三排变片距翅片盘管换热器结霜特性实验研究
发布时间：2023.11.05
<p style="text-align: center;">肖宏新1 陈观生1 刘良德1 罗超鸿1 刘湘云1 李建国2</p>
<p style="text-align: center;">( 1 广东工业大学材料与能源学院 广州 510006 ; 2 广东纽恩泰新能源科技发展有限公司 广州 511300)</p>
<p>摘要：为改善空气源热泵室外翅片盘管换热器在低环境温度下沿空气流动方向结霜不均匀、首排结霜量较大进而导致热泵除 霜间隔较短、制热能力下降等问题，对不同翅片片距组合的变片距翅片盘管换热器在低环温工况下运行及结霜的情况进行实验 研究 。结果表明 : 变片距翅片盘管换热器在低环温条件下可有效延长迎风面管排发生结霜堵塞的时间、对于结霜生长速度和结 霜质量也有抑制作用 。变片距翅片盘管换热器在结霜中后期阶段换热功率更高，在合理的翅片间距组合下，变片距翅片盘管换 热器可以在不损失过多换热功率的情况下延长换热器迎风面管排结霜堵塞的时间，如 样 品 4 的平均换热功率比样品 1 低 6. 02%，而除霜间隔延长了 37 min。</p>
<p>关键词：空气源热泵 ; 变片距 ; 结霜工况 ; 翅片盘管换热器</p>
<p>中图分类号 : TB61+ 1 ; TB657. 5 文献标识码 : A</p>
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<p>Experimental Study on Frosting Characteristics of Three-row Finned Tube Heat Exchanger with Different Fin Pitch</p>
<p>Xiao Hongxin1 Chen Guansheng1 Liu Liangde1 Luo Chaohong1 Liu Xiangyun1 Li Jianguo2</p>
<p>( 1． School of Materials and Energy ， Guangdong University of Technology ， Guangzhou ， 510006 ， China ;</p>
<p>2．Guangdong New Energy Technology Development Co．，Ltd．，Guangzhou，511300，China)</p>
<p>Abstract The limitations of non-uniform frosting along the direction of air flow and large frost mass in the first row of the finned tube heat exchanger of an air-source heat pump under low ambient temperature may cause a short defrost interval，heating capacity decline，and oth- er negative effects．To overcome these challenges，an experimental study was conducted on finned tube heat exchangers with different fin pitches operating at low ambient temperatures．The results show that finned tube heat exchangers with different fin pitches can prolong the frosting blocking time of the windward tube row．This inhibits the frosting rate and frost quality and reduces the heat loss caused by fre- quent defrosting，which is also beneficial for increasing the total heat transfer in one defrosting cycle．The heat transfer capacity of the finned coil heat exchanger with variable pitch is higher in the middle and later stages of frosting．Under a reasonable combination of the fin pitch，the finned coil heat exchanger with variable pitch can prolong the frosting blocking time of the windward side of the heat exchanger without losing substantial heat transfer capacity．</p>
<p>Keywords air-source heat pump ; different fin pitch ; frosting condition ; finned tube heat exchanger</p>
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<p>近年来，我国北方地区在“煤改电”政策推动下， 空气源热泵得到了快速的发展和应用 。相比传统的</p>
<p>供暖方式，空气源热泵具有节能高效、清洁安全等诸 多优势 [1－4] ，但在低环境温度工况下，如在北方冬季 低温高湿度地区，当空气源热泵的翅片盘管蒸发器表 面温度低于空气的露点温度且低于 0 ℃ 时，换热器表 面会出现结霜现象 [5] 。霜层不仅增大了翅片盘管表面传热热阻，且结霜严重时会造成翅片之间气流的流 通受阻，导致气流阻力过大，气流量减小，大幅降低室 外蒸发器的传热效率，造成室外蒸发器不能满足换热要求，同时风机长期在这种不利工况下工作也容易损 坏 [6－7] 。此外，对于固定翅片间距的翅片盘管蒸发器，在低温高湿工况下空气源热泵供热过程中，容易 造成蒸发器前后管排结霜不均匀，通常迎风面翅片盘 管结霜最快，更容易导致空气通道堵塞，需要及时化霜，但频繁的化霜会带来供热系统运行不稳定，增加 能耗的问题 [8－9] 。</p>
<p>针对低环境温度条件下蒸发器的结霜问题，近年 来国内外学者进行了大量研究，为空气源热泵在低温 条件下运行的性能提升和除霜设计提供了一定的依 据和参考 。 由于结霜需要空气中的水分，有学者研究 通过固体或液体干燥剂降低蒸发器入口空气湿度，干燥装置能抑制结霜的形成，延长除霜间隔，但干燥装 置的结构较复杂，成本较高 [10－11] 。蒸发器的布置结构也会影响换热性能，在低温结霜工况下，蒸发器横排布置的结构在结霜与化霜特性上优于竖排布置结 构 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百叶窗翅片盘管 换热器翅片中心安装涡流发生器，延缓了换热器前侧 结霜太快导致的堵塞，并 提 升 约 28% 的 换 热 性 能。 黄康等 [14] 研究翅片盘管换热器结构对霜层生长的影 响，发现 1. 9 mm 翅片间距换热器的平均换热性能最 优，平翅片盘管换热器换热表面结霜较慢但换热量较 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空气源热泵机组室 外盘管换热器在两种翅片间距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的结霜分布差异，发现 3. 2 mm 翅片间距更有利于确 保热泵供热的稳定性，更适用于低温 地 区 。K．Kim 等 [16] 对 3 种表面处理过的翅片换热器设置不同翅片 间距并进行结霜实验，发现疏水翅片盘管换热器因结 霜延迟，在循环结霜周期中的整体传热效率最大 。秦 海杰等 [17] 研究了变片距 ( 10 mm 和 5 mm) 空冷器结霜工况下的性能，数值仿真与实验结果表明变翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更长除霜周期和更 好的传热性能。</p>
<p>由上述研究可知，结霜工况下翅片片距对翅片 盘管换热器具有重要影响，而目前许多研究集中于 两排固定大片距与常规间距的对比，对三排变片距构也会影响换热性能，在低温结霜工况下，蒸发器横排布置的结构在结霜与化霜特性上优于竖排布置结 构 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百叶窗翅片盘管 换热器翅片中心安装涡流发生器，延缓了换热器前侧 结霜太快导致的堵塞，并 提 升 约 28% 的 换 热 性 能。 黄康等 [14] 研究翅片盘管换热器结构对霜层生长的影 响，发现 1. 9 mm 翅片间距换热器的平均换热性能最 优，平翅片盘管换热器换热表面结霜较慢但换热量较 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空气源热泵机组室 外盘管换热器在两种翅片间距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的结霜分布差异，发现 3. 2 mm 翅片间距更有利于确 保热泵供热的稳定性，更适用于低温 地 区 。K．Kim 等 [16] 对 3 种表面处理过的翅片换热器设置不同翅片 间距并进行结霜实验，发现疏水翅片盘管换热器因结 霜延迟，在循环结霜周期中的整体传热效率最大 。秦 海杰等 [17] 研究了变片距 ( 10 mm 和 5 mm) 空冷器结霜工况下的性能，数值仿真与实验结果表明变翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更长除霜周期和更 好的传热性能。</p>
<p>由上述研究可知，结霜工况下翅片片距对翅片 盘管换热器具有重要影响，而目前许多研究集中于两排固定大片距与常规间距的对比，对三排变片距翅片盘管换热器的研究较少，因此本文采用不同翅间距的翅片盘管换热器串联组合的方式进行实验研究，以低温恒温槽提供恒定温度的乙二醇-水溶液作为制冷工质，通入样品翅片盘管换热器内，研 究不同翅片间距组合对于换热器整体换热性能和结霜特性的影响 。</p>
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<p><strong>1 、实验对象与装置</strong></p>
<p>实验对象为 4 种不同翅片片距的翅片盘管换热 器，如图 1 所示，4 种翅片盘管换热器翅片间距分别 为 2、3、4、5 mm，均由 6 根铜管组成，其中铜管外径均 为 9. 52 mm，管间距均为 25 mm，翅片均为亲水波纹 翅片，翅片厚度均为 0. 15 mm 。每台翅片盘管换热器 均有一个进口和一个出口，通过软管将 3 台翅片盘管 换热器串联成 5 组不同翅片间距组合的三排翅片盘 管换热器样品，三排翅片盘管换热器样品的翅片间距 组合如表 1 所示，将迎风面管排视为第一排，样品 2 翅片间距 4 mm× 3 mm×2 mm 表示第一排、第二排、第 三排翅片盘管换热器翅片间距分别为 4 mm、3 mm、2 mm 。样品 1 为固定片距 2 mm×2 mm×2 mm 的三排 翅片盘管换热器，样品 1 作为对照组 。换热器的工质 流向方式如图 2 所示
