣品2翅片間距4 mm×3 mm×2 mm表示第一排、第二排、第三排翅片盤管換熱器翅片間距分別為4 mm、3 mm、2 mm。樣品1為固定片距2 mm×2 mm×2 mm的三排翅片盤管換熱器，樣品1作為對照組。換熱器的工質流向方式如圖2所示。

圖1 不同片距翅片盤管換熱器實物Fig.1 Finned tube heat exchanger with different fin pitch

表1 三排變片距翅片盤管換熱器的翅片間距組合Tab.1 The fin pitch combination of three rows finned tube heat exchangers

1低溫恒溫槽；2轉子流量計；3熱電偶TT-T-30；4高精度電子秤；5溫濕度計；6亞克力風道；7變頻風機；8電腦；9 Agilent數據采集儀；10樣品換熱器；11制冷機組；12制冷盤管；13風機；14加熱器；15加濕器。圖3 實驗系統原理Fig.3 The principle of experimental system

圖2 三排變片距翅片盤管換熱器的工質及空氣流向Fig.2 Flow direction of working medium and air flow in three rows of different pitch finned tube heat exchanger

實驗系統原理如圖3所示。實驗在焓差實驗室中進行，以獲得實驗所需的低環溫工況(溫度：2 ℃±0.2 ℃，濕度：85%±2%)，熱電偶通過與數據采集儀連接，自動采集工質進出口和空氣進出口的溫度數據。軸流風機通過調壓器在0～220 V范圍內調整輸出電壓，從而改變風機風速和風量。實驗中風機調至固定電壓140 V，風速由手持風速儀采集測量，由于結霜進行風量會相應改變，風速每1 min測量一次，并測量多個點取平均值作為單次測量風速。

實驗采用體積分數為50%的乙二醇-水溶液作為工質，低溫恒溫槽將槽內的工質制冷到一定溫度后，以恒定流量(0.92～0.96 L/min)通入樣品換熱器內形成循環回路。低溫恒溫槽(型號：DC-2006S)控溫范圍為-20～100 ℃，恒溫波動性為±1 ℃。工質入口、出口以及通過換熱器的空氣進、出口設有T型熱電偶，誤差范圍為0.75%～1%。數據采集儀(型號：Agilent 34972A)與電腦組成數據采集系統，數據采集儀精度為0.004%。玻璃轉子流量計的測量范圍為6～60 L/H，精度等級4級?？諝膺M出口設有濕度計，精度為±2%，使用高精度電子秤稱量結霜質量，電子秤精度為0.1 g。實驗中采用吸風式進風，在管道連接完成后恒溫槽以固定的流量輸出工質，實驗中風機不與亞克力風道直接接觸，避免對結霜電子秤示數產生影響，同時在實驗過程中不會人為接觸到管道或其他部件，管道維持穩定狀態。電子秤示數穩定會以亮燈顯示，根據電子秤穩定亮燈提示每隔1 min記錄一次結霜質量數據。

2 數據處理

數據處理采用對數溫差法。實驗測得的溫度參數分別計算工質溶液側換熱功率Qr和風側換熱功率Qa，取兩者的算數平均值作為樣品換熱器總換熱功率Qhx：

(1)

Qr=mrcp,r(Tr,out-Tr,in)

(2)

Qa=macp,a(Ta,in-Ta,out)+ma(Wa,in-Wa,out)isv

(3)

空氣質量流量ma：

ma=ρavaAf

(4)

換熱器的總傳熱系數K：

(5)

其中：

(6)

3 實驗結果及分析

3.1 變片距對結霜厚度的影響

實驗從系統運行開始，每隔10 min拍攝一次樣品換熱器迎風面管排翅片間距內的結霜圖片，當迎風面管排完全結霜且結霜量增加不顯著后停止實驗，并以此作為一個結霜周期。圖4所示為各樣品迎風面管排結霜情況。樣品1～5的迎風面管排結霜堵塞的時間分別為53、63、82、90、92 min。與固定片距樣品1相比，各組變片距換熱器樣品的結霜堵塞時間均有所增加。樣品3提高了迎面風管排的翅片間距后，結霜堵塞時間相比樣品2延長了19 min。由樣品3、4、5的結霜堵塞時間可知，提高第二排或第三排的翅片間距也可以延長換熱器迎風面管排結霜堵塞的時間，樣品4比樣品3延長了8 min，樣品5比樣品4延長了2 min?？梢钥闯鲈谌懦崞P管換熱器中，提升每一排的翅片間距均有利于延長迎風面管排結霜堵塞的時間，其中提高迎風面管排的翅片間距對于延長迎風面管排結霜堵塞時間最有效，第二排次之，第三排影響最小。

圖4 各樣品迎風面管排結霜情況Fig.4 Frosting condition of windward side pipe row of each sample

3.2 變片距對結霜量的影響

各樣品換熱器的結霜量隨時間的變化如圖5所示。各樣品換熱器在運行開始時結霜量增長速度較快，隨著結霜量增加結霜速度逐漸降低。在相同工況和運行時間內，固定片距的樣品換熱器1的結霜速度最快，在50 min時結霜量達到了67.7 g，樣品2～5的結霜量分別為64.5、51.7、56.0、54.1 g，變片距樣品換熱器結霜速度低于樣品換熱器1的結霜速度，且增加了第一排翅片間距的樣品3～5相對于樣品2的結霜量增長速度更低，可知增加了換熱器迎風面管排的翅片間距對于結霜速度和結霜量有抑制作用。樣品4與樣品5結霜量增長變化相似，在運行90 min時結霜量分別為91.4 g和88.4 g，結霜量差異在3.5%內，變化較小，可知改變第三排翅片間距對換熱器結霜速度和結霜量影響較小。

圖5 換熱器結霜量隨時間的變化Fig.5 The frost quality of the heat exchanger changes with time

3.3 變片距對換熱功率及傳熱系數的影響

圖6和圖7所示分別為樣品換熱器的換熱功率與傳熱系數對比。由圖6可知，結霜對各樣品換熱器的換熱功率有不同程度的影響，樣品1在實驗周期末的換熱功率比t=0時的換熱功率減小71.78%，樣品2～5分別減小57.00%，66.51%、33.25%及35.75%，圖7中各樣品換熱器的傳熱系數也隨時間的增加逐漸減小，反映了結霜對換熱器換熱能力的削弱。圖6中，t=0 min時樣品1的換熱功率最高，但下降速度最快，在t=45 min時樣品1的迎風面管排翅片表面接近完全結霜，換熱功率接近最低值。各變片距樣品換熱器因為增大了翅片間距，傳熱面積小于樣品1，初始的換熱功率也小于樣品1，但在結霜后換熱功率下降速度低于樣品1，因此在結霜中后期階段，變片距翅片盤管換熱器組的換熱功率超過了固定片距換熱器組。可以看出，在結霜初期由于結霜較少及樣品1傳熱面積較大，固定片距換熱器換熱性能較優，但隨著結霜進行，固定片距換熱器的換熱性能衰減更快，在結霜中后期變片距換熱器換熱性能更具優勢。由圖6可知，樣品4和樣品5的換熱功率變化較小，可以推測在換熱器各排翅片間距較大時換熱器的換熱功率受結霜影響較小。表2為各樣品換熱器1個結霜周期內的換熱功率及結霜周期對比。綜合來看在變片距換熱器組中，樣品2的綜合性能較好，在平均換熱功率損失較小的情況下，使迎風面管排發生結霜堵塞的時間延長了10 min。其他樣品如樣品5的平均換熱功率損失較大，但延長結霜堵塞的時間更長，傳熱系數更高。

圖6 換熱器換熱功率對比Fig.6 Comparison of heat transfer per unit heat transfer area of heat exchanger

圖7 換熱器傳熱系數對比Fig.7 Comparison of heat transfer coefficient of heat exchanger

表2 各樣品換熱器的換熱功率及結霜周期對比Tab.2 Comparison of heat transfer and frost period of each sample heat exchanger

4 結論

本文通過將變片距與定片距的翅片盤管換熱器在同一低溫工況下進行結霜及換熱對比實驗，得到如下結論：

1)變片距翅片盤管換熱器能有效延長換熱器迎風面管排發生結霜堵塞的時間，其中增加迎風面管排的翅片間距對延長結霜時間效果最好。樣品3在樣品2的基礎上單獨增加了迎風面管排的翅片間距，迎風面結霜堵塞的時間因此延長了19 min，延長率為30.16%。

2)增加迎風面管排翅片間距對于結霜速度和結霜量有一定的抑制作用，但第三排翅片間距的增加對于結霜速度和結霜量的影響較小。在實際應用中可以通過增加第一排的翅片間距來抑制結霜速度和減少結霜量，并通過減小第三排的翅片間距來增加換熱器傳熱面積和換熱能力。

3)在結霜初期，固定小片距換熱器的換熱功率最高，但隨著結霜進行，固定片距換熱器換熱功率衰減，在結霜中后期變片距翅片盤管換熱器的換熱功率更高。在合理的翅片間距組合下，變片距翅片盤管換熱器可以在不損失過多換熱功率的情況下延長換熱器迎風面管排結霜堵塞的時間，如樣品4平均換熱功率比樣品1低了6.02%，但除霜間隔延長了37 min。

符號說明

Qhx——換熱器換熱功率，W

Qr——溶液側換熱功率，W

Qa——空氣側換熱功率，W

mr——工質質量流量，kg/s

cp,r——工質定壓比熱容，J/(kg·K)

Tr,in、Tr,out——工質入、出口溫度，K

ma——空氣質量流量，kg/s

cp,a——空氣定壓比熱容，J/(kg·K)

Ta,in、Ta,out——空氣入、出口溫度，K

ρa——空氣密度，kg/m3

νa——迎風面風速，m/s

Af——換熱器迎風面面積,m2

φ——相對濕度，%

Wa,in、Wa,out——空氣進、出口含濕量，g/(kg干空氣)

isv——水的升華潛熱，J/kg

K——換熱器總傳熱系數，W/(m2·K)

A——換熱器傳熱面積，m2

ΔT——逆交叉流形式下的對數平均溫差，K。

t——結霜時間，min

本文受廣州市低環境溫度高效空氣源熱泵熱水機組課題(201902010021)資助。(The project was supported by Guangzhou Low Ambient Temperature High Efficiency Air-source Heat Pump Hot Water Unit Project (No.201902010021).)