三排變片距翅片盤管換熱器結(jié)霜特性實(shí)驗(yàn)研究

肖宏新 陳觀生 劉良德 羅超鴻 劉湘云 李建國(guó)

(1 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣州 510006；2 廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司 廣州 511300)

近年來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)在“煤改電”政策推動(dòng)下，空氣源熱泵得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的供暖方式，空氣源熱泵具有節(jié)能高效、清潔安全等諸多優(yōu)勢(shì)[1-4]，但在低環(huán)境溫度工況下，如在北方冬季低溫高濕度地區(qū)，當(dāng)空氣源熱泵的翅片盤管蒸發(fā)器表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度且低于0 ℃時(shí)，換熱器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[5]。霜層不僅增大了翅片盤管表面?zhèn)鳠釤嶙?，且結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成翅片之間氣流的流通受阻，導(dǎo)致氣流阻力過(guò)大，氣流量減小，大幅降低室外蒸發(fā)器的傳熱效率，造成室外蒸發(fā)器不能滿足換熱要求，同時(shí)風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在這種不利工況下工作也容易損壞[6-7]。此外，對(duì)于固定翅片間距的翅片盤管蒸發(fā)器，在低溫高濕工況下空氣源熱泵供熱過(guò)程中，容易造成蒸發(fā)器前后管排結(jié)霜不均勻，通常迎風(fēng)面翅片盤管結(jié)霜最快，更容易導(dǎo)致空氣通道堵塞，需要及時(shí)化霜，但頻繁的化霜會(huì)帶來(lái)供熱系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，增加能耗的問(wèn)題[8-9]。

針對(duì)低環(huán)境溫度條件下蒸發(fā)器的結(jié)霜問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，為空氣源熱泵在低溫條件下運(yùn)行的性能提升和除霜設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)和參考。由于結(jié)霜需要空氣中的水分，有學(xué)者研究通過(guò)固體或液體干燥劑降低蒸發(fā)器入口空氣濕度，干燥裝置能抑制結(jié)霜的形成，延長(zhǎng)除霜間隔，但干燥裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高[10-11]。蒸發(fā)器的布置結(jié)構(gòu)也會(huì)影響換熱性能，在低溫結(jié)霜工況下，蒸發(fā)器橫排布置的結(jié)構(gòu)在結(jié)霜與化霜特性上優(yōu)于豎排布置結(jié)構(gòu)[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(fā)生器，延緩了換熱器前側(cè)結(jié)霜太快導(dǎo)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(jié)構(gòu)對(duì)霜層生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)1.9 mm翅片間距換熱器的平均換熱性能最優(yōu)，平翅片盤管換熱器換熱表面結(jié)霜較慢但換熱量較小。Zhang Long等[15]定量研究了空氣源熱泵機(jī)組室外盤管換熱器在兩種翅片間距(2 mm和3.2 mm)下的結(jié)霜分布差異，發(fā)現(xiàn)3.2 mm翅片間距更有利于確保熱泵供熱的穩(wěn)定性，更適用于低溫地區(qū)。K.Kim等[16]對(duì)3種表面處理過(guò)的翅片換熱器設(shè)置不同翅片間距并進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疏水翅片盤管換熱器因結(jié)霜延遲，在循環(huán)結(jié)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(jié)霜工況下的性能，數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明變翅片片距空冷器相比定片距空冷器具有更長(zhǎng)除霜周期和更好的傳熱性能。

由上述研究可知，結(jié)霜工況下翅片片距對(duì)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(guī)間距的對(duì)比，對(duì)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(lián)組合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(zhì)，通入樣品翅片盤管換熱器內(nèi)，研究不同翅片間距組合對(duì)于換熱器整體換熱性能和結(jié)霜特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與裝置

實(shí)驗(yàn)對(duì)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(tái)翅片盤管換熱器均有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，通過(guò)軟管將3臺(tái)翅片盤管換熱器串聯(lián)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(fēng)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(duì)照組。換熱器的工質(zhì)流向方式如圖2所示。

圖1 不同片距翅片盤管換熱器實(shí)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(zhuǎn)子流量計(jì)；3熱電偶TT-T-30；4高精度電子秤；5溫濕度計(jì)；6亞克力風(fēng)道；7變頻風(fēng)機(jī)；8電腦；9 Agilent數(shù)據(jù)采集儀；10樣品換熱器；11制冷機(jī)組；12制冷盤管；13風(fēng)機(jī)；14加熱器；15加濕器。圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(zhì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，以獲得實(shí)驗(yàn)所需的低環(huán)溫工況(溫度：2 ℃±0.2 ℃，濕度：85%±2%)，熱電偶通過(guò)與數(shù)據(jù)采集儀連接，自動(dòng)采集工質(zhì)進(jìn)出口和空氣進(jìn)出口的溫度數(shù)據(jù)。軸流風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)壓器在0～220 V范圍內(nèi)調(diào)整輸出電壓，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)調(diào)至固定電壓140 V，風(fēng)速由手持風(fēng)速儀采集測(cè)量，由于結(jié)霜進(jìn)行風(fēng)量會(huì)相應(yīng)改變，風(fēng)速每1 min測(cè)量一次，并測(cè)量多個(gè)點(diǎn)取平均值作為單次測(cè)量風(fēng)速。

實(shí)驗(yàn)采用體積分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇-水溶液作為工質(zhì)，低溫恒溫槽將槽內(nèi)的工質(zhì)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(nèi)形成循環(huán)回路。低溫恒溫槽(型號(hào)：DC-2006S)控溫范圍為-20～100 ℃，恒溫波動(dòng)性為±1 ℃。工質(zhì)入口、出口以及通過(guò)換熱器的空氣進(jìn)、出口設(shè)有T型熱電偶，誤差范圍為0.75%～1%。數(shù)據(jù)采集儀(型號(hào)：Agilent 34972A)與電腦組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集儀精度為0.004%。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測(cè)量范圍為6～60 L/H，精度等級(jí)4級(jí)?？諝膺M(jìn)出口設(shè)有濕度計(jì)，精度為±2%，使用高精度電子秤稱量結(jié)霜質(zhì)量，電子秤精度為0.1 g。實(shí)驗(yàn)中采用吸風(fēng)式進(jìn)風(fēng)，在管道連接完成后恒溫槽以固定的流量輸出工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)不與亞克力風(fēng)道直接接觸，避免對(duì)結(jié)霜電子秤示數(shù)產(chǎn)生影響，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)人為接觸到管道或其他部件，管道維持穩(wěn)定狀態(tài)。電子秤示數(shù)穩(wěn)定會(huì)以亮燈顯示，根據(jù)電子秤穩(wěn)定亮燈提示每隔1 min記錄一次結(jié)霜質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用對(duì)數(shù)溫差法。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度參數(shù)分別計(jì)算工質(zhì)溶液側(cè)換熱功率Qr和風(fēng)側(cè)換熱功率Qa，取兩者的算數(shù)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(zhì)量流量ma：

ma=ρa(bǔ)vaAf

(4)

換熱器的總傳熱系數(shù)K：

(5)

其中：

(6)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 變片距對(duì)結(jié)霜厚度的影響

實(shí)驗(yàn)從系統(tǒng)運(yùn)行開始，每隔10 min拍攝一次樣品換熱器迎風(fēng)面管排翅片間距內(nèi)的結(jié)霜圖片，當(dāng)迎風(fēng)面管排完全結(jié)霜且結(jié)霜量增加不顯著后停止實(shí)驗(yàn)，并以此作為一個(gè)結(jié)霜周期。圖4所示為各樣品迎風(fēng)面管排結(jié)霜情況。樣品1～5的迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞的時(shí)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(jié)霜堵塞時(shí)間均有所增加。樣品3提高了迎面風(fēng)管排的翅片間距后，結(jié)霜堵塞時(shí)間相比樣品2延長(zhǎng)了19 min。由樣品3、4、5的結(jié)霜堵塞時(shí)間可知，提高第二排或第三排的翅片間距也可以延長(zhǎng)換熱器迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞的時(shí)間，樣品4比樣品3延長(zhǎng)了8 min，樣品5比樣品4延長(zhǎng)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(zhǎng)迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞的時(shí)間，其中提高迎風(fēng)面管排的翅片間距對(duì)于延長(zhǎng)迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞時(shí)間最有效，第二排次之，第三排影響最小。

圖4 各樣品迎風(fēng)面管排結(jié)霜情況Fig.4 Frosting condition of windward side pipe row of each sample

3.2 變片距對(duì)結(jié)霜量的影響

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

圖5 換熱器結(jié)霜量隨時(shí)間的變化Fig.5 The frost quality of the heat exchanger changes with time

3.3 變片距對(duì)換熱功率及傳熱系數(shù)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(shù)對(duì)比。由圖6可知，結(jié)霜對(duì)各樣品換熱器的換熱功率有不同程度的影響，樣品1在實(shí)驗(yàn)周期末的換熱功率比t=0時(shí)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(shù)也隨時(shí)間的增加逐漸減小，反映了結(jié)霜對(duì)換熱器換熱能力的削弱。圖6中，t=0 min時(shí)樣品1的換熱功率最高，但下降速度最快，在t=45 min時(shí)樣品1的迎風(fēng)面管排翅片表面接近完全結(jié)霜，換熱功率接近最低值。各變片距樣品換熱器因?yàn)樵龃罅顺崞g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(jié)霜后換熱功率下降速度低于樣品1，因此在結(jié)霜中后期階段，變片距翅片盤管換熱器組的換熱功率超過(guò)了固定片距換熱器組。可以看出，在結(jié)霜初期由于結(jié)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(yōu)，但隨著結(jié)霜進(jìn)行，固定片距換熱器的換熱性能衰減更快，在結(jié)霜中后期變片距換熱器換熱性能更具優(yōu)勢(shì)。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(cè)在換熱器各排翅片間距較大時(shí)換熱器的換熱功率受結(jié)霜影響較小。表2為各樣品換熱器1個(gè)結(jié)霜周期內(nèi)的換熱功率及結(jié)霜周期對(duì)比。綜合來(lái)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(fēng)面管排發(fā)生結(jié)霜堵塞的時(shí)間延長(zhǎng)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(zhǎng)結(jié)霜堵塞的時(shí)間更長(zhǎng)，傳熱系數(shù)更高。

圖6 換熱器換熱功率對(duì)比Fig.6 Comparison of heat transfer per unit heat transfer area of heat exchanger

圖7 換熱器傳熱系數(shù)對(duì)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(jié)霜周期對(duì)比Tab.2 Comparison of heat transfer and frost period of each sample heat exchanger

4 結(jié)論

本文通過(guò)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(jìn)行結(jié)霜及換熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)變片距翅片盤管換熱器能有效延長(zhǎng)換熱器迎風(fēng)面管排發(fā)生結(jié)霜堵塞的時(shí)間，其中增加迎風(fēng)面管排的翅片間距對(duì)延長(zhǎng)結(jié)霜時(shí)間效果最好。樣品3在樣品2的基礎(chǔ)上單獨(dú)增加了迎風(fēng)面管排的翅片間距，迎風(fēng)面結(jié)霜堵塞的時(shí)間因此延長(zhǎng)了19 min，延長(zhǎng)率為30.16%。

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

3)在結(jié)霜初期，固定小片距換熱器的換熱功率最高，但隨著結(jié)霜進(jìn)行，固定片距換熱器換熱功率衰減，在結(jié)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(guò)多換熱功率的情況下延長(zhǎng)換熱器迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞的時(shí)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(zhǎng)了37 min。

符號(hào)說(shuō)明

Qhx——換熱器換熱功率，W

Qr——溶液側(cè)換熱功率，W

Qa——空氣側(cè)換熱功率，W

mr——工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s

cp,r——工質(zhì)定壓比熱容，J/(kg·K)

Tr,in、Tr,out——工質(zhì)入、出口溫度，K

ma——空氣質(zhì)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(bǔ)——空氣密度，kg/m3

νa——迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s

Af——換熱器迎風(fēng)面面積,m2

φ——相對(duì)濕度，%

Wa,in、Wa,out——空氣進(jìn)、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(shù)，W/(m2·K)

A——換熱器傳熱面積，m2

ΔT——逆交叉流形式下的對(duì)數(shù)平均溫差，K。

t——結(jié)霜時(shí)間，min

本文受廣州市低環(huán)境溫度高效空氣源熱泵熱水機(jī)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).)