【HETA】室外环境参数对空气源热泵翅片管蒸发器动态结霜特性的影响

我们都知道，如果气温过低，空气源热泵空调器室外换热器会结霜。

一方面，随着蒸发器表面霜层的增厚，空气流通面积减小，造成空气流动阻力增大，从而使风机流量减小；另一方面，霜层形成的冷表面与空气间的热阻恶化了盘管的换热效果，使热泵性能衰减，严重时会导致热泵不能正常工作。

因此今天我们就来探讨室外换热器表面结霜规律，并通过实验研究进风空气的温、湿度对热泵空调器室外换热器结霜性能的影响。

一：实验装置与试验方法

1、实验装置 

实验系统如图1 所示，实验热泵样机的室内、外机组分别放置在焓差法空调器实验台的室内、外侧，热泵室内机与室外机用长约5m 的管道相连。实验台测控系统控制两台空气处理机组以模拟所需的室内外侧环境，并测量空调器的制热量、风量、功率消耗及热泵系统各测点制冷剂压力、过冷度、过热度等技术参数。

为了测量通过室外换热器的风量、结霜量及换热器表面温度而又不破坏其轴流风机的自然工作状态，在室外换热器进风口分别布置了16个风速传感器和16个温、湿度传感器，在出风口布置了4个温、湿度传感器，在换热器管端弯头上敷设了26个铜-康铜热电偶以测量换热器壁温。热电偶均在恒温浴槽中经过标定，所有参数采用计算机数据采集和处理，测量仪器和传感器精度如表1所示。

△T 时段内室外换热器的结霜量由换热器进、出口空气的平均含湿量差及质量流量计算：将各个时段的结霜量累计可得到对应时间的瞬时结霜量。

翅片表面霜层厚度采用显微照相方法测量，显微镜放大倍数为90倍。实验中首先调整非结霜翅片的边缘基准，然后在结霜工况下每隔5分种记录一次霜层表面读数。霜层厚度用直接读数和图像处理两种方法进行测量。

2、实验样机 

实验样机室外换热器为2排波纹片肋管式，分8路供液；室内换热器为4排波纹片肋管式，分6路供液，图2所示为其管排布置示意图。换热器结构参数如表2所示。节流元件为毛细管，内径为2.96mm，管长为70mm。压缩机额定工况制冷量为11.2KW.

3、实验工况 

为了研究不同温、湿度条件下热泵空调器室外换热器的结霜规律，在不同入口空气温度及相对湿度条件下对实验热泵样机进行了实验，入口空气温度变化范围为-15℃~5℃、入口空气相对湿度变化范围为50%~90%，共计30 个工况，实验中发现，有些工况不发生结霜现象。对所有实验工况室内侧环境温度均控制在20℃，相对湿度控制在50%。

二：实验结果及分析

1、进风温、湿度对结霜量的影响

图3给出了相对湿度φ=75%、进风温度不同的各工况结霜量随时间的变化曲线。从图中可以看出，各种工况条件下结霜量随时间几乎线性增长。

对于图中φ=75%的工况，存在一个使结霜速率最大的进风温度范围：当进口空气温度低于0℃时，随着温度降低，结霜速率减小；而当进风温度高于3℃时，随着进风温度升高，结霜速率也减小。将实验样机在不同工况下运行35分钟后的结霜量进行比较，如图4所示。

从图4（a）可以看出，实验值在不同相对湿度工况条件下进风温度均在0℃~3℃范围内结霜速率最大，将其称之为严重结霜温区。对于实验样机，对不同的进风相对湿度工况，严重结霜温区均为0℃~3℃，即严重结霜温区与进风相对湿度无关。

出现严重结霜温区的原因主要是由于进风温度在此温度范围内时空气含湿量较大，同时壁面温度也较低，最适合霜的生长；进风温度低于此温度时，虽然壁面温度更低，但空气含湿量却比较小，因此结霜速率较小；而当进风高于此温度时，虽然空气含湿量较大，但壁面温度较高，也不易结霜。从图4（b）中可以看出，不同进风温度条件下进风相对湿度对结霜量的影响曲线为一组近似平行的直线，说明结霜量随相对湿度的增长近似线性增长，且单位相对湿度增加引起的结霜量增加量与进风温度无关。

2、进风温、湿度对霜层厚度的影响

图5给出了不同进风温度条件下实验样机室外换热器翅片表面霜层厚度随结霜时间的增长曲线。

图6所示为其中一个工况的霜层照片。

从图中可以看出，在结霜开始阶段（约占整个结霜时间的20%—25%）霜层增长较快，而后霜层增长速率减小，进入匀速增长阶段，在结霜循环的最后20%—30%时段内霜层生长速率大大加快，加速段霜层增长速率约为匀速增长段的2.4~3.3倍，使得霜层厚度随时间的变化在后半段形成上凹型曲线。实验结果与作者的数值计算结果趋势是一致的。文献中模拟的是蒸发温度不变条件下的霜层增长规律，因此得出霜层厚度增长越来越慢的结论。

实际上随着霜在换热表面上的沉积，制冷系统循环参数（蒸发温度、冷凝温度等）是变化的，如图"所示，随着霜层厚度的增加，换热器表面温度呈下降趋势，特别在结霜循环后期，蒸发器表面温度下降明显加快。产生这种现象是由于在结霜循环后期换热器表面霜层增加了导热热阻，同时霜层此时已占据了肋片通道的约½以上（图6），导致风机流量下降了约30%，大大恶化了传热效果；

两种因素的共同影响，使得蒸发温度和蒸发器表面温度下降（图7），这反过来又加速了霜层生长，形成恶性循环，造成在结霜循环后期蒸发器表面温度迅速下降和霜层厚度快速增长。由于结霜量随时间几乎线性增长（图3），因此在结霜循环后期霜密度必然呈下降趋势。实验中观察到在结霜循环后期霜层比较疏松（图6），但由于缺乏有效的测试手段，关于霜密度的变化只能得到定性的结论。

将实验样机在不同工况下运行35 分钟后的霜层厚度进行比较，如图8所示。从图8（ a）可以看出，与进风温度对结霜量的影响类似，在所有工况条件下，当进风温度在严重结霜温区时霜层厚度增长最快。图8（b）为不同进风温度条件下进风相对湿度对霜层厚度的影响曲线，可见不同进风温度条件下的各曲线为一组放射状直线，且在严重结霜温区（0℃）霜层厚度, 相对湿度曲线斜率最大。因此从图中可以得出两点结论：

1）对于一定的进风温度，霜层厚度随进风相对湿度线性增长；

2）在严重结霜温区（0℃）相对湿度对霜层厚度的增长速率有更大的影响，单位相对湿度增加引起的霜层厚度的增加量约为进风温度为-5℃条件下的1.5倍。

将图8（b）所示相对湿度对霜层厚度的影响规律与图4（b）所示对结霜量的影响相比较可以发现，相对湿度对霜层厚度的影响要大于对结霜量的影响。实验中观察发现，对于相对湿度较大的工况，霜层比较疏松，且进风相对湿度越大，所形成的霜层的密度越小，这个问题尚待进一步研究。

三：结论

1、实验结果证明，热泵空调器室外换热器表面结霜量随结霜时间线性增长，而霜层厚度的增长存在初始段、匀速生长段和快速生长段三个阶段，初始段约占整个结霜周期的20%~25%，在结霜周期的最后20%~30%的快速生长段内霜层厚度增长速率大大加快，可达霜层匀速生长段的2.4~3.3倍。

2、存在一个使室外换热器表面结霜最为严重的室外空气温度，室外环境温度高于或低于此温度时结霜速度均放慢。对于实验热泵样机，实验发现严重结霜温度在0℃~3℃，且与进风相对湿度无关。

3、实验发现室外进风空气相对湿度越大，换热器表面结霜越严重，但相对湿度对结霜量的影响要小于对霜层厚度增长的影响，即相对湿度越大所形成的霜层密度越小。