謝福林 郭憲民 郭欣煒 薛杰

(1 天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134；2 北京一徑科技有限公司 北京 100085)

空氣源熱泵能夠通過消耗少量的高品位能實(shí)現(xiàn)對空氣中低品位能的利用，從而有效地節(jié)省了一次能源，具有巨大的應(yīng)用潛力，在我國北方作為一種清潔供暖模式得到了越來越廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果[1]。但空氣源熱泵系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)，在冬季供暖運(yùn)行時室外蒸發(fā)器表面易結(jié)霜，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并且熱泵在除霜運(yùn)行時耗功通常會超過總能耗的10%，因此開展對換熱器表面霜層生長特性的研究對優(yōu)化空氣源熱泵性能具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對冷表面霜層生長特性進(jìn)行了大量的研究工作。R.O.Piucco 等[2]在傳統(tǒng)成核理論的基礎(chǔ)上，建立了非均勻霜晶成核條件的數(shù)學(xué)模型。WU Xiaomin 等[3－4]建立了霜層生長的相變傳質(zhì)模型，采用Fluent 進(jìn)行模擬，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性，同時對結(jié)霜機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)測試表面的裸銅和疏水層接觸角越大，結(jié)霜的相變過程所需的吉布斯自由能也越大。D.Kim 等[5]研究超疏水表面對延緩結(jié)霜的影響，揭示了結(jié)霜早期階段的生長特性。Wang Feng 等[6]的研究表明，冷表面特性的改變會影響到霜晶形態(tài)及結(jié)霜速度。Guo Xianmin 等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究蒸發(fā)器表面的結(jié)霜，發(fā)現(xiàn)不同階段蒸發(fā)器表面霜晶形態(tài)的改變是由于換熱器壁面溫度的降低所致。S.Byun 等[8]研究結(jié)果表明霧的產(chǎn)生主要受霜層表面溫度的影響。S.Byun 等[9]通過實(shí)驗(yàn)定性地證實(shí)了低密度霜在霜面附近形成，高密度霜在低溫冷板附近形成。Wang Feng 等[10]的實(shí)驗(yàn)得出預(yù)熱時間和總除霜時間均隨霜層厚度的增加而增加。由于霜層厚度對融霜水運(yùn)動的影響，融化水滴的大小和分布密度不同。L.Ren 等[11]建立了單根低溫翅片管的數(shù)學(xué)模型，研究了自然條件下霜層對傳熱性能的影響。Sun Biao 等[12]建立了一個多相計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型來研究低溫條件下結(jié)霜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，研究了不同風(fēng)速下的強(qiáng)制對流對傳質(zhì)過程的影響。Ma Qiang 等[13]記錄了霜層的生長過程，測量了霜層厚度和霜質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高的相變驅(qū)動力和較高的水汽質(zhì)量流量下，霜層厚度隨時間增加而增加，霜層增長較快。張魯夢等[14]研究了濕空氣中水蒸氣分壓力與霜表面溫度下飽和水蒸氣分壓力之差作為結(jié)霜的傳質(zhì)驅(qū)動力，對結(jié)霜機(jī)理進(jìn)行了分析。Huang Dong 等[15－16]在結(jié)霜條件下，發(fā)現(xiàn)波紋式翅片管換熱器換熱性能優(yōu)于百葉窗式翅片管換熱器傳熱性能。

影響霜層增長和換熱器換熱特性的主要是霜層表面與濕空氣間的傳熱溫差和濕空氣中水蒸氣分壓力，從本質(zhì)上說是霜層表面溫度。由于霜層表面溫度的測量比較困難，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究中大部分是測量翅片(銅管)表面溫度，由于霜層厚度、密度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，冷表面溫度并不能直接反映出霜層—濕空氣界面上結(jié)霜過程中的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力。本文采用紅外熱像儀測量并輔助熱電偶直接測量進(jìn)行校正的方法測量霜層表面溫度[14]，通過實(shí)驗(yàn)研究了翅片管換熱器表面霜層生長的規(guī)律及換熱面幾何參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

翅片管換熱器結(jié)霜性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置于焓差法空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)臺[14]室外側(cè)，參數(shù)測量點(diǎn)見圖1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由環(huán)境室實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)霜風(fēng)道系統(tǒng)、低溫恒溫水槽系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)四部分組成。其中，環(huán)境室用于模擬冬季室外側(cè)工況[14]，并依據(jù)傳感器的輸出量進(jìn)行PID 反饋精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境溫度和相對濕度?？諝饩鶆蜻M(jìn)入安裝在結(jié)霜風(fēng)道入口的被試換熱器，然后進(jìn)入風(fēng)量測量裝置，風(fēng)量大小由變頻風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)；選用ZYHW－30 型低溫恒溫水槽為換熱器提供冷源，用于模擬實(shí)際熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，通過PID調(diào)節(jié)控制水槽液體的溫度，水槽載冷劑為體積分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇去離子水溶液[14]。

圖1 換熱器結(jié)霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of frosting experimental system for heat exchanger

由壓力變送器測量噴嘴前后壓差來計(jì)算通過換熱器的空氣流量，采用精度為±0.1 ℃的Pt100 鉑電阻測量空氣干、濕球溫度；相對濕度由HMP230 測量，精度為±2%；換熱器迎面風(fēng)速通過TSI9545 熱線風(fēng)速儀測量，精度為±0.015 m/s，用于校核表面溫度的T型熱電偶線徑0.1 mm，霜層厚度的直接測量誤差與顯微鏡放大倍數(shù)有關(guān)[14]；通過SZ66 連續(xù)變倍體視顯微鏡、CCD 高速攝像機(jī)及圖像分析系統(tǒng)測量結(jié)霜過程中的霜層厚度；當(dāng)相鄰兩翅片上霜層間距為一個顯微刻度(約0.2 mm)時認(rèn)為結(jié)霜過程結(jié)束[17]。結(jié)霜量通過換熱器進(jìn)出口含濕量差及空氣流量計(jì)算而得，誤差為3.74%，時間步長(Δτ)內(nèi)換熱器結(jié)霜量為:

式中:Va為通過換熱器的空氣流量，m3/s；ρ為密度，kg/m3；ωi、ωo分別為換熱器進(jìn)、出口濕空氣的絕對含濕量，g/(kg 干空氣)。

實(shí)驗(yàn)中采用紅外熱成像儀對霜層表面溫度進(jìn)行測量，并用熱電偶直接測量裝置進(jìn)行校核[14]。如圖2所示為了精確地測量霜層表面溫度，將熱電偶感溫包固定在千分尺上，在體視顯微鏡下置于霜層表面。千分尺測量桿與熱電偶探頭剛性連接，熱電偶使用前根據(jù)需要測量溫度的區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定數(shù)值，取得熱電偶的標(biāo)定曲線，通過顯微鏡觀察，輕微調(diào)節(jié)千分尺連接熱電偶探頭位置，使得探頭正好緊貼霜層表面來測量霜層表面溫度。紅外熱像儀精度為±2%、千分尺精度為±0.01 mm、T 型熱電偶線徑0.1 mm，精度為±0.1 ℃。

翅片管換熱器為單排結(jié)構(gòu)，單個翅片尺寸為304.80 mm×21.65 mm，實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖3所示，管外徑9.52 mm，孔距為25.4 mm，采用7 種不同翅片主要參數(shù)如表1所示。

圖3 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)Fig.3 Finned tube heat exchanger

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

課題組前期研究結(jié)果表明，0 ℃左右是結(jié)霜最嚴(yán)重的工況條件[18]，而70%相對濕度為空氣源熱泵比較常見的環(huán)境濕度，因此本文選擇室外環(huán)境溫度為0℃、相對濕度為70%工況，通過實(shí)驗(yàn)研究翅片型式及節(jié)距對換熱器表面霜層生長及換熱特性的影響，實(shí)驗(yàn)中載冷劑溫度設(shè)定為－15 ℃，換熱器迎面風(fēng)速為1.7 m/s。

2.1 翅片型式對表面霜層生長特性的影響

對翅片節(jié)距為2.2 mm 而翅片型式不同的3 種換熱器樣本進(jìn)行表面霜層生長特性實(shí)驗(yàn)，翅片型式分別為平片、波紋片及條縫片，即表1 中的實(shí)驗(yàn)樣本1～3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖9所示。

表1 換熱器翅片參數(shù)Tab.1 Heat exchanger experimental partgeometric parameters

圖4 翅片類型對結(jié)霜厚度的影響Fig.4 Effects of fin type on frost layer thickness

圖5 翅片類型對結(jié)霜量的影響Fig.5 Effects of fin type on frost mass

圖6 翅片類型對空氣側(cè)壓降的影響Fig.6 Effects of fin type on air pressure drop

圖4～圖7 分別表示不同型式翅片表面霜層厚度、結(jié)霜量、換熱量隨結(jié)霜時間的變化。由圖4 可以看出，對于3 種型式的翅片管換熱器，表面霜層厚度在結(jié)霜初始階段(約10 min)增長速度較快，隨后霜層增長速度逐漸放慢。在這3 種型式的翅片中，相同結(jié)霜時間下平直翅片表面霜層厚度最小，而波紋片及條縫片表面霜層厚度差別不大，波紋翅片表面霜層厚度略大于條縫片，但在結(jié)霜后期(約45～50 min)，條縫片表面霜層增長速度加快，并逐漸超過波紋片表面霜層厚度。條縫片表面霜層厚度的快速增長，導(dǎo)致條縫片換熱器結(jié)霜周期最短，而平片換熱器結(jié)霜周期最長。由圖5 結(jié)霜量增長曲線可以看出，3 種型式翅片表面的結(jié)霜量均呈近似線性方式增長，且在相同結(jié)霜時間下平片表面的結(jié)霜量明顯小于其他兩種翅片表面結(jié)霜量，而波紋片及條縫片表面的結(jié)霜量曲線在前45 min 內(nèi)幾乎重合，其后波紋翅片表面結(jié)霜量增長速度逐漸減小。

圖7 翅片類型對換熱量的影響Fig.7 Effects of fin type on heat transfer

綜合分析圖4 及圖5 可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)霜后期，霜層厚度和結(jié)霜量的增長速度并不是一致的，特別是對于條縫片和波紋片換熱器，霜層厚度的增長速度更快，這造成不同階段霜層形態(tài)的不同，密度不同，這與課題組前期的研究結(jié)論是相同的[7，14，15－16]。從圖6所示3 種翅片換熱器空氣側(cè)壓降可以看出，條縫片換熱器空氣側(cè)壓降始終高于其他兩種翅片換熱器，平片換熱器空氣側(cè)壓降最小，但與波紋片換熱器相差不大；在結(jié)霜后期，條縫片和波紋片換熱器空氣側(cè)壓降增長速度加快；這是由于在結(jié)霜后期條縫片的窗孔阻塞嚴(yán)重，而波紋片間霜層相互影響，造成換熱器空氣阻力的增大，并加快了霜層增長速度。

圖7所示為3 種翅片換熱器的換熱量動態(tài)曲線，為了比較換熱器在整個結(jié)霜－除霜周期中的平均換熱量，圖中表示出了換熱器在整個結(jié)霜－除霜周期中的換熱量平均值:

式中:Qi為各點(diǎn)換熱量實(shí)驗(yàn)值，W；Δτ為實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)間隔時間，min；τf、τdef分別為結(jié)霜周期、除霜周期，min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，3 種換熱器的除霜周期取為6 min，除霜期間換熱量為零。

由圖7 換熱量的變化曲線可知，3 種翅片換熱器的換熱量均呈先升后降的變化趨勢，且波紋片及條縫片換熱器的換熱量始終高于平片換熱器的換熱量，這是由于條縫片及波紋翅片的強(qiáng)化傳熱所致。但從結(jié)霜－除霜周期內(nèi)的平均換熱量來看，波紋片換熱器平均換熱量最大，條縫片次之，平片換熱器平均換熱量最小，波紋片及條縫片換熱器的平均換熱量比平片換熱器分別高2.67%、2.05%。

總的來說，條縫片及波紋翅片表面霜層厚度及結(jié)霜量均大于平片換熱器，而結(jié)霜周期則小于平片換熱器，說明條縫片及波紋片比平片換熱器更易于結(jié)霜，但結(jié)霜－除霜周期內(nèi)的平均換熱量高于平片換熱器；結(jié)合波紋片換熱器空氣側(cè)壓降特性(圖6)可知，對于工作在結(jié)霜工況下的換熱器而言，波紋片換熱器是一個合適的選擇。

造成不同翅片型式的換熱器表面霜層生長特性及換熱特性不同的原因是不同翅片換熱器霜層表面對流傳熱系數(shù)不同，因而其霜層表面溫度不同，這造成霜層－濕空氣間傳熱、傳質(zhì)驅(qū)動力的不同，即霜層表面溫度與環(huán)境溫度的差異為霜層生長提供的傳熱驅(qū)動力不同，同時環(huán)境中濕空氣的水蒸氣分壓力與霜層表面飽和濕空氣中水蒸氣分壓力的差異為結(jié)霜過程提供的傳質(zhì)驅(qū)動力也不同；換熱器表面霜層生長是在傳熱及傳質(zhì)驅(qū)動力的共同作用下進(jìn)行的，因此霜層表面溫度是影響霜層生長特性的關(guān)鍵因素[14]。由于霜層表面溫度的測量比較困難，大部分研究者在實(shí)驗(yàn)過程中測量翅片或銅管等冷表面溫度，用以分析霜層生長特性；但冷表面溫度并不能真實(shí)地反映霜層表面溫度的變化，特別是在結(jié)霜后期，由于霜層厚度較大，兩者差別較大。本文實(shí)驗(yàn)測量了霜層表面溫度，并假定霜層表面濕空氣為飽和狀態(tài)，從而確定濕空氣溫度與霜層表面溫度差及濕空氣中水蒸氣分壓力與霜層表面飽和濕空氣中水蒸氣分壓力差，可直觀地看出不同翅片型式換熱器表面?zhèn)鳠狎?qū)動力和水蒸氣傳質(zhì)驅(qū)動力的不同。由圖8 可知，在結(jié)霜初始階段(約10 min)，霜層表面溫度及界面水蒸氣分壓力差幾乎不變，隨后霜層表面溫度開始逐漸升高，而界面水蒸氣分壓力差則逐漸減小，造成結(jié)霜后期霜層增長放緩及換熱量減??；同時可以看到，波紋片及條縫片霜層表面溫度隨時間變化曲線幾乎重合，且低于平片霜層的表面溫度，說明平片表面結(jié)霜過程的傳熱驅(qū)動力低于條縫片及波紋片，因此導(dǎo)致平翅片管換熱器換熱量低于波紋片及條縫片換熱器的換熱量(如圖7)。由圖9 可知，波紋片及條縫片表面霜層的界面水蒸氣分壓力差始終高于平片，因此在相同的環(huán)境工況下，條縫片及波紋片表面均有著更高的利于結(jié)霜的傳熱及傳質(zhì)驅(qū)動力，因此結(jié)霜速度較快。

圖8 翅片類型對霜層表面溫度的影響Fig.8 Effects of fin type on frost surface temperature

圖9 翅片類型對界面水蒸氣分壓力差的影響Fig.9 Effects of fin type on interface water vapor pressure difference

2.2 翅片節(jié)距對表面霜層生長特性的影響

在上述實(shí)驗(yàn)工況下對不同翅片節(jié)距的波紋片換熱器樣本進(jìn)行換熱器表面霜層生長特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣本為表1 中2 和4～7，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10所示為不同翅片節(jié)距條件下霜層厚度隨結(jié)霜時間的變化曲線。翅片節(jié)距越大，換熱器結(jié)霜周期越長，且霜層厚度曲線斜率越大，說明霜層厚度增長速度越快；而到結(jié)霜后期，霜層厚度的增長曲線逐漸趨于平緩。翅片節(jié)距對結(jié)霜周期的影響一方面反映了不同翅片節(jié)距下?lián)Q熱器翅片表面霜層增長速度的不同，同時對不同的翅片節(jié)距，其表面霜層最大厚度的不同也是造成結(jié)霜周期不同的原因。

圖10 翅片節(jié)距對霜層厚度的影響Fig.10 Effect of fin pitch on frost layer thickness

圖11 和圖12所示為結(jié)霜過程中不同翅片節(jié)距對傳熱、傳質(zhì)驅(qū)動力的影響。由圖11 可知，結(jié)霜過程中不同翅片節(jié)距條件下霜層表面溫度的變化趨勢一致，呈現(xiàn)翅片節(jié)距越小霜層表面溫度越低的趨勢，因而界面水蒸氣分壓力差也較大，但數(shù)值差別不大，即翅片節(jié)距對界面?zhèn)鳠帷髻|(zhì)驅(qū)動力的影響較弱，這與翅片節(jié)距對結(jié)霜量的影響趨勢是一致的(圖13)，這可能是由于在迎面風(fēng)速相同的條件下不同翅片節(jié)距換熱器翅片表面風(fēng)速不同而引起的。因此，在小翅片節(jié)距條件下霜層生長的傳熱及傳質(zhì)驅(qū)動力均較高，翅片表面結(jié)霜量較大；而在同一結(jié)霜進(jìn)程下，結(jié)霜后期霜層表面溫度較高，界面水蒸氣分壓力差減小，因此結(jié)霜量及霜層厚度的增長趨緩。

圖11 翅片節(jié)距對霜層表面溫度的影響Fig.11 Effects of fin pitch on frost surface temperature

圖12 翅片節(jié)距對界面水蒸氣分壓力差的影響Fig.12 Effects of fin pitch on interface water vapor pressure difference

圖13 翅片節(jié)距對結(jié)霜量的影響Fig.13 Effects of fin pitch on frost mass

比較圖10～圖12 可知，對于翅片節(jié)距較小的換熱器，雖然傳熱和傳質(zhì)驅(qū)動力均大于翅片節(jié)距較大的換熱器，同一結(jié)霜時間下，霜層厚度始終低于翅片節(jié)距較大的換熱器，這可能是由于翅片節(jié)距較大的換熱器翅間空氣流動速度較低。與圖13 結(jié)霜量曲線比較可以看出，翅片節(jié)距越大，霜層密度越小；實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，大節(jié)距翅片換熱器表面霜層比較疏松。

圖14 為不同節(jié)距換熱器動態(tài)換熱量曲線，可以看出，換熱量變化均呈先升高后降低的變化趨勢。翅片節(jié)距為1.6、1.9、2.2 mm 的換熱器最大換熱量較大且比較接近，但翅片節(jié)距為1.6 mm 的換熱器的換熱量在結(jié)霜后期下降得很快。從圖中5 種翅片節(jié)距的換熱器在結(jié)霜－除霜周期中的平均換熱量可以看出，翅片節(jié)距為1.6 mm 和2.2 mm 的換熱器平均換熱量相近，高于其他翅片節(jié)距的換熱器。原因在于隨著翅片節(jié)距的增大，換熱面積減小，造成換熱量降低；對于翅片節(jié)距較小的換熱器，雖然換熱面積較大，但結(jié)霜周期較??；同時，因?yàn)槌崞?jié)距減小導(dǎo)致?lián)Q熱器空氣側(cè)阻力增大，如圖15所示，使換熱系數(shù)降低，換熱量減小。總的來說，過大或過小的翅片節(jié)距均會造成換熱器平均換熱量減小，在實(shí)驗(yàn)工況下最佳翅片節(jié)距約2.2 mm。

圖14 翅片節(jié)距對換熱量的影響Fig.14 Effects of fin pitch on heat transfer

圖15 翅片節(jié)距對阻力的影響Fig.15 Effects of fin pitch on resistance

3 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)工況為室外環(huán)境溫度為0 ℃、相對濕度為70%、載冷劑溫度為－15 ℃、換熱器迎面風(fēng)速為1.7 m/s 條件下，通過實(shí)驗(yàn)研究了平片、波紋片、條縫片3 種翅片型式換熱器表面結(jié)霜特性及不同翅片節(jié)距換熱器表面霜層生長規(guī)律，結(jié)論如下:

1)3 種形式翅片中，波紋片及條縫片翅片換熱器界面?zhèn)鳠帷髻|(zhì)驅(qū)動力高于平片，造成其表面霜層生長速度大于平片。在結(jié)霜后期條縫片霜層生長速度顯著加快，造成在3 種翅片中條縫片表面結(jié)霜周期最短，而平片表面結(jié)霜周期最長。

2)在整個結(jié)霜－除霜周期中波紋片換熱器平均換熱量最大，比條縫片和平片換熱器分別大0.61%和2.67%。對于工作在結(jié)霜工況下的換熱器而言，波紋片換熱器是一個合適的選擇。

3)翅片節(jié)距越大，其表面霜層厚度增長越快，且結(jié)霜周期越長，但翅片節(jié)距對霜層生長的傳熱、傳質(zhì)驅(qū)動力影響不大，大節(jié)距翅片換熱器表面霜層較為疏松。綜合考慮結(jié)霜－除霜周期中換熱器平均換熱量及空氣側(cè)阻力，結(jié)霜工況下波紋片換熱器最佳翅片節(jié)距約為2.2 mm。