肖宏新¹，趙密升²，李建國²，陳觀(guān)生¹，劉良德¹，劉湘云¹，羅超鴻¹

（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州市番禺區 510006；2.廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司，廣州市增城區 511340）

Study on Frosting Characteristics of Two Rows Finned Coils Evaporator in different Fin Pitches Xiao Hongxin1, Zhao Misheng2, Li Jianguo2, Chen Guansheng1,Liu Liangde1, Liu Xiangyun1, Luo Chaohong1

(1. School of Materials & Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006; 2. Guangdong New Energy Technology Development Co. Ltd, Guangzhou, 511340)

ABSTRACT: Finned coils in fixed fin pitches are mainly used in the outdoor heat exchangers of air source heat pumps (ASHP) at present. There are some problems such as more serious frosting and nonuniform frosting in the windward tube than in the rear tube under low temperature conditions. In order to solve the problems of heating capacity decline and defrost interval shorten caused by frost blockage in the fixed fin pitch, two rows finned coil evaporators in different fin pitches are numerically simulated under low temperature conditions, which is used to explore the influence of evaporators in different fin pitches combinations on frost mass, frost thickness, heat capacity and defrost interval, providing a reference to design the outdoor heat exchangers of ASHP.

Key words: air source heat pump; fin pitch; frosting; defrosting; evaporator

摘要：當前空氣源熱泵室外換熱器主要采用固定片距的翅片盤(pán)管，存在低溫工況下迎風(fēng)面管排結霜較后排嚴重、結霜不均勻等問(wèn)題。為了改善固定片距蒸發(fā)器前排結霜堵塞造成制熱量下降、除霜間隔短等問(wèn)題。本文對兩排變片距翅片盤(pán)管蒸發(fā)器在低溫工況下運行和結霜的情況進(jìn)行數值模擬，探尋低溫工況下不同翅片片距組合的變片距蒸發(fā)器對結霜量、結霜厚度、制熱量及除霜間隔等的影響，為低溫工況下空氣源熱泵蒸發(fā)器的設計提供參考依據。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；片距；結霜；除霜；蒸發(fā)器

 

引言

建筑能耗是全球人類(lèi)總能耗占比最大的部分，約占30%-40%，同時(shí)也造成大量的碳排放[1-2]?？諝庠礋岜米鳛橐环N環(huán)保高效的供暖技術(shù)，改變了傳統供暖格局，有利于降低建筑能耗及其碳排放量。近年來(lái)在我國“煤改電”政策推動(dòng)下空氣源熱泵得到了快速的發(fā)展[3-4]。熱泵機組在我國長(cháng)江中下游、西南和華南地區得到廣泛應用，但是在冬季氣溫較低的地方，熱泵機組供暖容易出現制熱量下降、制熱不穩定等問(wèn)題。當環(huán)境溫度在-7~5℃、相對濕度大于65%時(shí)，熱泵機組室外蒸發(fā)器翅片盤(pán)管容易出現結霜問(wèn)題[5]。霜層不僅會(huì )增加傳熱熱阻，降低機組的制熱量，當霜層積累過(guò)多還容易堵塞翅片，造成空氣流動(dòng)阻力增加，影響熱泵系統的正常運行，嚴重時(shí)還會(huì )造成機組非正常停機[6]。

為了減少霜層的影響，國內外學(xué)者進(jìn)行了許多實(shí)驗及仿真研究。黃康[7]研究翅片管換熱器結構對霜層生長(cháng)的影響，比較不同翅片類(lèi)型及翅片間距發(fā)現1.9mm的翅片管換熱器平均傳熱性能最好。Zhang[8]研究?jì)煞N翅片間距蒸發(fā)器在低溫地區的結霜差異，結果表明3.2mm翅片間距的室外蒸發(fā)器更有利于熱泵機組供熱穩定。這些研究表明翅片間距對熱泵蒸發(fā)器性能有一定的影響，合理的片距設計可以提高熱泵機組供熱性能，減少材料的浪費和成本，但沒(méi)有將不同翅片間距的翅片換熱管組合起來(lái)進(jìn)行研究。本文進(jìn)行了變片距蒸發(fā)器在低溫工況下運行的仿真研究，探討兩排不同間距組合的蒸發(fā)器的結霜特性差異。

1、數值模擬方案設計

本文采用NIST的換熱器仿真設計軟件EVAP-COND對兩排不同片距組合的翅片盤(pán)管蒸發(fā)器在結霜工況下進(jìn)行數值模擬。選用的制冷劑為R410A，除翅片間距外各組蒸發(fā)器的結構參數相同，具體參數如表1所示。將固定2mm翅片間距的兩排蒸發(fā)器作為參考組（A組），通過(guò)前后兩排不同的翅片間距組合的蒸發(fā)器與A組作對比，各組的翅片間距組合如表2所示。

各組蒸發(fā)器的管路連接采用順排并聯(lián)連接，風(fēng)速均勻分布，如圖1所示:

其中，制冷劑側和空氣側的參數如表3所示。

各組蒸發(fā)器在以上結構參數和工況下模擬運行60分鐘，為了簡(jiǎn)化計算假設：

1)翅片換熱管結霜過(guò)程在一個(gè)時(shí)間步長(cháng)內是準穩態(tài)的；

2)忽略重力對制冷劑和空氣的影響；

3)忽略輻射傳熱和管壁導熱系數的影響；

4)霜層的導熱系數只與霜層密度相關(guān)；

5)翅片表面和銅管、霜層溫度分布均勻；

6)霜層厚度和密度平均分布于控制容積內，物性參數一致。

2 結果及討論

2.1換熱量

圖2為各組蒸發(fā)器換熱量示意圖，可以看到除了D組外其余各組的換熱量都高于固定片距A組。從B、C兩組可以看出減少第二排的翅片間距可以明顯提高蒸發(fā)器換熱量，因翅片間距減小在相同管長(cháng)的情況下可以提高翅片的數量，增加翅片管的換熱能力，D組換熱量小于A(yíng)組，E組的換熱量略高于A(yíng)組，可以看出如果第一排的翅片間距增加過(guò)多容易造成蒸發(fā)器換熱量下降，為了不降低原有換熱量可以適當減小第二排的翅片間距。

2.2結霜量

圖3為各組蒸發(fā)器60分鐘后的總結霜量。從B組和C組可以看出減小第二排的翅片間距在提高換熱量同時(shí)也會(huì )增加結霜量。由B、D兩組可以看出，第二排翅片間距一樣的情況下增加第一排的翅片間距結霜量提高了一些，第一排的翅片會(huì )影響翅片結霜量、氣流阻力和第二排的進(jìn)風(fēng)量等因素，相對B組，D組提高了翅片間距后增加了整體的結霜量，換熱量反而減小，可見(jiàn)在低溫工況下，改變單一管排翅片間距與蒸發(fā)器總體性能并非線(xiàn)性關(guān)系，存在一個(gè)最優(yōu)的翅片間距組合使得蒸發(fā)器低溫工況下綜合性能最優(yōu)。

2.3結霜厚度

2.3.1蒸發(fā)器第一排的結霜厚度

因為B、D組第一排翅片間距分別與C、E組相同，因此選取A/B/D三組來(lái)分析變片距對蒸發(fā)器第一排結霜厚度的影響。圖4為A、B、D三組的第一排翅片厚度和結霜后翅片間剩余間距圖。通過(guò)增大翅片間距，在出現結霜現象后可以提高第一排的翅片剩余間距，不容易出現堵塞現象，減小了氣流阻力并提高了后排的進(jìn)風(fēng)量。

2.3.2對每排結霜厚度的影響

圖5~圖9分別是A/B/C/D/E組蒸發(fā)器結霜厚度變化圖，從圖5可以看出固定片距的A組第一排的結霜厚度比第二排大很多，60分鐘后第一排的結霜厚度占翅片間距的44.94%，而第二排的結霜厚度占翅片間距只有38.25%，在熱泵機組運行時(shí)間長(cháng)的情況下容易出現結霜堵塞，造成制熱量下降，制熱不穩定等問(wèn)題。

B組和C組蒸發(fā)器兩排的結霜厚度都很接近，B組第二排的翅片間距較大，結霜后剩余的空氣通道也較大。E組的結霜較均勻，第一二排的結霜厚度分別占翅片間距的42.74%和41.2%，結霜均勻性較好，有利于延長(cháng)除霜間隔并減少除霜功耗浪費，使制熱系統更穩定。

2.4除霜間隔

在運行45分鐘后，A組蒸發(fā)器第一排翅片間的結霜厚度達到0.792mm，占翅片間距的40%左右，風(fēng)量降至9 m3/min，第一排翅片的結霜厚度較大，使得空氣流通通道減小，氣流阻力增加，需要進(jìn)行除霜。假設各組蒸發(fā)器第一排的風(fēng)量降至9 m3/min并且結霜厚度占翅片間距值超過(guò)40%需要進(jìn)行除霜，則各組的除霜間隔如圖10所示。相對于固定間距A組，變片距的B/C/D/E組均延長(cháng)了除霜間隔，B組結霜均勻性較好，除霜間隔相對A組延長(cháng)了13分鐘左右。

3 結論

本文對兩排蒸發(fā)器結霜情況進(jìn)行數值模擬，得出以下結論：

1）通過(guò)減小第二排翅片間距可以提高蒸發(fā)器的換熱量，B/C組和D/E組第一排翅片間距相同的情況下，減小第二排翅片間距的C組和E組換熱量相對于B組和D組都得到提高。C組的換熱量相對于固定片距的A組提高了1.76%。

2）增加第一排的翅片間距可以減小迎風(fēng)面管排的結霜量，但第二排翅片間距的減小有可能會(huì )造成總結霜量的增加。翅片間距的增加或減小對于總結霜量非線(xiàn)性相關(guān)，存在最優(yōu)的片距組合使蒸發(fā)器整體性能最優(yōu)。從總結霜量角度看B組的片距組合最好，在不增加結霜量的情況下提高了前后管排結霜均勻性。

3）增加第一排翅片間距可以減小翅片間結霜厚度的增長(cháng)速率，并增大空氣流通通道，減小氣流阻力。B組和C組前后兩排的翅片間結霜厚度增長(cháng)相近，E組的前后兩排結霜厚度占翅片間距比最接近，結霜均勻性最好。

4）通過(guò)合理的變翅片間距組合可以有效提高蒸發(fā)器換熱量并使得各排結霜更加均勻，延長(cháng)除霜間隔。C組蒸發(fā)器的換熱量提高了1.76%，B組蒸發(fā)器換熱量提高了0.64%，B組的除霜間隔延長(cháng)了13分鐘，相對A組延長(cháng)28.9%的除霜間隔，綜合來(lái)看B組的翅片間距組合最好。

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作者簡(jiǎn)介:

肖宏新(1995)，男，籍貫廣東汕頭，碩士研究生，主要研究方向為空氣源熱泵系統、強化換熱方向，751222320@qq.com

陳觀(guān)生(1970)，男，副教授，主要研究方向為太陽(yáng)能熱利用、制冷空調、熱能儲存等，本文通訊作者，E-mail: chengs@gdut.edu.cn。