波紋翅片管換熱器表面粉塵沉積特性的實驗研究

詹飛龍 唐家俊 丁國良 莊大偉

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

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波紋翅片管換熱器表面粉塵沉積特性的實驗研究

詹飛龍 唐家俊 丁國良 莊大偉

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

空調(diào)器室外換熱器大多采用波紋翅片管，因使用過程中表面積灰而導(dǎo)致性能下降。本文通過搭建積灰可視化實驗臺來觀測粉塵的分布特征并測定沉積量，研究波紋翅片管換熱器表面的粉塵沉積特性。其中測試樣件的翅片間距范圍為1.6～3.2 mm，噴粉濃度范圍為80～280 kg/m3，風(fēng)速范圍為1～3 m/s，噴粉時間為15～90 s。研究表明，粉塵主要沉積在換熱器迎風(fēng)面的翅片前緣處以及換熱管的迎風(fēng)面上；翅片間距小時易于粉塵沉積，翅片間距為1.6 mm樣件上的單位面積粉塵沉積量較3.2 mm樣件最多增加了52%；提高噴粉濃度會增加粉塵沉積，噴粉濃度為280 kg/m3下的單位面積粉塵沉積量較80 kg/m3最多增加了88.2%；高風(fēng)速能夠抑制粉塵沉積，風(fēng)速為3 m/s下的單位面積粉塵沉積量較1 m/s最多下降了6.3%。

翅片管式換熱器；粉塵沉積；波紋翅片；實驗研究

波紋翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于居民住宅、商業(yè)建筑和工業(yè)制冷空調(diào)系統(tǒng)中。因波紋形翅片的有效換熱表面積較大、氣流在波紋方向上能通過二次流來強化換熱、成本較低[1]，使得波紋翅片在空調(diào)室外機中應(yīng)用較廣。然而室外機使用一定期限后，受大氣中粉塵顆粒物的影響，室外機換熱器表面會形成大量的粉塵污垢。粉塵污垢會增大空氣側(cè)熱阻并減小空氣流通面積，造成換熱器換熱能力衰減、空氣側(cè)壓降增大。實際調(diào)研數(shù)據(jù)表明使用近7年的房間空調(diào)換熱器由于受積灰的影響，制冷能力會下降10%～15%、空氣側(cè)壓降會增大44%以上[2]。波紋翅片作為空調(diào)室外機換熱器主要的翅片結(jié)構(gòu)形式，其表面所受的粉塵沉積狀況將嚴重影響換熱器的換熱效率。因此為了能夠深入了解粉塵污垢對波紋翅片管換熱器性能衰減的影響機制，有必要對粉塵在波紋翅片管換熱器表面的沉積特性進行研究。

已有對翅片管換熱器積灰的研究主要集中在沉積的粉塵特性、影響積灰的因素、積灰對換熱器性能的影響等。在不同場合受大氣環(huán)境及人為活動的影響，換熱器表面沉積的粉塵顆粒物粒徑存在差異，但總體上均在1～100 μm之間[3-4]。除顆粒物外，沉積在換熱器表面的污垢還包括纖維，如衣物、毛發(fā)和紙屑等[4]。這些成分復(fù)雜的粉塵污垢在換熱器表面的沉積狀況會受到多個因素的影響，包括大氣粉塵濃度、過濾網(wǎng)的過濾效率、空調(diào)實際運行工況、換熱器結(jié)構(gòu)形式等[5-7]。為了快速了解粉塵污垢對換熱器性能衰減的影響，目前的研究方法是通過在換熱器迎風(fēng)面噴射一定總量的粉塵來模擬實際運行的情況[8-10]。特別是中國質(zhì)量認證中心(CQC)于2012年發(fā)布的空調(diào)長效性能標準中針對噴粉實驗做了具體的規(guī)定，要求大氣塵發(fā)出總量為每平方米換熱器表面面積200 g[15]。這些換熱器積灰實驗結(jié)果普遍表明，換熱器經(jīng)噴粉后的制冷量會衰減10%～30%，空氣側(cè)阻力增加30%以上[8-14]。

由于波紋翅片管換熱器在使用過程中的性能變化與直接沉積在換熱器表面的粉塵相關(guān)，因此有必要針對粉塵在換熱器表面的沉積特性進行研究。通過了解粉塵在換熱器表面的分布特征及沉積量大小，可準確、方便地預(yù)測波紋翅片管換熱器的性能變化。

本文的目的即是通過實驗的方法，觀察粉塵在波紋翅片管換熱器表面的分布特征及沉積量大小，并分析粉塵沉積量與波紋翅片結(jié)構(gòu)形式及噴粉工況之間的定量關(guān)系。

1 換熱器表面粉塵沉積實驗方案

1.1 實驗?zāi)康?/p>

本實驗的目的是，在常見的工況和結(jié)構(gòu)條件下，觀察波紋翅片管換熱器表面粉塵沉積的分布特征形態(tài)，測量樣件的積灰量。

變化的工況參數(shù)包括：噴粉濃度和噴粉速度；結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是翅片形式的變化。

1.2 實驗裝置

整個實驗裝置包括風(fēng)道系統(tǒng)、粉塵發(fā)生裝置、測試段和測試樣件，如圖1所示。

風(fēng)道系統(tǒng)用于給測試樣件提供連續(xù)均勻的含塵氣流，包括空壓機和透明風(fēng)道。由可調(diào)風(fēng)量且具有干燥功能的靜音無油空壓機(型號為Greeloy GA-82Y)調(diào)節(jié)氣流源，在風(fēng)道入口處提供穩(wěn)定的風(fēng)速為1～3 m/s的空氣，空氣將粉塵發(fā)生裝置中的粉塵吹出形成含塵氣流，其中空壓機的體積流量測量精度為±2 L/min。采用透明的有機玻璃風(fēng)道引導(dǎo)含塵氣流流經(jīng)測試樣件，便于對換熱器表面的粉塵沉積分布特征進行拍攝。風(fēng)道的橫截面尺寸為50 mm×50 mm、總長為1200 mm，同時將風(fēng)道形狀設(shè)計為Z形，使粉塵顆粒物與空氣充分混合，保證吹向測試樣件的含塵氣流中的粉塵濃度的均勻性。含塵氣流吹向測試樣件后，經(jīng)風(fēng)道系統(tǒng)排向室外。

粉塵發(fā)生裝置的構(gòu)造如圖2所示，采用開縫設(shè)計，每條縫的大小為50 mm×2 mm×3 mm，總計有16條縫。

圖1 實驗原理及裝置圖Fig.1 Schematic diagram and experimental facilities

圖2 粉塵發(fā)生器裝置及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the particle generator

實驗前先將粉塵發(fā)生裝置填充滿粉塵樣品，則粉塵會堆積在各條縫里并裸露在風(fēng)道中。粉塵樣品為白陶土，主要成分為二氧化硅，平均粒徑為10 μm，密度為2.2×103kg/m3。實驗時將填充滿粉塵樣品的發(fā)生裝置插入風(fēng)道中，并在風(fēng)道里留有一定的縫高，風(fēng)道入口處的氣流將每條縫中的粉塵吹出并形成具有一定濃度的含塵氣流，同時粉塵發(fā)生裝置內(nèi)部的粉塵會在自身重力作用下繼續(xù)填充滿風(fēng)道內(nèi)的各條縫中，依此實現(xiàn)噴粉的連續(xù)性。通過調(diào)節(jié)粉塵發(fā)生器插入風(fēng)道中的縫高可以調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)的粉塵吹出總量，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)測試樣件的氣流中的粉塵濃度。

測試段由測試樣件、托盤、分析天平和支撐架組成，如圖3所示。

圖3 測試段結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of test section

在位于測試段位置的風(fēng)道底部開有尺寸為50 mm×56 mm的通道，用于將測試樣件嵌入風(fēng)道中。測試樣件裝在玻璃托盤上，三種測試樣件的質(zhì)量在16～24 g之間，托盤底下安置有分析天平，分析天平

的最大量程為210 g、測量精度為±10 mg。為了能夠準確測得樣件積灰前后的重量，托盤的重量不宜過大，本文選用質(zhì)量為44.3 g的玻璃托盤；同時為了避免超出分析天平的最大量程，采用支撐架來支撐風(fēng)道，保證風(fēng)道不與托盤或分析天平接觸。通過測量經(jīng)一定噴粉時間后的測試樣件重量，可以計算得出測試樣件表面的粉塵沉積量大小。

測量換熱器表面粉塵沉積量的具體實驗方案為：空壓機出來的空氣(壓力為0.2～0.3 MPa)通過有機玻璃風(fēng)道流經(jīng)粉塵發(fā)生裝置，將插入風(fēng)道內(nèi)的粉塵發(fā)生裝置中每條縫里的粉塵吹出，含塵氣流經(jīng)Z形通道繞流后使空氣和粉塵充分混合；通過調(diào)節(jié)空壓機流量和插入風(fēng)道中的粉塵發(fā)生裝置縫高，可以調(diào)節(jié)實驗所需的噴粉速度和噴粉濃度，含塵氣流吹向測試樣件后排向室外；通過風(fēng)道外部的攝像機對測試樣件表面的粉塵沉積分布特征進行拍攝，同時測試樣件積灰前后的重量由分析天平測得。

1.3 實驗樣件與工況

實驗樣件選取為3種典型的空調(diào)用波紋翅片管換熱器，翅片間距分別為1.6 mm、2.2 mm和3.2 mm。樣件的結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖4 測試樣件實物及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of test sample

編號尺寸s×b×y/(mm×mm×mm)翅片間距f/mm管徑d/mm管間距Pt×Pl/(mm×mm)波紋高度h/mm142×56×501.612.732×281.1242×56×502.212.732×281.1342×56×503.212.732×281.1

空調(diào)室外機常見的風(fēng)速范圍為1～3 m/s，本文中噴粉速度分別選取為1 m/s、2 m/s和3 m/s。為了加速粉塵沉積的實驗進程，本文選取的噴粉濃度大于實際大氣環(huán)境中的粉塵濃度，分別為80 kg/m3、160 kg/m3和280 kg/m3。噴粉時間總長為90 s，其中每隔15 s處理一次實驗數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

本文針對粉塵在換熱器表面沉積特性的研究，需要得到各樣件表面單位面積上的粉塵沉積量與不同噴粉濃度和氣流速度之間的關(guān)系。

換熱器單位面積上的粉塵沉積量可由式(1)求得：

(1)

式中：m為單位面積粉塵沉積量，g/m2；m1和m2分別為噴粉前后的樣件質(zhì)量，由分析天平測得，g；Afin為換熱器的空氣側(cè)表面積，m2。

氣流速度v通過調(diào)節(jié)空壓機的風(fēng)量得到，計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：v為氣流速度，m/s； V為空壓機的風(fēng)量，m3/s；Aduct為換熱器迎風(fēng)面積，m2。

(3)

求得粉塵的質(zhì)量流量后，可以計算噴粉濃度c，如式(4)所示：

(4)

式中:c為噴粉濃度，kg/m3?？芍瑖姺蹪舛戎慌c插入風(fēng)道中的粉塵發(fā)生裝置的縫高有關(guān)。

2.2 誤差分析

根據(jù)Moffat[16]方法對實驗過程中的噴粉速度、噴粉濃度以及樣件單位面積上的粉塵沉積量進行誤差分析，分析結(jié)果見表2。

表2 計算參數(shù)的誤差

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 粉塵沉積分布特征分析

圖5～圖7分別給出了三種不同翅片間距的樣件在噴粉速度為2 m/s、噴粉濃度為280 kg/m3、噴粉時長為90 s下的粉塵沉積分布特征圖。

圖5 翅片間距1.6 mm的樣件表面粉塵沉積分布特征Fig.5 Particle deposition distribution characteristic in test sample with fin pitch of 1.6 mm

圖6 翅片間距2.2 mm的樣件表面粉塵沉積分布特征Fig.6 Particle deposition distribution characteristic in test sample with fin pitch of 2.2 mm

圖7 翅片間距3.2 mm的樣件表面粉塵沉積分布特征Fig.7 Particle deposition distribution characteristic in test sample with fin pitch of 3.2 mm

由圖5～圖7可知，大部分粉塵沉積在換熱器迎風(fēng)面的翅片前緣處及換熱管的迎風(fēng)面上，而在換熱器背風(fēng)面的翅片表面上沉積較少。

通過分析粉塵在翅片表面的沉積特性可知，由于翅片前緣正對著含塵氣流，粉塵會首先撞擊并沉積在翅片前緣處，使得翅片前緣處的沉積厚度不斷增大；已沉積的粉塵會阻礙含塵氣流的流動，從而抑制粉塵在翅片后緣的沉積。

另外，由于正對著含塵氣流的換熱管表面為污垢生長的區(qū)域[17-18]，隨著含塵氣流不斷掠過管表面，粉塵會在換熱管迎風(fēng)面上不斷增厚。

3.2 翅片間距對粉塵沉積量的影響

圖8所示為在噴粉速度3 m/s、噴粉濃度280 kg/m3下，翅片間距分別為1.6 mm、2.2 mm和3.2 mm時，換熱器單位面積粉塵沉積量隨時間變化的曲線。

圖8 不同翅片間距對粉塵沉積量的影響Fig.8 Effect of fin pitch on particle deposition mass

由圖8可知，隨著翅片間距的減小，相同噴粉時間內(nèi)的換熱器單位面積粉塵沉積量逐漸增大。當翅片間距由3.2 mm減小為2.2 mm，即減小33%時，單位面積粉塵沉積量平均提高約8.1%；而當翅片間距由3.2 mm減小為1.6 mm，即減小50%時，單位面積粉塵沉積量平均提高約52%。

通過分析可知，在同樣的噴粉濃度和噴粉速度下，翅片間距越小，與粉塵顆粒物接觸的換熱器表面積越大，則粉塵顆粒物在翅片之間發(fā)生碰撞的概率明顯增大，從而導(dǎo)致粉塵顆粒物在翅片表面的沉積量增大。另一方面，翅片間距越小，在換熱管表面沉積的粉塵越不容易被氣流吹走，從而粉塵更容易堆積在換熱管上。

3.3 噴粉濃度對粉塵沉積量的影響

圖9所示為在噴粉速度3 m/s、翅片間距2.2 mm下，噴粉濃度分別為80、160和280 kg/m3時，換熱器單位面積粉塵沉積量隨時間變化的曲線。

由圖9可知，隨著噴粉濃度的增加，相同噴粉時間內(nèi)的換熱器單位面積粉塵沉積量逐漸增大。當噴粉濃度由80 kg/m3增大為160 kg/m3，即增大100%時，單位面積粉塵沉積量平均提高24.3%；而當噴粉濃度由80 kg/m3增大為280 kg/m3，即增大250%時，單位面積粉塵沉積量平均提高88.2%。

這是因為在相同的翅片間距和噴粉速度下，噴粉濃度越大，相同噴粉時間內(nèi)與翅片和換熱管表面發(fā)生碰撞的顆粒物數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致粉塵顆粒物在翅片和換熱管表面的沉積量增大。

圖9 不同噴粉濃度對粉塵沉積量的影響Fig.9 Effect of particle injection concentration on particle deposition mass

3.4 噴粉速度對粉塵沉積量的影響

圖10所示為在噴粉濃度280 kg/m3、翅片間距2.2 mm下，噴粉速度分別為1 m/s、2 m/s和3m/s時，換熱器單位面積粉塵沉積量隨時間變化的曲線。

圖10 不同噴粉速度對粉塵沉積量的影響Fig.10 Effect of air speed on particle deposition mass

由圖10可知，隨著噴粉速度的增大，相同噴粉時間內(nèi)換熱器單位面積粉塵沉積量的變化與噴粉速度不存在正比關(guān)系，而是先增大后減小。當氣流速度由1 m/s增大為2 m/s，即增大100%時，單位面積粉塵沉積量平均提高12.2%；而當氣流速度由1 m/s增大為3 m/s，即增大200%時，單位面積粉塵沉積量平均下降6.3%。

通過分析可知，低風(fēng)速下黏附在翅片和換熱管表面的粉塵顆粒物不容易被氣流帶走，粉塵顆粒物能夠在換熱器表面形成較厚的污垢層，在低風(fēng)速段中隨著風(fēng)速增大，單位時間內(nèi)與換熱器表面發(fā)生碰撞沉積的粉塵顆粒物數(shù)量增多，使得粉塵沉積量增大；而在高風(fēng)速下，粉塵顆粒物在換熱器表面達到一定沉積厚度時容易被氣流吹走，能夠抑制粉塵在換熱器表面沉積。

4 結(jié)論

本文搭建了積灰可視化實驗臺來觀測粉塵在波紋翅片管換熱器表面的分布特征并測定粉塵沉積量，其中測試樣件的翅片間距范圍為1.6～3.2 mm，噴粉濃度范圍為80～280 kg/m3，風(fēng)速范圍為1～3 m/s，噴粉時間15～90 s，得到如下結(jié)論：

1)含塵氣流吹向波紋翅片管換熱器，粉塵主要沉積在換熱器迎風(fēng)面的翅片前緣處以及換熱管的迎風(fēng)面。

2)翅片間距小時易于粉塵沉積；在本文的實驗工況下，翅片間距為1.6 mm樣件的單位面積粉塵沉積量較3.2 mm樣件最多增加了52%。

3)提高噴粉濃度會增加粉塵沉積；在本文的實驗工況下，噴粉濃度為80 kg/m3時的單位面積粉塵沉積量較280 kg/m3最多增加了88.2%。

4)高風(fēng)速能夠抑制粉塵沉積；在本文的實驗工況下，風(fēng)速為3 m/s時的單位面積粉塵沉積量較1 m/s最多下降了6.3%。

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丁國良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院， (021) 34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。

About the corresponding author

Ding Guoliang, male, Ph. D. / professor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 21-34206378, E-mail: glding@sjtu.edu.cn. Research fields: simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

Experimental Study of Particle Deposition Characteristics on Wavy Finned-tube Heat Exchanger

Zhan Feilong Tang Jiajun Ding Guoliang Zhuang Dawei

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

Wavy finned-tube heat exchangers are widely used in outdoor units of air conditioners, and their performance will be decreased when covered by dust particles. The purpose of this paper is to investigate the characteristics of particle deposition on wavy-finned tube heat exchangers. The particle distribution has been observed and the mass of depositing particle has been measured. The range of fin pitch is from 1.6 mm to 3.2 mm, the particle concentration is from 80 kg/m3to 280 kg/m3, the air velocity is from 1 m/s to 3 m/s, and the particle injection time is from 15 s to 90 s. The results show that particles mostly deposit on the leading edge of fins and windward side of tubes. The mass of depositing particle per unit of area increases up to 52% as fin pitch decreases from 3.2 mm to 1.6 mm, meaning that small fin pitch is beneficial to particle deposition. The mass of depositing particle per unit of area increases up to 88.2% with increasing particle injection concentration from 80 kg/m3to 280 kg/m3, indicating that high particle injection concentration is helpful to particle deposition. The mass of depositing particle per unit of area decreases up to 6.3% as air velocity increases from 1m/s to 3 m/s, revealing that high air speed can restrain particle deposition.

finned-tube heat exchanger; particle deposition; wavy fin; experimental investigation

0253- 4339(2016) 02- 0016- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.016

2015年7月4日

TB657.5; TB61+1

A