三排變片距翅片盤管蒸發(fā)器結(jié)霜特性研究

肖宏新 陳觀生 羅超鴻 劉良德 劉湘云 李建國(guó)

1廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

2廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司

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[1-3]。相比傳統(tǒng)的供暖方式，空氣源熱泵有著節(jié)能高效、清潔安全等諸多優(yōu)勢(shì)。但是在低環(huán)境溫度工況下，如在北方冬季低溫高濕度地區(qū)，空氣源熱泵的翅片管蒸發(fā)器表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度并且低于 0℃時(shí)，換熱器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[4]。霜層不僅增大了翅片管表面換熱熱阻，而且結(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，大幅度降低室外蒸發(fā)器的換熱效率，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[5]。此外，對(duì)于固定翅片間距的翅片蒸發(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)面翅片管結(jié)霜最密，更容易造成空氣通道堵塞，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[6-7]。

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)者做了大量的研究工作，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[8-9]。蒸發(fā)器的布置結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)換熱性能造成影響，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)霜與化霜特性上更優(yōu)于豎排布置結(jié)構(gòu)[10]。Park[11]研究在百葉窗翅片換熱器翅片中心安裝渦流發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)延緩了換熱器前側(cè)結(jié)霜太快導(dǎo)致的堵塞，并提升了至少 28%的換熱性能。黃康[12]研究翅片管換熱器結(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)，平翅片換熱器換熱表面結(jié)霜較慢但換熱量較小。Z hang[13]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，更適用與低溫地區(qū)。Kim[14]對(duì)三種表面處理過(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[15]研究變片距（10 mm 和 5 mm）空冷器結(jié)霜工況下性能影響，數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果表面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。

由這些研究可以看出，在結(jié)霜工況下翅片片距對(duì)蒸發(fā)器有著重要影響，而目前許多研究集中在兩排固定大片距與常規(guī)間距的對(duì)比，對(duì)三排變片距蒸發(fā)器的研究較少，本文將通過(guò)換熱器數(shù)值模擬軟件結(jié)合理論計(jì)算對(duì)十組不同翅片間距結(jié)構(gòu)的三排變片距翅片盤管蒸發(fā)器在低環(huán)境溫度工況下的換熱能力和結(jié)霜特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探討三排翅片盤管蒸發(fā)器不同翅片間距的合理組合，對(duì)低溫工況空氣源熱泵的蒸發(fā)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善空氣源熱泵室外蒸發(fā)器容易出現(xiàn)結(jié)霜堵塞、除霜間隔短的問(wèn)題。其中研究?jī)?nèi)容包括變片距結(jié)構(gòu)對(duì)蒸發(fā)器換熱量，結(jié)霜量，各管排結(jié)霜厚度和除霜間隔時(shí)間的影響，本文的模擬結(jié)果可以為空氣源熱泵在低環(huán)境溫度運(yùn)行工況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

本文采用了美國(guó) NIST 的換熱器設(shè)計(jì)軟件EVAP-COND 4.0進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，選擇 R410A 作為制冷劑，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，換熱管為銅管，翅片為鋁制平翅片。

表1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

將固定間距 2 mm的三排翅片蒸發(fā)器作為對(duì)照組A組，改變第一排和第三排的翅片間距，研究9組不同間距的三管排翅片蒸發(fā)器與對(duì)照組A 組對(duì)比，蒸發(fā)器迎風(fēng)面設(shè)為第一排，每組各管排的翅片間距如表2。

表2 各組蒸發(fā)器翅片間距

為簡(jiǎn)化計(jì)算，各組蒸發(fā)器的管路連接均為順排并聯(lián)連接，風(fēng)速均勻分布，變片距蒸發(fā)器模型具體如圖 1所示。

圖1 變片距翅片蒸發(fā)器及空氣流向示意圖

各組蒸發(fā)器的制冷劑初始參數(shù)及空氣進(jìn)口參數(shù)如表3。

表3 各組蒸發(fā)器運(yùn)行條件

每組蒸發(fā)器模擬步長(zhǎng)5 min，共模擬 60 min，假設(shè)霜層平均分布于翅片表面，忽略重力、輻射傳熱影響，并且霜層導(dǎo)熱系數(shù)只與霜層密度相關(guān)，空氣質(zhì)量流量受霜層厚度的影響。

蒸發(fā)器表面結(jié)霜速率計(jì)算公式為：

式中：mfr為結(jié)霜速率，kg/s；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；din，dout為蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣含濕量，kg/kg。

結(jié)霜速率包括用于增加霜層厚度的結(jié)霜速率m δ和用于增加霜層密度的結(jié)霜速率m ρ，表示為：

霜的導(dǎo)熱系數(shù)選用Sanders公式

式中：λfr為霜層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K ；ρfr為霜層密度，kg/m3。

霜密度變化的結(jié)霜量變化率mρ和霜密度 Δρfr、厚度變化量 Δδfr計(jì)算公式[16]如下，霜層初始密度設(shè)為50 kg/m3。

式中：Qt為蒸發(fā)器換熱量，W ；isv為水蒸氣的升華潛熱，J/kg；R為水蒸氣氣體常數(shù)，461.9 J/(kg· K)；Ts為霜的表面溫度，K ；ρi為冰的密度，kg/m3；Ds為霜表面水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/ s。

式中：mρ，mδ分別為霜密度變化和厚度變化的結(jié)霜量變化率kg/s；At為換熱器全換熱面積，m2；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，s。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 變片距對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響

對(duì)表 2 各組蒸發(fā)器以 5 min 為一步長(zhǎng)，60 min 后各組平均傳熱量如圖 2 所示，從 B-C-D 組（或 E-F-G、H-I-J組）可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器第三排翅片間距減小時(shí)，由于翅片數(shù)量增多可以明顯提高蒸發(fā)器換熱量，從B-E-H組看出第一排翅片間距的減小也會(huì)增加蒸發(fā)器的換熱量，但換熱量的增幅沒有前者明顯。H 組的翅片間距組合最接近A 組，增大了第一排的翅片間距減小了第三排的翅片間距，平均換熱量也略高于A 組?？梢娡ㄟ^(guò)合理變片距處理可以保證換熱器換熱量有所提升，相對(duì)于A組，J組的換熱量提升了約4.85%

圖2 各組蒸發(fā)器60 min平均換熱量

2.2 變片距對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜量的影響

各組蒸發(fā)器數(shù)值模擬 60 min 后結(jié)霜量如圖 3 所示，從 B-E-H 組和D-G-J 組可以看出，在第二、三管排翅片間距相同的情況下，第一管排翅片間距減小，結(jié)霜量呈先增后減的非線性關(guān)系，但 C-F-I組是隨第一管排翅片間距的減小，結(jié)霜量呈先減后增的關(guān)系。從B-C-D 組（或 E-F-G、H -I-J 組）可以看出，在蒸發(fā)器第一管排間距一樣的情況下，減小第三排翅片間距會(huì)明顯增大蒸發(fā)器的結(jié)霜量，結(jié)霜量最高的G 組與A組相比，結(jié)霜量增加20 g，增加了約 7.27%?？梢婋m然減小第三排翅片間距會(huì)增大蒸發(fā)器整體換熱量，但翅片數(shù)量增多也會(huì)增加翅片表面的霜層附著。

圖3 各組蒸發(fā)器60 min結(jié)霜量

2.3 變片距蒸發(fā)器結(jié)霜厚度變化

2.3.1 對(duì)第一排結(jié)霜厚度的影響

為了研究改變?nèi)耪舭l(fā)器第一排翅片間距對(duì)第一排結(jié)霜厚度的影響，選取對(duì)照組 A 組和B/E/H 組蒸發(fā)器。圖4為在所示工況下A/B/E/H組蒸發(fā)器第一排結(jié)霜厚度增長(zhǎng)圖，可以看出，在第一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)即 0～ 5 min內(nèi)各組蒸發(fā)器的結(jié)霜厚度增加最快，這是由于初始狀態(tài)蒸發(fā)器翅片表面無(wú)結(jié)霜，結(jié)霜增長(zhǎng)率最快，接下來(lái)的步長(zhǎng)各組蒸發(fā)器的結(jié)霜厚度呈線性增長(zhǎng)。從最后的結(jié)果看，增大蒸發(fā)器第一排翅片間距并不一定會(huì)減小翅片表面結(jié)霜厚度，B 組蒸發(fā)器第一排的結(jié)霜厚度稍大于A組，但B組的翅片間距增加幅度更多，可以擴(kuò)大第一排的剩余空氣流通通道。

圖4 A/B/E/H組蒸發(fā)器第一排結(jié)霜厚度變化

2.3.2 對(duì)每排結(jié)霜厚度的影響

選取換熱量相對(duì)較高、結(jié)霜量相對(duì)較少的變片距H 組與固定片距 A 組對(duì)比，圖 5、圖 6 分別是 A 組和H組蒸發(fā)器隨時(shí)間變化每排結(jié)霜厚度對(duì)比。60 min后，固定片距的A組前兩排結(jié)霜厚度較大，A 組每排的結(jié)霜厚度分別占了翅片間距（2 mm）的 47%、41%、35%，A組各排翅片間剩余厚度點(diǎn)較分散，結(jié)霜不均勻。相對(duì)A組，60 min后變片距的H 組每排的結(jié)霜厚度分別占翅片間距的44%、42%、40%，相差不超過(guò) 4%,H組各排翅片間剩余厚度點(diǎn)更加集中，H 組各排的結(jié)霜厚度更接近，各排之間的結(jié)霜均勻性更好。可見固定片距蒸發(fā)器在結(jié)霜工況下運(yùn)行容易造成迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞，迎風(fēng)面管排霜層堵塞會(huì)造成第二、三排進(jìn)風(fēng)量減少，前后排結(jié)霜不均勻，影響熱泵正常制熱，前后結(jié)霜不均也會(huì)造成除霜的不合理。第二、三排的除霜周期明顯長(zhǎng)于第一排的除霜周期，頻繁的除霜也會(huì)影響熱泵機(jī)組的效率。適當(dāng)?shù)母淖兂崞嗄芨纳平Y(jié)霜不均勻的問(wèn)題，有利于延長(zhǎng)除霜周期，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 A組蒸發(fā)器每排結(jié)霜厚度變化

圖6 H組蒸發(fā)器每排結(jié)霜厚度變化

2.4 對(duì)除霜間隔時(shí)間的影響

運(yùn)行 45 min 后 A 組蒸發(fā)器第一排風(fēng)速降至約1.19 m/s，翅片間結(jié)霜厚度約為 0.82 mm，占翅片間距的40.8%左右，此時(shí)第一排結(jié)霜已經(jīng)較嚴(yán)重，空氣流通通道減少，結(jié)霜厚度占翅片間距比較大時(shí)會(huì)增加空氣流通阻力，因此有必要進(jìn)行除霜。假定各組蒸發(fā)器在第一排風(fēng)速降至約1.19 m/s且結(jié)霜厚度占翅片間距比超過(guò)40%需進(jìn)行除霜，各組的除霜間隔如圖7所示，G組和 J 組的結(jié)霜量較大，相對(duì)于A 組除霜間隔更短。提高第一排的翅片間距有利于延長(zhǎng)除霜間隔，B、E 組的除霜間隔相對(duì)于A組延長(zhǎng)了10 min左右，延長(zhǎng)除霜間隔有利于提高熱泵供熱的穩(wěn)定性。但在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)B、E兩組的換熱能力相對(duì)于A組更低，為了在不影響換熱量的情況下提高除霜間隔可以參考 H 和 I組，除霜間隔分別延長(zhǎng)了15.5%和11.1%左右。

圖7 各組蒸發(fā)器除霜間隔

3 結(jié)論

本文建立了在結(jié)霜工況下三排蒸發(fā)器數(shù)值仿真模型，通過(guò)計(jì)算分析計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際狀況下變化趨勢(shì)，為低環(huán)溫工況下的多排變片距蒸發(fā)器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。分析計(jì)算數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)合理的翅片間距組合，變片距蒸發(fā)器能有效改進(jìn)蒸發(fā)器在結(jié)霜工況下的迎風(fēng)面管排霜層堵塞的問(wèn)題，使各管排結(jié)霜更加均勻，提高了整體換熱能力，并且延長(zhǎng)除霜周期，使供暖系統(tǒng)更加穩(wěn)定，更適用于低溫地區(qū)。以變片距I 組為例，與固定片距 A 組相比，在相同運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行條件下，I 組的換熱量增加了2.86%，除霜間隔延長(zhǎng)了11.1%。

2）通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果可以看出，變片距蒸發(fā)器對(duì)于提高各排結(jié)霜量的均勻性和延長(zhǎng)除霜間隔有明顯的作用，H 組蒸發(fā)器的各排結(jié)霜厚度占翅片間距比值相差不超過(guò) 4%，除霜間隔相對(duì)于固定片距組延長(zhǎng)了約15.5%。同時(shí)可以提高整體的平均換熱量，G 組和 J組蒸發(fā)器的平均換熱量分別提高了3.04%和4.85%。