翅片结构对换热器结霜特性影响的实验研究

谢福林 郭宪民 郭欣炜 薛杰

(1 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；2 北京一径科技有限公司 北京 100085)

空气源热泵能够通过消耗少量的高品位能实现对空气中低品位能的利用，从而有效地节省了一次能源，具有巨大的应用潜力，在我国北方作为一种清洁供暖模式得到了越来越广泛的应用，取得了良好的效果[1]。但空气源热泵系统也有一些缺点，在冬季供暖运行时室外蒸发器表面易结霜，影响系统的运行效率，并且热泵在除霜运行时耗功通常会超过总能耗的10%，因此开展对换热器表面霜层生长特性的研究对优化空气源热泵性能具有重要的意义。

国内外学者对冷表面霜层生长特性进行了大量的研究工作。R.O.Piucco 等[2]在传统成核理论的基础上，建立了非均匀霜晶成核条件的数学模型。WU Xiaomin 等[3－4]建立了霜层生长的相变传质模型，采用Fluent 进行模拟，通过实验结果验证了模型的有效性，同时对结霜机理进行了研究，发现测试表面的裸铜和疏水层接触角越大，结霜的相变过程所需的吉布斯自由能也越大。D.Kim 等[5]研究超疏水表面对延缓结霜的影响，揭示了结霜早期阶段的生长特性。Wang Feng 等[6]的研究表明，冷表面特性的改变会影响到霜晶形态及结霜速度。Guo Xianmin 等[7]通过实验研究蒸发器表面的结霜，发现不同阶段蒸发器表面霜晶形态的改变是由于换热器壁面温度的降低所致。S.Byun 等[8]研究结果表明雾的产生主要受霜层表面温度的影响。S.Byun 等[9]通过实验定性地证实了低密度霜在霜面附近形成，高密度霜在低温冷板附近形成。Wang Feng 等[10]的实验得出预热时间和总除霜时间均随霜层厚度的增加而增加。由于霜层厚度对融霜水运动的影响，融化水滴的大小和分布密度不同。L.Ren 等[11]建立了单根低温翅片管的数学模型，研究了自然条件下霜层对传热性能的影响。Sun Biao 等[12]建立了一个多相计算流体力学(CFD)模型来研究低温条件下结霜的传热传质现象，研究了不同风速下的强制对流对传质过程的影响。Ma Qiang 等[13]记录了霜层的生长过程，测量了霜层厚度和霜质量。实验结果表明，在较高的相变驱动力和较高的水汽质量流量下，霜层厚度随时间增加而增加，霜层增长较快。张鲁梦等[14]研究了湿空气中水蒸气分压力与霜表面温度下饱和水蒸气分压力之差作为结霜的传质驱动力，对结霜机理进行了分析。Huang Dong 等[15－16]在结霜条件下，发现波纹式翅片管换热器换热性能优于百叶窗式翅片管换热器传热性能。

影响霜层增长和换热器换热特性的主要是霜层表面与湿空气间的传热温差和湿空气中水蒸气分压力，从本质上说是霜层表面温度。由于霜层表面温度的测量比较困难，国内外学者在结霜实验研究中大部分是测量翅片(铜管)表面温度，由于霜层厚度、密度及导热系数的影响，冷表面温度并不能直接反映出霜层—湿空气界面上结霜过程中的传热传质驱动力。本文采用红外热像仪测量并辅助热电偶直接测量进行校正的方法测量霜层表面温度[14]，通过实验研究了翅片管换热器表面霜层生长的规律及换热面几何参数的影响。

1 实验装置

翅片管换热器结霜性能实验系统放置于焓差法空调器性能实验台[14]室外侧，参数测量点见图1。实验系统主要由环境室实验系统、结霜风道系统、低温恒温水槽系统、数据测控系统四部分组成。其中，环境室用于模拟冬季室外侧工况[14]，并依据传感器的输出量进行PID 反馈精准调控环境温度和相对湿度。空气均匀进入安装在结霜风道入口的被试换热器，然后进入风量测量装置，风量大小由变频风机来调节；选用ZYHW－30 型低温恒温水槽为换热器提供冷源，用于模拟实际热泵系统的蒸发温度，通过PID调节控制水槽液体的温度，水槽载冷剂为体积分数为50%的乙二醇去离子水溶液[14]。

图1 换热器结霜实验系统原理Fig.1 Principle of frosting experimental system for heat exchanger

由压力变送器测量喷嘴前后压差来计算通过换热器的空气流量，采用精度为±0.1 ℃的Pt100 铂电阻测量空气干、湿球温度；相对湿度由HMP230 测量，精度为±2%；换热器迎面风速通过TSI9545 热线风速仪测量，精度为±0.015 m/s，用于校核表面温度的T型热电偶线径0.1 mm，霜层厚度的直接测量误差与显微镜放大倍数有关[14]；通过SZ66 连续变倍体视显微镜、CCD 高速摄像机及图像分析系统测量结霜过程中的霜层厚度；当相邻两翅片上霜层间距为一个显微刻度(约0.2 mm)时认为结霜过程结束[17]。结霜量通过换热器进出口含湿量差及空气流量计算而得，误差为3.74%，时间步长(Δτ)内换热器结霜量为:

式中:Va为通过换热器的空气流量，m3/s；ρ为密度，kg/m3；ωi、ωo分别为换热器进、出口湿空气的绝对含湿量，g/(kg 干空气)。

实验中采用红外热成像仪对霜层表面温度进行测量，并用热电偶直接测量装置进行校核[14]。如图2所示为了精确地测量霜层表面温度，将热电偶感温包固定在千分尺上，在体视显微镜下置于霜层表面。千分尺测量杆与热电偶探头刚性连接，热电偶使用前根据需要测量温度的区间进行标定数值，取得热电偶的标定曲线，通过显微镜观察，轻微调节千分尺连接热电偶探头位置，使得探头正好紧贴霜层表面来测量霜层表面温度。红外热像仪精度为±2%、千分尺精度为±0.01 mm、T 型热电偶线径0.1 mm，精度为±0.1 ℃。

翅片管换热器为单排结构，单个翅片尺寸为304.80 mm×21.65 mm，实验件结构如图3所示，管外径9.52 mm，孔距为25.4 mm，采用7 种不同翅片主要参数如表1所示。

图3 翅片管换热器结构Fig.3 Finned tube heat exchanger

2 实验结果与分析

课题组前期研究结果表明，0 ℃左右是结霜最严重的工况条件[18]，而70%相对湿度为空气源热泵比较常见的环境湿度，因此本文选择室外环境温度为0℃、相对湿度为70%工况，通过实验研究翅片型式及节距对换热器表面霜层生长及换热特性的影响，实验中载冷剂温度设定为－15 ℃，换热器迎面风速为1.7 m/s。

2.1 翅片型式对表面霜层生长特性的影响

对翅片节距为2.2 mm 而翅片型式不同的3 种换热器样本进行表面霜层生长特性实验，翅片型式分别为平片、波纹片及条缝片，即表1 中的实验样本1～3，实验结果如图4～图9所示。

表1 换热器翅片参数Tab.1 Heat exchanger experimental partgeometric parameters

图4 翅片类型对结霜厚度的影响Fig.4 Effects of fin type on frost layer thickness

图5 翅片类型对结霜量的影响Fig.5 Effects of fin type on frost mass

图6 翅片类型对空气侧压降的影响Fig.6 Effects of fin type on air pressure drop

图4～图7 分别表示不同型式翅片表面霜层厚度、结霜量、换热量随结霜时间的变化。由图4 可以看出，对于3 种型式的翅片管换热器，表面霜层厚度在结霜初始阶段(约10 min)增长速度较快，随后霜层增长速度逐渐放慢。在这3 种型式的翅片中，相同结霜时间下平直翅片表面霜层厚度最小，而波纹片及条缝片表面霜层厚度差别不大，波纹翅片表面霜层厚度略大于条缝片，但在结霜后期(约45～50 min)，条缝片表面霜层增长速度加快，并逐渐超过波纹片表面霜层厚度。条缝片表面霜层厚度的快速增长，导致条缝片换热器结霜周期最短，而平片换热器结霜周期最长。由图5 结霜量增长曲线可以看出，3 种型式翅片表面的结霜量均呈近似线性方式增长，且在相同结霜时间下平片表面的结霜量明显小于其他两种翅片表面结霜量，而波纹片及条缝片表面的结霜量曲线在前45 min 内几乎重合，其后波纹翅片表面结霜量增长速度逐渐减小。

图7 翅片类型对换热量的影响Fig.7 Effects of fin type on heat transfer

综合分析图4 及图5 可以发现在结霜后期，霜层厚度和结霜量的增长速度并不是一致的，特别是对于条缝片和波纹片换热器，霜层厚度的增长速度更快，这造成不同阶段霜层形态的不同，密度不同，这与课题组前期的研究结论是相同的[7，14，15－16]。从图6所示3 种翅片换热器空气侧压降可以看出，条缝片换热器空气侧压降始终高于其他两种翅片换热器，平片换热器空气侧压降最小，但与波纹片换热器相差不大；在结霜后期，条缝片和波纹片换热器空气侧压降增长速度加快；这是由于在结霜后期条缝片的窗孔阻塞严重，而波纹片间霜层相互影响，造成换热器空气阻力的增大，并加快了霜层增长速度。

图7所示为3 种翅片换热器的换热量动态曲线，为了比较换热器在整个结霜－除霜周期中的平均换热量，图中表示出了换热器在整个结霜－除霜周期中的换热量平均值:

式中:Qi为各点换热量实验值，W；Δτ为实验测点间隔时间，min；τf、τdef分别为结霜周期、除霜周期，min。根据实验数据，3 种换热器的除霜周期取为6 min，除霜期间换热量为零。

由图7 换热量的变化曲线可知，3 种翅片换热器的换热量均呈先升后降的变化趋势，且波纹片及条缝片换热器的换热量始终高于平片换热器的换热量，这是由于条缝片及波纹翅片的强化传热所致。但从结霜－除霜周期内的平均换热量来看，波纹片换热器平均换热量最大，条缝片次之，平片换热器平均换热量最小，波纹片及条缝片换热器的平均换热量比平片换热器分别高2.67%、2.05%。

总的来说，条缝片及波纹翅片表面霜层厚度及结霜量均大于平片换热器，而结霜周期则小于平片换热器，说明条缝片及波纹片比平片换热器更易于结霜，但结霜－除霜周期内的平均换热量高于平片换热器；结合波纹片换热器空气侧压降特性(图6)可知，对于工作在结霜工况下的换热器而言，波纹片换热器是一个合适的选择。

造成不同翅片型式的换热器表面霜层生长特性及换热特性不同的原因是不同翅片换热器霜层表面对流传热系数不同，因而其霜层表面温度不同，这造成霜层－湿空气间传热、传质驱动力的不同，即霜层表面温度与环境温度的差异为霜层生长提供的传热驱动力不同，同时环境中湿空气的水蒸气分压力与霜层表面饱和湿空气中水蒸气分压力的差异为结霜过程提供的传质驱动力也不同；换热器表面霜层生长是在传热及传质驱动力的共同作用下进行的，因此霜层表面温度是影响霜层生长特性的关键因素[14]。由于霜层表面温度的测量比较困难，大部分研究者在实验过程中测量翅片或铜管等冷表面温度，用以分析霜层生长特性；但冷表面温度并不能真实地反映霜层表面温度的变化，特别是在结霜后期，由于霜层厚度较大，两者差别较大。本文实验测量了霜层表面温度，并假定霜层表面湿空气为饱和状态，从而确定湿空气温度与霜层表面温度差及湿空气中水蒸气分压力与霜层表面饱和湿空气中水蒸气分压力差，可直观地看出不同翅片型式换热器表面传热驱动力和水蒸气传质驱动力的不同。由图8 可知，在结霜初始阶段(约10 min)，霜层表面温度及界面水蒸气分压力差几乎不变，随后霜层表面温度开始逐渐升高，而界面水蒸气分压力差则逐渐减小，造成结霜后期霜层增长放缓及换热量减小；同时可以看到，波纹片及条缝片霜层表面温度随时间变化曲线几乎重合，且低于平片霜层的表面温度，说明平片表面结霜过程的传热驱动力低于条缝片及波纹片，因此导致平翅片管换热器换热量低于波纹片及条缝片换热器的换热量(如图7)。由图9 可知，波纹片及条缝片表面霜层的界面水蒸气分压力差始终高于平片，因此在相同的环境工况下，条缝片及波纹片表面均有着更高的利于结霜的传热及传质驱动力，因此结霜速度较快。

图8 翅片类型对霜层表面温度的影响Fig.8 Effects of fin type on frost surface temperature

图9 翅片类型对界面水蒸气分压力差的影响Fig.9 Effects of fin type on interface water vapor pressure difference

2.2 翅片节距对表面霜层生长特性的影响

在上述实验工况下对不同翅片节距的波纹片换热器样本进行换热器表面霜层生长特性实验，实验样本为表1 中2 和4～7，实验结果如图10～图13所示。

图10所示为不同翅片节距条件下霜层厚度随结霜时间的变化曲线。翅片节距越大，换热器结霜周期越长，且霜层厚度曲线斜率越大，说明霜层厚度增长速度越快；而到结霜后期，霜层厚度的增长曲线逐渐趋于平缓。翅片节距对结霜周期的影响一方面反映了不同翅片节距下换热器翅片表面霜层增长速度的不同，同时对不同的翅片节距，其表面霜层最大厚度的不同也是造成结霜周期不同的原因。

图10 翅片节距对霜层厚度的影响Fig.10 Effect of fin pitch on frost layer thickness

图11 和图12所示为结霜过程中不同翅片节距对传热、传质驱动力的影响。由图11 可知，结霜过程中不同翅片节距条件下霜层表面温度的变化趋势一致，呈现翅片节距越小霜层表面温度越低的趋势，因而界面水蒸气分压力差也较大，但数值差别不大，即翅片节距对界面传热、传质驱动力的影响较弱，这与翅片节距对结霜量的影响趋势是一致的(图13)，这可能是由于在迎面风速相同的条件下不同翅片节距换热器翅片表面风速不同而引起的。因此，在小翅片节距条件下霜层生长的传热及传质驱动力均较高，翅片表面结霜量较大；而在同一结霜进程下，结霜后期霜层表面温度较高，界面水蒸气分压力差减小，因此结霜量及霜层厚度的增长趋缓。

图11 翅片节距对霜层表面温度的影响Fig.11 Effects of fin pitch on frost surface temperature

图12 翅片节距对界面水蒸气分压力差的影响Fig.12 Effects of fin pitch on interface water vapor pressure difference

图13 翅片节距对结霜量的影响Fig.13 Effects of fin pitch on frost mass

比较图10～图12 可知，对于翅片节距较小的换热器，虽然传热和传质驱动力均大于翅片节距较大的换热器，同一结霜时间下，霜层厚度始终低于翅片节距较大的换热器，这可能是由于翅片节距较大的换热器翅间空气流动速度较低。与图13 结霜量曲线比较可以看出，翅片节距越大，霜层密度越小；实验中也发现，大节距翅片换热器表面霜层比较疏松。

图14 为不同节距换热器动态换热量曲线，可以看出，换热量变化均呈先升高后降低的变化趋势。翅片节距为1.6、1.9、2.2 mm 的换热器最大换热量较大且比较接近，但翅片节距为1.6 mm 的换热器的换热量在结霜后期下降得很快。从图中5 种翅片节距的换热器在结霜－除霜周期中的平均换热量可以看出，翅片节距为1.6 mm 和2.2 mm 的换热器平均换热量相近，高于其他翅片节距的换热器。原因在于随着翅片节距的增大，换热面积减小，造成换热量降低；对于翅片节距较小的换热器，虽然换热面积较大，但结霜周期较小；同时，因为翅片节距减小导致换热器空气侧阻力增大，如图15所示，使换热系数降低，换热量减小。总的来说，过大或过小的翅片节距均会造成换热器平均换热量减小，在实验工况下最佳翅片节距约2.2 mm。

图14 翅片节距对换热量的影响Fig.14 Effects of fin pitch on heat transfer

图15 翅片节距对阻力的影响Fig.15 Effects of fin pitch on resistance

3 结论

本文在实验工况为室外环境温度为0 ℃、相对湿度为70%、载冷剂温度为－15 ℃、换热器迎面风速为1.7 m/s 条件下，通过实验研究了平片、波纹片、条缝片3 种翅片型式换热器表面结霜特性及不同翅片节距换热器表面霜层生长规律，结论如下:

1)3 种形式翅片中，波纹片及条缝片翅片换热器界面传热、传质驱动力高于平片，造成其表面霜层生长速度大于平片。在结霜后期条缝片霜层生长速度显著加快，造成在3 种翅片中条缝片表面结霜周期最短，而平片表面结霜周期最长。

2)在整个结霜－除霜周期中波纹片换热器平均换热量最大，比条缝片和平片换热器分别大0.61%和2.67%。对于工作在结霜工况下的换热器而言，波纹片换热器是一个合适的选择。

3)翅片节距越大，其表面霜层厚度增长越快，且结霜周期越长，但翅片节距对霜层生长的传热、传质驱动力影响不大，大节距翅片换热器表面霜层较为疏松。综合考虑结霜－除霜周期中换热器平均换热量及空气侧阻力，结霜工况下波纹片换热器最佳翅片节距约为2.2 mm。