【技术】翅片结构对换热器结霜的特性影响
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，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%。
本期我们将给大家分享一篇换热器表面霜层生长特性的研究文章。
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。
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。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。
翅片管换热器为单排结构，单个翅片尺寸为304.80mm×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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。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。
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，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。
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、三 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。