風速對空氣源熱泵翅片管換熱器結霜特性影響

尹從緒1，陳軼光2

 (1．中國制冷學會，北京100142;2．杭州杭氧股份有限公司，杭州310014)

摘要:針對風速對空氣源熱泵翅片管室外換熱器結霜特性的影響進行了實驗研究。實驗結果表明，結霜量隨風速的增加不是成線形增長，在風速為1．3m/s時結霜量最小。霜層厚度隨著風速的增加反而減小，而翅片管換熱器的最大換熱量隨著風速的增加而增加。
    關鍵詞:風速;空氣源熱泵;結霜
    1·前言
    空氣源熱泵在冬季某些氣象條件下運行時室外換熱器表面會產生結霜現象，隨著霜層厚度的增加，逐漸覆蓋整個蒸發器，空氣流通面積不斷減小從而使通過室外換熱器的空氣流量也不斷減小，同時，霜層導熱熱阻隨著霜層的增加也不斷的增加，嚴重破壞了空氣與制冷劑之間的換熱，使翅片管換熱器換熱性能急劇下降。因此探討室外換熱器表面結霜規律對解決空氣源熱泵空調穩定、高效工作問題具有重要意義。本文采用實驗的方法對風速對空氣源熱泵翅片管換熱器結霜性能的影響進行了研究。
    2·實驗裝置與實驗方法介紹
    2．1實驗裝置
    整個實驗系統由焓差法空調器實驗室、空氣源熱泵樣機、測量系統三個部分組成，焓差法空調器實驗室用于模擬實驗所需的室內外側環境，實驗樣機的室內、室外機組分別放于焓差法空調器實驗室室內、室外側。翅片管換熱器的循環參數及其進出口溫度、濕度、風速及換熱器壁面溫度采用計算機數據采集和處理。實驗系統如圖1所示，表1給出了實驗樣機的換熱器參數。

            
    2．2結霜量的測量
    在實驗中，室外換熱器進口均勻布置了16個溫濕度傳感器和風速傳感器，在其出口布置4個溫濕度傳感器，通過測量換熱器進口平均風速計算換熱器空氣流量，利用布置在進出口的溫濕度傳感器測量換熱器進出口的干球溫度和相對濕度，計算出進出口空氣含濕量。單位時間內室外換熱器的結霜量則由下式計算:

            
    實驗中，溫濕度和風速傳感器采用TSI公司生產的型號為HUMOR10和TSI8465的傳感器，其精度分別為2%RH，0．1℃和0．5%。溫度采用天津儀表廠生產的T型銅－康銅熱點偶，其精度為0．1℃，溫度巡檢儀采用橫河公司生產的IM-DR232－1E，精度為0．1℃，壓力傳感器采用寶雞麥克生產的MPM480傳感器，精度為0．25%。
    2．3實驗工況
    為了研究不同風速條件下空氣源熱泵翅片管換熱器的結霜性能，本文在不同的空氣入口風速條件下對一臺空氣源熱泵翅片管換熱器結霜性能進行了實驗研究，入口空氣溫度為0℃，入口空氣濕度為65%，入口空氣進風風速變化范圍為1．1～1．6m/s，對于所有工況下室內空氣溫度、濕度和風速均控制在20℃、50%和2．2m/s。
    3·實驗結果及分析
    從圖2可以看出，隨著時間的增加，翅片管換熱器上的霜的沉積量也迅速增加，且結霜量隨時間幾乎曾線形增加。這與其他研究者［1－3］的預測或實驗結果是一致的。從圖3可以看出在其它進風條件不變時進口風速為1．6m/s時結霜量最大，1．1m/s其次，1．3m/s最小。隨風速的增加不是成線形增長，而是成上凹形，其原因可能是在風速為1．3m/s左右這個范圍內霜層密度的增長最小，所以結霜量也最小。

            
    從圖4可以看出，結霜厚度隨時間不是呈線性增長的，隨著時間的增加霜層厚度增長的越快，其原因主要是隨著霜層在翅片管換熱器表面積聚，換熱器表面的溫度呈下降的趨勢，特別在在結霜后期，霜層厚度的增加使得導熱熱阻積聚增大，同時霜層也堵塞了大部分肋片通道，使得空氣流量急劇減小，使得傳熱效果急劇惡化，從而加快了霜層的增長。從圖5可以看出，入口風速越大，霜層厚度的增長速度越小，這是因為入口風速越大，翅片表面換熱系數也越大，在相同的大氣溫度下，制冷系統的蒸發溫度越高，導致翅片溫度越大。

           
    從圖6可以看出，隨著風速的增加翅片管換熱器的最大換熱量也增加，其原因主要是風速越大翅片管的換熱效果越好，換熱量也越大。從圖中還可以看出在霜層形成的初始階段，結霜不但對翅片管換熱器的換熱沒有影響，反而還提高了其換熱性能。以風速1．6m/s為例進行說明，在前30分鐘換熱器的換熱量隨著結霜時間增大，之后開始勻速衰減，但是在運行100分鐘后，換熱量的衰減速度開始迅速加大。產生這種現象的原因主要是:在結霜初期，由于霜層較薄，有霜層引起的導熱熱阻的增加很小，而霜層在換熱器表面的沉積使其形成了粗糙面，增加了對流換熱系數，從而增強了換熱器的換熱效果，使得翅片管換熱器的換熱量等均增大。隨著霜層的增加，霜層的導熱熱阻不斷增大，翅片管換熱器的傳熱性能降低，使得其換熱量也下降，運行100分鐘后，換熱器表面已經沉寂了較厚的霜層，形成的導熱熱阻使蒸發壓力迅速下降，另一方面，由于霜層占據了大部分肋片通道，使得空氣流量迅速下降，這大大惡化了傳熱效果，從而造成翅片管換熱器的換熱量迅速下降。
    4·結論
    (1)結霜量隨時間的增加呈線性增長，而霜層厚度隨時間的增加呈上拋物線的形式增長。
    (2)結霜量隨風速的增加不是成線形增長，存在一個結霜量最小的風速。霜層厚度隨著風速的增加反而減小，而翅片管換熱器的最大換熱量隨著風速的增加而增加。
    (3)在霜層形成的初始階段，結霜不但對翅片管換熱器的換熱沒有影響，反而還提高了其換熱性能，隨后隨著霜層厚度的增加翅片管換熱器的換熱性能開始衰減。
    參考文獻：略