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

( 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)

摘要：為改善空氣源熱泵室外翅片盤(pán)管換熱器在低環(huán)境溫度下沿空氣流動(dòng)方向結霜不均勻、首排結霜量較大進(jìn)而導致熱泵除 霜間隔較短、制熱能力下降等問(wèn)題，對不同翅片片距組合的變片距翅片盤(pán)管換熱器在低環(huán)溫工況下運行及結霜的情況進(jìn)行實(shí)驗 研究 。結果表明 : 變片距翅片盤(pán)管換熱器在低環(huán)溫條件下可有效延長(cháng)迎風(fēng)面管排發(fā)生結霜堵塞的時(shí)間、對于結霜生長(cháng)速度和結 霜質(zhì)量也有抑制作用 。變片距翅片盤(pán)管換熱器在結霜中后期階段換熱功率更高，在合理的翅片間距組合下，變片距翅片盤(pán)管換 熱器可以在不損失過(guò)多換熱功率的情況下延長(cháng)換熱器迎風(fēng)面管排結霜堵塞的時(shí)間，如 樣 品 4 的平均換熱功率比樣品 1 低 6. 02%，而除霜間隔延長(cháng)了 37 min。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 ; 變片距 ; 結霜工況 ; 翅片盤(pán)管換熱器

中圖分類(lèi)號 : TB61+ 1 ; TB657. 5      文獻標識碼 : A

 

Experimental Study on Frosting Characteristics of Three-row Finned Tube Heat Exchanger with Different Fin Pitch

Xiao Hongxin1       Chen Guansheng1       Liu Liangde1       Luo Chaohong1       Liu Xiangyun1       Li Jianguo2

( 1． School  of  Materials  and  Energy ， Guangdong  University  of  Technology ， Guangzhou ， 510006 ， China ;

2．Guangdong New Energy Technology Development Co．，Ltd．，Guangzhou，511300，China)

Abstract   The limitations of non-uniform frosting along the direction of air flow and large frost mass in the first row of the finned tube heat exchanger  of an air-source heat pump under low ambient temperature may cause a short defrost interval，heating capacity decline，and oth- er negative effects．To overcome these challenges，an experimental study was conducted on finned tube heat exchangers with different fin pitches operating at low ambient temperatures．The results show that finned tube heat exchangers with different fin pitches can prolong the frosting blocking time of the windward tube row．This inhibits the frosting rate and frost quality and reduces the heat loss caused by fre- quent defrosting，which is also beneficial for increasing the total heat transfer in one defrosting cycle．The heat transfer capacity of the finned coil heat exchanger  with variable pitch is higher in the middle and later stages of frosting．Under a reasonable combination of the fin pitch，the finned coil heat exchanger with variable pitch can prolong the frosting blocking time of the windward side of the heat exchanger without losing substantial heat transfer capacity．

Keywords   air-source heat pump ; different fin pitch ; frosting condition ; finned tube heat exchanger

 

近年來(lái)，我國北方地區在“煤改電”政策推動(dòng)下， 空氣源熱泵得到了快速的發(fā)展和應用 。相比傳統的

供暖方式，空氣源熱泵具有節能高效、清潔安全等諸 多優(yōu)勢 [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，當空氣源熱泵的翅片盤(pán)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 )出現結霜現象 [5] 。霜層不僅增大了翅片盤(pán)管表面傳熱熱阻，且結霜嚴重時(shí)會(huì )造成翅片之間氣流的流 通受阻，導致氣流阻力過(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(mǎn)足換熱要求，同時(shí)風(fēng)機長(cháng)期在這種不利工況下工作也容易損 壞 [6－7] 。此外，對于固定翅片間距的翅片盤(pán)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)器前后管排結霜不均勻，通常迎風(fēng)面翅片盤(pán) 管結霜最快，更容易導致空氣通道堵塞，需要及時(shí)化霜，但頻繁的化霜會(huì )帶來(lái)供熱系統運行不穩定，增加 能耗的問(wèn)題 [8－9] 。

針對低環(huán)境溫度條件下蒸發(fā)器的結霜問(wèn)題，近年 來(lái)國內外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，為空氣源熱泵在低溫 條件下運行的性能提升和除霜設計提供了一定的依 據和參考 。  由于結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，干燥裝置能抑制結霜的形成，延長(cháng)除霜間隔，但干燥裝 置的結構較復雜，成本較高 [10－11] 。蒸發(fā)器的布置結構也會(huì )影響換熱性能，在低溫結霜工況下，蒸發(fā)器橫排布置的結構在結霜與化霜特性上優(yōu)于豎排布置結 構 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百葉窗翅片盤(pán)管 換熱器翅片中心安裝渦流發(fā)生器，延緩了換熱器前側 結霜太快導致的堵塞，并 提 升 約 28% 的 換 熱 性 能。 黃康等 [14] 研究翅片盤(pán)管換熱器結構對霜層生長(cháng)的影 響，發(fā)現 1. 9 mm 翅片間距換熱器的平均換熱性能最 優(yōu)，平翅片盤(pán)管換熱器換熱表面結霜較慢但換熱量較 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空氣源熱泵機組室 外盤(pán)管換熱器在兩種翅片間距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的結霜分布差異，發(fā)現 3. 2 mm 翅片間距更有利于確 保熱泵供熱的穩定性，更適用于低溫 地 區 。K．Kim 等 [16] 對 3 種表面處理過(guò)的翅片換熱器設置不同翅片 間距并進(jìn)行結霜實(shí)驗，發(fā)現疏水翅片盤(pán)管換熱器因結 霜延遲，在循環(huán)結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) 空冷器結霜工況下的性能，數值仿真與實(shí)驗結果表明變翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更長(cháng)除霜周期和更 好的傳熱性能。

由上述研究可知，結霜工況下翅片片距對翅片 盤(pán)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間距的對比，對三排變片距構也會(huì )影響換熱性能，在低溫結霜工況下，蒸發(fā)器橫排布置的結構在結霜與化霜特性上優(yōu)于豎排布置結 構 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百葉窗翅片盤(pán)管 換熱器翅片中心安裝渦流發(fā)生器，延緩了換熱器前側 結霜太快導致的堵塞，并 提 升 約 28% 的 換 熱 性 能。 黃康等 [14] 研究翅片盤(pán)管換熱器結構對霜層生長(cháng)的影 響，發(fā)現 1. 9 mm 翅片間距換熱器的平均換熱性能最 優(yōu)，平翅片盤(pán)管換熱器換熱表面結霜較慢但換熱量較 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空氣源熱泵機組室 外盤(pán)管換熱器在兩種翅片間距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的結霜分布差異，發(fā)現 3. 2 mm 翅片間距更有利于確 保熱泵供熱的穩定性，更適用于低溫 地 區 。K．Kim 等 [16] 對 3 種表面處理過(guò)的翅片換熱器設置不同翅片 間距并進(jìn)行結霜實(shí)驗，發(fā)現疏水翅片盤(pán)管換熱器因結 霜延遲，在循環(huán)結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) 空冷器結霜工況下的性能，數值仿真與實(shí)驗結果表明變翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更長(cháng)除霜周期和更 好的傳熱性能。

由上述研究可知，結霜工況下翅片片距對翅片 盤(pán)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間距的對比，對三排變片距翅片盤(pán)管換熱器的研究較少，因此本文采用不同翅間距的翅片盤(pán)管換熱器串聯(lián)組合的方式進(jìn)行實(shí)驗研究，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(pán)管換熱器內，研 究不同翅片間距組合對于換熱器整體換熱性能和結霜特性的影響 。

 

1 、實(shí)驗對象與裝置

實(shí)驗對象為 4 種不同翅片片距的翅片盤(pán)管換熱 器，如圖 1 所示，4 種翅片盤(pán)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 。每臺翅片盤(pán)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 臺翅片盤(pán)管 換熱器串聯(lián)成 5 組不同翅片間距組合的三排翅片盤(pán) 管換熱器樣品，三排翅片盤(pán)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(pán)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(pán)管換熱器，樣品 1 作為對照組 。換熱器的工質(zhì) 流向方式如圖 2 所示。

實(shí)驗系統原理如圖 3 所示 。實(shí)驗在焓差實(shí)驗室 中進(jìn)行，以獲得實(shí)驗所需的低環(huán)溫工況 ( 溫度 : 2 ℃ ± 0. 2 ℃ ，濕度 : 85% ±2%) ，熱電偶通過(guò)與數據采集儀連接，自動(dòng)采集工質(zhì)進(jìn)出口和空氣進(jìn)出口的溫度數 據 。軸流風(fēng)機通過(guò)調壓器在 0 ~ 220 V 范圍內調整輸 出電壓，從而改變風(fēng)機風(fēng)速和風(fēng)量 。實(shí)驗中風(fēng)機調至 固定電壓 140 V，風(fēng)速由手持風(fēng)速儀采集測量，由于 結霜進(jìn)行風(fēng)量會(huì )相應改變，風(fēng)速每 1 min 測量一次， 并測量多個(gè)點(diǎn)取平均值作為單次測量風(fēng)速。

實(shí)驗采用體積分數為 50% 的乙二醇-水溶液作為 工質(zhì)，低溫恒溫槽將槽內的工質(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 形成循環(huán)回路 。低溫恒溫槽(型號 : 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)、出口設有 T 型熱 電偶，誤差范圍為 0. 75% ~ 1% 。數據采集儀 ( 型號 : Agilent 34972A) 與電腦組成數據采集系統，數據采集

儀精度為 0. 004% 。玻璃轉子流量計的測量范圍為 6 ~ 60 L / H，精度等級 4 級 ?？諝膺M(jìn)出口設有濕度計， 精度為±2%，使用高精度電子秤稱(chēng)量結霜質(zhì)量，電子 秤精度為 0. 1 g 。實(shí)驗中采用吸風(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)驗中風(fēng)機 不與亞克力風(fēng)道直接接觸，避免對結霜電子秤示數產(chǎn) 生影響，同時(shí)在實(shí)驗過(guò)程中不會(huì )人為接觸到管道或其 他部件，管道維持穩定狀態(tài) 。  電子秤示數穩定會(huì )以亮 燈顯示，根據電子秤穩定亮燈提示每隔 1 min 記錄一 次結霜質(zhì)量數據。

2、數據處理

數據處理采用對數溫差法 。實(shí)驗測得的溫度參 數分別計算工質(zhì)溶液側換熱功率 Qr  和風(fēng)側換熱功率 Qa ，取兩者的算數平均值作為樣品換熱器總換熱功 率 Qhx :

3、實(shí)驗結果及分析

3. 1 變片距對結霜厚度的影響

實(shí)驗從系統運行開(kāi)始，每隔 10 min 拍攝一次樣 品換熱器迎風(fēng)面管排翅片間距內的結霜圖片，當迎風(fēng) 面管排完全結霜且結霜量增加不顯著(zhù)后停止實(shí)驗，并 以此作為一個(gè)結霜周期 。  圖 4 所示為各樣品迎風(fēng)面 管排結霜情況 。樣品 1 ~ 5 的迎風(fēng)面管排結霜堵塞的 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 霜堵塞時(shí)間相比樣品 2 延長(cháng)了 19 min 。  由樣品 3、4、 5 的結霜堵塞時(shí)間可知，提高第二排或第三排的翅片 間距也可以延長(cháng)換熱器迎風(fēng)面管排結霜堵塞的時(shí)間，樣品 4 比樣品 3 延長(cháng)了 8 min，樣品 5 比樣品 4 延長(cháng) 了 2 min ?？梢钥闯鲈谌懦崞P(pán)管換熱器中，提升 每一排的翅片間距均有利于延長(cháng)迎風(fēng)面管排結霜堵 塞的時(shí)間，其中提高迎風(fēng)面管排的翅片間距對于延長(cháng) 迎風(fēng)面管排結霜堵塞時(shí)間最有效，第二排次之，第三 排影響最小。

3. 2 變片距對結霜量的影響

各樣品換熱器的結霜量隨時(shí)間的變化如圖 5 所 示 。各樣品換熱器在運行開(kāi)始時(shí)結霜量增長(cháng)速度較快，隨著(zhù)結霜量增加結霜速度逐漸降低 。在相同工況和運行時(shí)間內，固定片距的樣品換熱器 1 的結霜速度最快，在 50 min 時(shí)結霜量達到了 67. 7 g，樣品 2 ~ 5 的 結霜量分別為 64. 5、51. 7、56. 0、54. 1 g，變片距樣品 換熱器結霜速度低于樣品換熱器 1 的結霜速度，且增 加了第一排翅片間距的樣品 3 ~ 5 相對于樣品 2 的結 霜量增長(cháng)速度更低，可知增加了換熱器迎風(fēng)面管排的 翅片間距對于結霜速度和結霜量有抑制作用 。樣品 4 與樣品 5 結霜量增長(cháng)變化相似，在運行 90 min 時(shí)結 霜量分別為 91. 4 g 和 88. 4 g，結 霜 量 差 異 在 3. 5% 內，變化較小，可知改變第三排翅片間距對換熱器結 霜速度和結霜量影響較小。

3. 3 變片距對換熱功率及傳熱系數的影響

圖 6 和圖 7 所示分別為樣品換熱器的換熱功率 與傳熱系數對比 。  由圖 6 可知，結霜對各樣品換熱器 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也隨時(shí)間的增加逐 漸減小，反映了結霜對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 接近完全結霜，換熱功率接近最低值 。各變片距樣品 換熱器因為增大了翅片間距，傳熱面積小于樣品 1， 初始的換熱功率也小于樣品 1，但在結霜后換熱功率下降速度低于樣品 1，因此在結霜中后期階段，變片 距翅片盤(pán)管換熱器組的換熱功率超過(guò)了固定片距換 熱器組 ?？梢钥闯?，在結霜初期由于結霜較少及樣品 1 傳熱面積較大，固定片距換熱器換熱性能較優(yōu)，但 隨著(zhù)結霜進(jìn)行，固定片距換熱器的換熱性能衰減更 快，在結霜中后期變片距換熱器換熱性能更具優(yōu)勢。 由圖 6 可知，樣品 4 和樣品 5 的換熱功率變化較小， 可以推測在換熱器各排翅片間距較大時(shí)換熱器的換 熱功率受結霜影響較小 。表 2 為各樣品換熱器 1 個(gè) 結霜周期內的換熱功率及結霜周期對比 。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 霜堵塞的時(shí)間延長(cháng)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(cháng)結霜堵塞的時(shí)間更 長(cháng)，傳熱系數更高。

4、結論

本文通過(guò)將變片距與定片距的翅片盤(pán)管換熱器 在同一低溫工況下進(jìn)行結霜及換熱對比實(shí)驗，得到如下結論 :

1) 變片距翅片盤(pán)管換熱器能有效延長(cháng)換熱器迎 風(fēng)面管排發(fā)生結霜堵塞的時(shí)間，其中增加迎風(fēng)面管排 的翅片間距對延長(cháng)結霜時(shí)間效果最好 。樣品 3 在樣 品 2 的基礎上單獨增加了迎風(fēng)面管排的翅片間距，迎 風(fēng)面結 霜 堵 塞 的時(shí)間因此延長(cháng)了 19 min，延長(cháng)率為 30. 16% 。

2) 增加迎風(fēng)面管排翅片間距對于結霜速度和結 霜量有一定的抑制作用，但第三排翅片間距的增加對于結霜速度和結霜量的影響較小。在實(shí)際應用中可以通過(guò)增加第一排的翅片間距來(lái)抑制結霜速度和減少結霜量，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) 在結霜初期，固定小片距換熱器的換熱功率最高，但隨著(zhù)結霜進(jìn)行，固定片距換熱器換熱功率衰減，在結霜中后期變片距翅片盤(pán)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(pán)管換熱器可以在不損失過(guò)多換熱功率的情況下延長(cháng)換熱器迎風(fēng)面管排結霜堵塞的時(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(cháng)了 37 min。

本文受廣州市低環(huán)境溫度高效空氣源熱泵熱水機組課題 ( 201902010021 ) 資 助 。   ( The   project   was   supported   by Guangzhou Low Ambient Temperature High Efficiency Air-source Heat Pump Hot Water Unit Project  (No．201902010021) ．)

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通信作者簡(jiǎn)介

陳觀(guān)生，男，副教授，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，13826496179，E-mail : chengs@ gdut．edu．cn 。研究方向 : 太陽(yáng)能熱利用、制冷空調、熱能儲存。

About the corresponding author

Chen Guansheng，male ，associate professor ，School of Materials and   Energy ，  Guangdong   University   of   Technology ，  +  86 13826496179，E-mail : chengs @ gdut．edu．cn．Research fields : solar  thermal  utilization ，  refrigeration  and  air  conditioning， thermal energy storage．