波纹翅片管换热器广泛应用于居民住宅、商业建 筑和工业制冷空调系统中，但易受大气中粉尘，衣物、毛发和纸屑等颗粒物的影响，一旦粉尘污垢增大空气侧热阻并减小空气流通面积，就容易造成换热器换热能力衰减、空气侧压降增大。实际调研数据表明使用近7年的房间空调换热器由于受积灰的影响，制冷能力会下降10%～15%、空气侧压降会增大44%以上。
这些成分复杂的粉尘污垢在换热器表面的沉积状况会受到多个因素的影响，包括大气粉尘浓度、过滤网的过滤效率、空调实际运行工况、换热器结构形式等。由于波纹翅片管换热器在使用过程中的性能变化与直接沉积在换热器表面的粉尘相关，因此有必要针对粉尘在换热器表面的沉积特性进行研究。通过了解粉尘在换热器表面的分布特征及沉积量大小，可准确、方便地预测波纹翅片管换热器的性能变化。本文的目的即是通过实验的方法，观察粉尘在波 纹翅片管换热器表面的分布特征及沉积量大小，并分析粉尘沉积量与波纹翅片结构形式及喷粉工况之间的定量关系。本实验的目的是，在常见的工况和结构条件下，观察波纹翅片管换热器表面粉尘沉积的分布特征形态，测量样件的积灰量。变化的工况参数包括: 喷粉浓度和喷粉速度; 结构参数主要是翅片形式的变化。整个实验装置包括风道系统、粉尘发生装置、测试段和测试样件，如图1所示。风道系统用于给测试样件提供连续均匀的含尘气流，包括空压机和透明风道。由可调风量且具有干燥功能的静音无油空压机( 型号为 Greeloy GA-82Y) 调节气流源，在风道入口处提供稳定的风速为 1 ～ 3 m / s 的空气，空气将粉尘发生装置中的粉尘吹出形成含尘气流，其中空压机的体积流量测量精度为 ± 2 L / min。
采用透明的有机玻璃风道引导含尘气流流经测试样件，便于对换热器表面的粉尘沉积分布特征进行拍摄。风道的横截面尺寸为 50 mm × 50 mm、总长为 1200 mm，同时将风道形状设计为Z 形，使粉尘颗粒物与空气充分混合，保证吹向测试样件的含尘气流中的粉尘浓度的均匀性。含尘气流吹向测试样件后，经风道系统排向室外。粉尘发生装置的构造如图 2 所示，采用开缝设计，每条缝的大小为50 mm × 2 mm × 3 mm，总计有16 条缝。
实验前先将粉尘发生装置填充满粉尘样品，则粉尘会堆积在各条缝里并裸露在风道中。粉尘样 品为白陶土，主要成分为二氧化硅，平均粒径为 10 μm，密度为 2. 2 × 103 kg /m3 。实验时将填充满粉尘样品的发生装置插入风道中，并在风道里留有一定 的缝高，风道入口处的气流将每条缝中的粉尘吹出 并形成具有一定浓度的含尘气流，同时粉尘发生装 置内部的粉尘会在自身重力作用下继续填充满风道内的各条缝中，依此实现喷粉的连续性。通过调节粉尘发生器插入风道中的缝高可以调节单位时 间内的粉尘吹出总量，从而调节流经测试样件的气 流中的粉尘浓度。测试段由测试样件、托盘、分析天平和支撑架组成，如图 3 所示。
在位于测试段位置的风道底部开有尺寸为 50 mm × 56 mm 的通道，用于将测试样件嵌入风道中。测试样件装在玻璃托盘上，三种测试样件的质量在16～24 g之间，托盘底下安置有分析天平，分析天平的最大量程为 210 g、测量精度为 ± 10 mg。为了能够 准确测得样件积灰前后的重量，托盘的重量不宜过大，本文选用质量为 44. 3 g 的玻璃托盘; 同时为了避 免超出分析天平的最大量程，采用支撑架来支撑风道，保证风道不与托盘或分析天平接触。通过测量经一定喷粉时间后的测试样件重量，可以计算得出测试 样件表面的粉尘沉积量大小。测量换热器表面粉尘沉积量的具体实验方案为: 空压机出来的空气( 压力为 0. 2 ～ 0. 3MPa) 通过有机 玻璃风道流经粉尘发生装置，将插入风道内的粉尘发生装置中每条缝里的粉尘吹出，含尘气流经 Z 形通道绕流后使空气和粉尘充分混合; 通过调节空压机流 量和插入风道中的粉尘发生装置缝高，可以调节实验 所需的喷粉速度和喷粉浓度，含尘气流吹向测试样件 后排向室外; 通过风道外部的摄像机对测试样件表面 的粉尘沉积分布特征进行拍摄，同时测试样件积灰前 后的重量由分析天平测得。实验样件选取为 3 种典型的空调用波纹翅片管换热器，翅片间距分别为 1. 6 mm、2. 2 mm 和3. 2 mm。样件的结构如图 4 所示，具体参数如表 1 所示。
空调室外机常见的风速范围为 1~3m / s，本文 中喷粉速度分别选取为 1 m / s、2 m/ s 和 3 m / s。为了 加速粉尘沉积的实验进程，本文选取的喷粉浓度大于 实际大气环境中的粉尘浓度，分别为 80 kg /m3 、160 kg /m3 和 280 kg /m3 。喷粉时间总长为 90 s，其中每 隔 15 s 处理一次实验数据。本文针对粉尘在换热器表面沉积特性的研究，需要得到各样件表面单位面积上的粉尘沉积量与不同 喷粉浓度和气流速度之间的关系。换热器单位面积上的粉尘沉积量可由式( 1) 求得:
式中: m 为单位面积粉尘沉积量，g/m2 ; m1 和 m2 分别为喷粉前后的样件质量，由分析天平测得，g; Afin 为换热器的空气侧表面积，m2。气流速度 v 通过调节空压机的风量得到，计算公式如式( 2) 所示:式中: v 为气流速度，m / s;V为空压机的风量，m3 / s; Aduct 为换热器迎风面积，m2。对喷粉浓度的求解首先需要求得粉尘的质量流量。由于粉尘颗粒物的粒径较小，颗粒物随气流的跟 随性较好，颗粒物的吹出速度能够很快达到与气流速度一致。因此通过调节粉尘发生装置插入风道内的 缝高可以求得粉尘的质量流量 m ，如式( 3) 所示:式中: m为粉尘质量流量，kg /s; N 为缝数目; w 为缝宽，mm; l 为缝高，mm; ρ 为粉尘密度，kg /m3 。求得粉尘的质量流量后，可以计算喷粉浓度c， 如式( 4) 所示:( 4) 式中: c 为喷粉浓度，kg /m3。可知，喷粉浓度只与插入风道中的粉尘发生装置的缝高有关。根据 Moffat［文献：韩占忠，王敬，兰小平． FLUENT—流体工程仿真计算实例与应用［M］． 北京: 北京理工大学出版社，2004．］方法对实验过程中的喷粉速度、喷粉浓度以及样件单位面积上的粉尘沉积量进行误差分析，分析结果见表 2。
图 5～图7分别给出了三种不同翅片间距的样件在喷粉速度为 2 m / s、喷粉浓度为 280 kg /m3 、喷粉时长为90 s下的粉尘沉积分布特征图。
由图5~图7可知，大部分粉尘沉积在换热器迎风面的翅片前缘处及换热管的迎风面上，而在换热器背风面的翅片表面上沉积较少。通过分析粉尘在翅片表面的沉积特性可知，由于 翅片前缘正对着含尘气流，粉尘会首先撞击并沉积在 翅片前缘处，使得翅片前缘处的沉积厚度不断增大; 已沉积的粉尘会阻碍含尘气流的流动，从而抑制粉尘在翅片后缘的沉积。另外，由于正对着含尘气流的换热管表面为污垢生长的区域，随着含尘气流不断掠过管表面，粉尘会在换热管迎风面上不断增厚。图8所示为在喷粉速度3 m / s、喷粉浓度 280 kg /m3 下，翅片间距分别为 1. 6 mm、2. 2 mm 和 3. 2 mm 时，换热器单位面积粉尘沉积量随时间变化的曲线。
由图8可知，随着翅片间距的减小，相同喷粉时 间内的换热器单位面积粉尘沉积量逐渐增大。当翅片间距由 3. 2 mm 减小为 2. 2 mm，即减小 33% 时，单位面积粉尘沉积量平均提高约 8. 1% ; 而当翅片间距 由 3. 2 mm 减小为 1. 6 mm，即减小 50% 时，单位面积粉尘沉积量平均提高约 52% 。通过分析可知，在同样的喷粉浓度和喷粉速度下，翅片间距越小，与粉尘颗粒物接触的换热器表面积越大，则粉尘颗粒物在翅片之间发生碰撞的概率明显增大，从而导致粉尘颗粒物在翅片表面的沉积量增大。另一方面，翅片间距越小，在换热管表面沉积的 粉尘越不容易被气流吹走，从而粉尘更容易堆积在换 热管上。图 9 所示为在喷粉速度 3 m /s、翅片间距 2. 2 mm 下，喷粉浓度分别为 80、160 和 280 kg /m3 时，换热器单位面积粉尘沉积量随时间变化的曲线。
由图9可知，随着喷粉浓度的增加，相同喷粉时间内的换热器单位面积粉尘沉积量逐渐增大。当喷粉浓度由 80 kg /m3 增大为 160 kg /m3，即增大 100% 时，单位面积粉尘沉积量平均提高24. 3%; 而当喷粉浓度由 80 kg /m3 增大为 280 kg /m3 ，即增大250%时， 单位面积粉尘沉积量平均提高88. 2% 。这是因为在相同的翅片间距和喷粉速度下，喷粉浓度越大，相同喷粉时间内与翅片和换热管表面发生碰撞的颗粒物数量明显增多，导致粉尘颗粒物在翅片和换热管表面的沉积量增大。图10所示为在喷粉浓度280 kg/m3 、翅片间距 2. 2 mm下，喷粉速度分别为 1 m / s、2 m / s 和3m / s 时，换热器单位面积粉尘沉积量随时间变化的曲线。
由图10可知，随着喷粉速度的增大，相同喷粉时间内换热器单位面积粉尘沉积量的变化与喷粉速度不存在正比关系，而是先增大后减小。当气流速度由 1 m / s 增大为 2m / s，即增大 100% 时，单位面积粉尘 沉积量平均提高12.2% ; 而当气流速度由1 m / s 增大 为 3 m /s，即增大 200% 时，单位面积粉尘沉积量平均 下降 6.3% 。通过分析可知，低风速下黏附在翅片和换热管表 面的粉尘颗粒物不容易被气流带走，粉尘颗粒物能够 在换热器表面形成较厚的污垢层，在低风速段中随着风速增大，单位时间内与换热器表面发生碰撞沉积的 粉尘颗粒物数量增多，使得粉尘沉积量增大; 而在高风速下，粉尘颗粒物在换热器表面达到一定沉积厚度时容易 被 气 流 吹 走，能够抑制粉尘在换热器表面 沉积。本文搭建了积灰可视化实验台来观测粉尘在波 纹翅片管换热器表面的分布特征并测定粉尘沉积量， 其中测试样件的翅片间距范围为 1. 6~3. 2 mm，喷粉浓度范围为 80~280 kg /m3 ，风速范围为 1~3 m / s， 喷粉时间 15~90 s，得到如下结论:1) 含尘气流吹向波纹翅片管换热器，粉尘主要沉积在换热器迎风面的翅片前缘处以及换热管的迎风面。2) 翅片间距小时易于粉尘沉积; 在本文的实验工况下，翅片间距为1. 6 mm 样件的单位面积粉尘沉 积量较 3. 2 mm 样件最多增加了52% 。3) 提高喷粉浓度会增加粉尘沉积; 在本文的实验工况下，喷粉浓度为 80 kg /m3 时的单位面积粉尘 沉积量较 280 kg /m3 最多增加了88. 2% 。4) 高风速能够抑制粉尘沉积; 在本文的实验工况下，风速为3 m / s 时的单位面积粉尘沉积量较1 m/ s最多下降了6. 3% 。
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