Heat Exchanger曾敏：微通道換熱器結(jié)霜性能研究介紹

文_蘇亮

2022年6月16日，由中國(guó)家用電器研究院組織舉辦的第四次“空調(diào)行業(yè)鋁應(yīng)用研討會(huì)”于線上順利召開(kāi)。會(huì)上，西安交通大學(xué)曾敏教授對(duì)“微通道換熱器結(jié)霜性能研究”做了介紹。

“微通道換熱器結(jié)霜性能研究”主要基于OpenFOAM開(kāi)源平臺(tái)，并通過(guò)自編程數(shù)值模擬，對(duì)濕工況下百葉窗翅片表面綜合性能和結(jié)霜情況進(jìn)行了研究，本刊根據(jù)演講對(duì)主要內(nèi)容進(jìn)行了整理。

我國(guó)的資源狀況屬于“富煤缺氣少油”，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要消耗大量能源，使用化石能源會(huì)帶來(lái)霧霾等空氣污染。同時(shí)，隨著碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的確立，近幾年我國(guó)燃煤改革區(qū)域越來(lái)越廣，用戶逐漸轉(zhuǎn)向其他取暖方式，尤其是在農(nóng)村城鎮(zhèn)自建房等供暖需求激增，空氣源熱泵在冬季供暖時(shí)，其具備的節(jié)能優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)。

霜是由冰晶、空氣組成的多孔物質(zhì)，結(jié)霜?jiǎng)t是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，廣泛存在于大自然中，對(duì)航天、供暖、通風(fēng)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。由于熱泵的工作原理，熱量的傳遞是由低溫環(huán)境向高溫環(huán)境傳遞，蒸發(fā)器在冬天容易結(jié)霜，首先是翅片表面出現(xiàn)液滴，然后出現(xiàn)冰晶，最后形成密度越來(lái)越高的霜層，并逐漸影響熱泵的工作性能。

由于微通道換熱器具有緊湊度高、體積小、質(zhì)量輕、制冷劑側(cè)阻力小、堅(jiān)固耐用和換熱能力強(qiáng)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，尤其是空氣源熱泵產(chǎn)品上應(yīng)用很多，因此對(duì)微通道換熱器的結(jié)霜性能研究，具有較高的價(jià)值和意義，且已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展。

比如鄭州大學(xué)研究的“一種新型收腰型百葉窗翅片”，可以強(qiáng)化傳熱、增強(qiáng)霜層均勻性。南京北大工道軟件技術(shù)有限公司研究的“一種后掠型百葉窗翅片”，具有自清潔能力、抑制霜層生長(zhǎng)等特點(diǎn)。還有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者從均勻和非均勻排布、幾何參數(shù)、表面涂層、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、震動(dòng)除霜等方面進(jìn)行了研究，但因?yàn)樗獙拥奈锢斫Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、霜層冰晶形狀具有隨機(jī)性、物性（密度、導(dǎo)熱系數(shù)等）在不斷變化、二維模型向三維模型拓展的處理復(fù)雜、翅片內(nèi)部霜層生長(zhǎng)規(guī)律難以預(yù)測(cè)等技術(shù)難點(diǎn)，目前的研究現(xiàn)狀，仍存在霜層理想化模型的計(jì)算式計(jì)算霜層物性誤差大、霜層物性的非穩(wěn)態(tài)物性的計(jì)算問(wèn)題未解決、缺乏微通道百葉窗翅片的霜層生長(zhǎng)預(yù)測(cè)方法等不足。同時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法不能觀測(cè)微通道百葉窗翅片內(nèi)部霜層生長(zhǎng)情況，而使用放大模型的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，又與實(shí)際情況存在一些差異。

所以，在這樣的背景下， 曾敏教授等人開(kāi)展了基于OpenFOAM平臺(tái)的三維結(jié)霜數(shù)值模型。其中，傳質(zhì)模型要解決從濕空氣轉(zhuǎn)移至霜層表面的水蒸氣質(zhì)量通量、冷表面上的霜層密度、霜層生長(zhǎng)速率等問(wèn)題。傳熱模型要解決從濕空氣轉(zhuǎn)移至霜層的總熱通量、霜層的表面溫度等問(wèn)題，這也是在對(duì)微通道換熱器結(jié)霜性能研究時(shí)必不可少的兩個(gè)模型。同時(shí)，在建立三維模型霜層的生長(zhǎng)過(guò)程中，其關(guān)鍵是CFD模型中對(duì)任意三維區(qū)域中霜層生長(zhǎng)進(jìn)行描述。

有了基本模型之后，還需要進(jìn)行驗(yàn)證、試驗(yàn)對(duì)比等，驗(yàn)證三維模型的可靠性等等。有了三維模型就可以對(duì)微通道百葉窗翅片霜層生長(zhǎng)進(jìn)行較好的研究。最后，還可以基于人工智能預(yù)測(cè)霜層生長(zhǎng)等等。

目前取得的主要研究結(jié)論包括，百葉窗間距越小，翅片的緊湊度越高，翅片前半部分的霜層生長(zhǎng)更快，在較早時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生霜層堵塞現(xiàn)象，百葉窗翅片霜層前后均勻性較差。百葉窗高度越大，通道內(nèi)部的濕空氣平均溫度更高，翅片各位置發(fā)生霜層堵塞的時(shí)間較晚，霜層前后區(qū)域的均勻性較好。在單一工況變化研究中，濕空氣進(jìn)口速度主要影響翅片表面的霜層堵塞位置，冷壁面溫度主要影響翅片表面的局部霜層厚度，濕空氣進(jìn)口溫度主要影響翅片前側(cè)的霜層分布，其對(duì)結(jié)霜率的影響較小。

曾敏認(rèn)為，在后續(xù)的研究中可以考慮扁管中的制冷劑流動(dòng)分配情況并對(duì)完整的微通道百葉窗翅片換熱器進(jìn)行霜層生長(zhǎng)模擬；同時(shí)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在提高人工智能預(yù)測(cè)精度的情況下，可以通過(guò)給定環(huán)境和幾何參數(shù)預(yù)測(cè)出結(jié)霜情況，可大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源。