肖宏新¹，赵密升²，李建国²，陈观生¹，刘良德¹，刘湘云¹，罗超鸿¹

（1.广东工业大学材料与能源学院，广州市番禺区 510006；2.广东纽恩泰新能源科技发展有限公司，广州市增城区 511340）

Study on Frosting Characteristics of Two Rows Finned Coils Evaporator in different Fin Pitches Xiao Hongxin1, Zhao Misheng2, Li Jianguo2, Chen Guansheng1,Liu Liangde1, Liu Xiangyun1, Luo Chaohong1

(1. School of Materials & Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006; 2. Guangdong New Energy Technology Development Co. Ltd, Guangzhou, 511340)

ABSTRACT: Finned coils in fixed fin pitches are mainly used in the outdoor heat exchangers of air source heat pumps (ASHP) at present. There are some problems such as more serious frosting and nonuniform frosting in the windward tube than in the rear tube under low temperature conditions. In order to solve the problems of heating capacity decline and defrost interval shorten caused by frost blockage in the fixed fin pitch, two rows finned coil evaporators in different fin pitches are numerically simulated under low temperature conditions, which is used to explore the influence of evaporators in different fin pitches combinations on frost mass, frost thickness, heat capacity and defrost interval, providing a reference to design the outdoor heat exchangers of ASHP.

Key words: air source heat pump; fin pitch; frosting; defrosting; evaporator

摘要：当前空气源热泵室外换热器主要采用固定片距的翅片盘管，存在低温工况下迎风面管排结霜较后排严重、结霜不均匀等问题。为了改善固定片距蒸发器前排结霜堵塞造成制热量下降、除霜间隔短等问题。本文对两排变片距翅片盘管蒸发器在低温工况下运行和结霜的情况进行数值模拟，探寻低温工况下不同翅片片距组合的变片距蒸发器对结霜量、结霜厚度、制热量及除霜间隔等的影响，为低温工况下空气源热泵蒸发器的设计提供参考依据。

关键词：空气源热泵；片距；结霜；除霜；蒸发器

 

引言

建筑能耗是全球人类总能耗占比最大的部分，约占30%-40%，同时也造成大量的碳排放[1-2]。空气源热泵作为一种环保高效的供暖技术，改变了传统供暖格局，有利于降低建筑能耗及其碳排放量。近年来在我国“煤改电”政策推动下空气源热泵得到了快速的发展[3-4]。热泵机组在我国长江中下游、西南和华南地区得到广泛应用，但是在冬季气温较低的地方，热泵机组供暖容易出现制热量下降、制热不稳定等问题。当环境温度在-7~5℃、相对湿度大于65%时，热泵机组室外蒸发器翅片盘管容易出现结霜问题[5]。霜层不仅会增加传热热阻，降低机组的制热量，当霜层积累过多还容易堵塞翅片，造成空气流动阻力增加，影响热泵系统的正常运行，严重时还会造成机组非正常停机[6]。

为了减少霜层的影响，国内外学者进行了许多实验及仿真研究。黄康[7]研究翅片管换热器结构对霜层生长的影响，比较不同翅片类型及翅片间距发现1.9mm的翅片管换热器平均传热性能最好。Zhang[8]研究两种翅片间距蒸发器在低温地区的结霜差异，结果表明3.2mm翅片间距的室外蒸发器更有利于热泵机组供热稳定。这些研究表明翅片间距对热泵蒸发器性能有一定的影响，合理的片距设计可以提高热泵机组供热性能，减少材料的浪费和成本，但没有将不同翅片间距的翅片换热管组合起来进行研究。本文进行了变片距蒸发器在低温工况下运行的仿真研究，探讨两排不同间距组合的蒸发器的结霜特性差异。

1、数值模拟方案设计

本文采用NIST的换热器仿真设计软件EVAP-COND对两排不同片距组合的翅片盘管蒸发器在结霜工况下进行数值模拟。选用的制冷剂为R410A，除翅片间距外各组蒸发器的结构参数相同，具体参数如表1所示。将固定2mm翅片间距的两排蒸发器作为参考组（A组），通过前后两排不同的翅片间距组合的蒸发器与A组作对比，各组的翅片间距组合如表2所示。

各组蒸发器的管路连接采用顺排并联连接，风速均匀分布，如图1所示:

其中，制冷剂侧和空气侧的参数如表3所示。

各组蒸发器在以上结构参数和工况下模拟运行60分钟，为了简化计算假设：

1)翅片换热管结霜过程在一个时间步长内是准稳态的；

2)忽略重力对制冷剂和空气的影响；

3)忽略辐射传热和管壁导热系数的影响；

4)霜层的导热系数只与霜层密度相关；

5)翅片表面和铜管、霜层温度分布均匀；

6)霜层厚度和密度平均分布于控制容积内，物性参数一致。

2 结果及讨论

2.1换热量

图2为各组蒸发器换热量示意图，可以看到除了D组外其余各组的换热量都高于固定片距A组。从B、C两组可以看出减少第二排的翅片间距可以明显提高蒸发器换热量，因翅片间距减小在相同管长的情况下可以提高翅片的数量，增加翅片管的换热能力，D组换热量小于A组，E组的换热量略高于A组，可以看出如果第一排的翅片间距增加过多容易造成蒸发器换热量下降，为了不降低原有换热量可以适当减小第二排的翅片间距。

2.2结霜量

图3为各组蒸发器60分钟后的总结霜量。从B组和C组可以看出减小第二排的翅片间距在提高换热量同时也会增加结霜量。由B、D两组可以看出，第二排翅片间距一样的情况下增加第一排的翅片间距结霜量提高了一些，第一排的翅片会影响翅片结霜量、气流阻力和第二排的进风量等因素，相对B组，D组提高了翅片间距后增加了整体的结霜量，换热量反而减小，可见在低温工况下，改变单一管排翅片间距与蒸发器总体性能并非线性关系，存在一个最优的翅片间距组合使得蒸发器低温工况下综合性能最优。

2.3结霜厚度

2.3.1蒸发器第一排的结霜厚度

因为B、D组第一排翅片间距分别与C、E组相同，因此选取A/B/D三组来分析变片距对蒸发器第一排结霜厚度的影响。图4为A、B、D三组的第一排翅片厚度和结霜后翅片间剩余间距图。通过增大翅片间距，在出现结霜现象后可以提高第一排的翅片剩余间距，不容易出现堵塞现象，减小了气流阻力并提高了后排的进风量。

2.3.2对每排结霜厚度的影响

图5~图9分别是A/B/C/D/E组蒸发器结霜厚度变化图，从图5可以看出固定片距的A组第一排的结霜厚度比第二排大很多，60分钟后第一排的结霜厚度占翅片间距的44.94%，而第二排的结霜厚度占翅片间距只有38.25%，在热泵机组运行时间长的情况下容易出现结霜堵塞，造成制热量下降，制热不稳定等问题。

B组和C组蒸发器两排的结霜厚度都很接近，B组第二排的翅片间距较大，结霜后剩余的空气通道也较大。E组的结霜较均匀，第一二排的结霜厚度分别占翅片间距的42.74%和41.2%，结霜均匀性较好，有利于延长除霜间隔并减少除霜功耗浪费，使制热系统更稳定。

2.4除霜间隔

在运行45分钟后，A组蒸发器第一排翅片间的结霜厚度达到0.792mm，占翅片间距的40%左右，风量降至9 m3/min，第一排翅片的结霜厚度较大，使得空气流通通道减小，气流阻力增加，需要进行除霜。假设各组蒸发器第一排的风量降至9 m3/min并且结霜厚度占翅片间距值超过40%需要进行除霜，则各组的除霜间隔如图10所示。相对于固定间距A组，变片距的B/C/D/E组均延长了除霜间隔，B组结霜均匀性较好，除霜间隔相对A组延长了13分钟左右。

3 结论

本文对两排蒸发器结霜情况进行数值模拟，得出以下结论：

1）通过减小第二排翅片间距可以提高蒸发器的换热量，B/C组和D/E组第一排翅片间距相同的情况下，减小第二排翅片间距的C组和E组换热量相对于B组和D组都得到提高。C组的换热量相对于固定片距的A组提高了1.76%。

2）增加第一排的翅片间距可以减小迎风面管排的结霜量，但第二排翅片间距的减小有可能会造成总结霜量的增加。翅片间距的增加或减小对于总结霜量非线性相关，存在最优的片距组合使蒸发器整体性能最优。从总结霜量角度看B组的片距组合最好，在不增加结霜量的情况下提高了前后管排结霜均匀性。

3）增加第一排翅片间距可以减小翅片间结霜厚度的增长速率，并增大空气流通通道，减小气流阻力。B组和C组前后两排的翅片间结霜厚度增长相近，E组的前后两排结霜厚度占翅片间距比最接近，结霜均匀性最好。

4）通过合理的变翅片间距组合可以有效提高蒸发器换热量并使得各排结霜更加均匀，延长除霜间隔。C组蒸发器的换热量提高了1.76%，B组蒸发器换热量提高了0.64%，B组的除霜间隔延长了13分钟，相对A组延长28.9%的除霜间隔，综合来看B组的翅片间距组合最好。

参考文献

[1] IEA. World Energy Outlook，2015. 10．1787/weo-2005-en．

[2] J.W. Lee， H.J. Jung， J.Y. Park， J.B. Lee，Y. Yoon，Optimization of building window system in Asian regions by analyzing solar heat gain and daylighting elements, Renewable Energy 50(2013) 522-531．

[3] Wang Q, He W, Liu YQ, Liang GF, Li JR, Han XH，Chen GM.．Vapor compression multifunctional heat pumps in China: a review of configurations and operational modes.Renew Sust Energy Rev 2012;16(9):6522-38.

[4] Ni L，Dong JK，Yao Y，Shen C，Qv DH，Zhang XD．A review of heat pump systems for heating and cooling of buildings in China in the last decade．Renew Energy 2015；84：30-45．

[5] Yao Y，Jiang YQ，Deng SM，Ma ZL．A study on the performance of the airside heat exchanger under frosting in an ASHP water heater/chiller unit．Int J Heat Mass Tran 2004；47：3745－56．

[6]沈九兵，李自强，邢子文，俞越，葛美才．空气源热泵系统无霜化及除霜方法概述[J]．制冷学报，2019，40(02)：85－94+104．

[7]黄康，郭宪民，邢震．翅片管换热器结构对霜层生长特性影响研究[J]．低温与超导，2017，45(03)：73－78．

[8] Long Zhang，Yiqiang Jiang，Jiankai Dong，Yang Yao，Shiming Deng．An experimental study of frost distribution and growth on finned tube heat exchangers used in air so-urce heat pump units[J]．Applied Thermal Engineering，2018，132．

[9]姚杨，姜益强，马最良．翅片管换热器结霜时霜密度和厚度的变化[J]．工程热物理学报，2003(06)：1040－1042．

[10] D L O＇Neal，D R Tree．A review of frost formation　in simple geometries[J]．ASHRAE Transactions，1987，93：258－74．

 

作者简介:

肖宏新(1995)，男，籍贯广东汕头，硕士研究生，主要研究方向为空气源热泵系统、强化换热方向，751222320@qq.com

陈观生(1970)，男，副教授，主要研究方向为太阳能热利用、制冷空调、热能储存等，本文通讯作者，E-mail: chengs@gdut.edu.cn。