唐家俊 詹飛龍 胡海濤 丁國良 莊大偉

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

翅片結(jié)構(gòu)對翅片管換熱器積灰與壓降影響的實驗研究

唐家俊 詹飛龍 胡海濤 丁國良 莊大偉

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

積灰對具有不同翅片結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器均會造成長效性能的衰減。本文搭建了換熱器積灰可視化實驗臺，研究了翅片結(jié)構(gòu)對積灰量及積灰后空氣側(cè)壓降的影響。測試樣件的翅片類型包括平直翅片、波紋翅片和開窗翅片；翅片間距范圍為1.3～1.8 mm。實驗結(jié)果表明：開窗翅片管換熱器表面最容易沉積粉塵并增大積灰后壓降，與平直翅片相比，波紋翅片和開窗翅片表面粉塵沉積量分別提高了25.6%和52.8%、積灰后壓降增量分別提高了44.4%和165.6%；對于開窗翅片，小翅片間距有利于積灰并增大積灰后壓降，與翅片間距1.8 mm的樣件相比，翅片間距1.5 mm和1.3 mm的樣件表面粉塵沉積量分別提高了26.2% 和43.2%、積灰后壓降增量分別提高了24.1%和49.4%；在積灰過程中，隨著粉塵沉積量的增加，翅片管換熱器空氣側(cè)壓降先增大后保持穩(wěn)定。

翅片管換熱器；粉塵沉積；壓降；翅片結(jié)構(gòu)；實驗研究

翅片管換熱器因具有單位體積傳熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于房間空調(diào)換熱器中［1］。然而翅片管換熱器運行一定年限后，表面附著的大量粉塵污垢導(dǎo)致性能嚴重衰減。已有研究表明，對于使用5～7年的翅片管換熱器，表面積灰導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增大100%、換熱效率衰減18%［2］。目前應(yīng)用較廣的翅片類型包括平直翅片、波紋翅片和開窗翅片，這些翅片類型的換熱器表面所受的積塵狀況將嚴重影響換熱器的換熱效率。因此為了明確不同翅片結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的積灰長效性能變化，必須了解不同的翅片結(jié)構(gòu)對翅片管換熱器表面積灰特性的影響。

目前已有對翅片管換熱器表面積灰特性的研究主要集中在沉積結(jié)垢物質(zhì)特性［3－7］及分布特點［8－10］、積灰的影響因素［11－19］等。關(guān)于沉積結(jié)垢物質(zhì)特性及分布特點的研究表明，沉積結(jié)垢主要成分為粉塵顆粒及纖維等［3－4］；換熱器表面沉積污垢平均粒徑范圍為6.6～20.9 μm［5－7］；沉積層主要附著在距換熱器迎風面前緣 5 mm內(nèi)，而在背風面不容易沉積粉塵［8－10］。對積灰影響因素的研究主要集中在噴粉速度及噴粉濃度等，結(jié)果表明：噴粉濃度越高、噴粉速度越大，翅片管換熱器表面粉塵沉積量越大，換熱器空氣側(cè)壓降增量越大［11－19］。到目前為止，沒有關(guān)于翅片管換熱器翅片結(jié)構(gòu)對表面積灰特性的影響的相關(guān)研究報道，無法定量得出換熱器翅片結(jié)構(gòu)對表面積灰特性及其對空氣側(cè)壓降性能的影響。

本文通過實驗得出翅片結(jié)構(gòu)對翅片管換熱器積灰與壓降的影響規(guī)律，分析不同翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器表面粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。

1 實驗原理與測試樣件

1.1 實驗原理及裝置

翅片管換熱器積灰特性與壓降特性測試實驗臺原理圖如圖1所示。實驗臺包括三部分：1）風道系統(tǒng)，提供并引導(dǎo)特定風速的干空氣至測試樣件；2）粉塵發(fā)生系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)粉塵的質(zhì)量流量以提供特定粉塵濃度的含塵氣流；3）可視化測試段，用于拍攝測試樣件表面積灰形貌并測量粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降。詳細的實驗原理參見文獻［11］。

圖1實驗臺實物圖Fig.1 Actual photo of experimental rig

可視化測試段包括透明有機玻璃風道、測試樣件、分析天平、壓差傳感器、垂直升降機、托盤及海綿。樣件嵌入至托盤2 mm深的凹槽中固定，同時托盤四周刻出15 mm深的凹槽并填充海綿，透明風道擠壓托盤凹槽中海綿以實現(xiàn)測試段密封。托盤置于分析天平上，升降機用于調(diào)節(jié)托盤升降高度，以實現(xiàn)積灰過程中測量樣件重量及觀察積灰形貌。壓差傳感器用于測量積灰過程中樣件空氣側(cè)壓降數(shù)據(jù)。

1.2 實驗工況及測試樣件

實驗工況參數(shù)包括翅片類型和翅片間距。翅片類型選為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片，翅片間距選為1.5 mm和1.8 mm，覆蓋常見的空調(diào)室外換熱器類型及尺寸。測試樣件實測試樣件實物及結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2測試樣件實物圖和結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Actual and schematic diagram of test samples

依據(jù)GB 13270—91的規(guī)定，實驗采用的測試粉塵包含72%的白陶土和28%的炭黑，粉塵密度為2.2×103kg／m3，中位徑為10 μm。

由于實際室外環(huán)境中的粉塵濃度較低，為了加速積灰的實驗進程，同時根據(jù)空調(diào)室外機中翅片管換熱器的正常迎流風速，選取噴粉濃度10.8 g／m3、風速1.5 m／s進行積灰實驗。噴粉時間總長為255 min，保證粉塵沉積量達到穩(wěn)定。風速由空壓機、流量計及流量閥調(diào)節(jié)，噴粉濃度由螺旋給料機、控制柜、混合箱實現(xiàn)控制。具體調(diào)節(jié)方法參見文獻［11］。

2 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

壓降和風速可分別通過壓差傳感器、流量計讀得，粉塵沉積量與噴粉濃度則由特定關(guān)系式得到。

粉塵沉積量m的表達式為：

式中：m為積灰后換熱器樣件表面的粉塵沉積量，g；mo為積灰前換熱器樣件重量，g；mi為積灰后換熱器樣件重量，g。

噴粉濃度c表達式為：

式中：c為噴粉濃度，g／m3；de為螺旋葉片直徑，m；dc為螺旋桿直徑，m；ρ為粉塵顆粒物密度，kg／m3；r為螺桿轉(zhuǎn)速，r／min；s為螺旋葉片間距，mm；μ為物料填充系數(shù)，取0.95；V為空氣體積流量，m3／s。

表1測試樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of test samples

為了便于研究翅片管換熱器表面粉塵沉積后空氣側(cè)壓降特性，選用翅片管換熱器表面粉塵沉積過程中壓降增強因子β，表達式為：

式中：Δpdust為積灰過程中換熱器樣件空氣側(cè)壓降，Pa；Δpo為積灰前換熱器樣件空氣側(cè)壓降，Pa。

2.2 誤差分析

參數(shù)包含直接測量參數(shù)與間接測量參數(shù)，通過實驗儀器精度可得直接測量參數(shù)誤差，直接測量參數(shù)包括空氣側(cè)壓降、空氣體積流量與樣件重量。通過R. J.Moffat［20］方法可求得間接測量參數(shù)誤差，如表2所示，間接測量參數(shù)包括粉塵沉積量。

表2儀器測量精度及實驗參數(shù)誤差分析Tab.2 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 粉塵沉積分布特征分析

圖3給出了三種不同翅片類型的樣件在噴粉濃度為10.8 g／m3、風速為1.5 m／s、噴粉時長為255 min下的粉塵沉積分布特征。

由圖3可知，平直翅片管換熱器表面沉積粉塵最少，且主要沉積在換熱管；波紋翅片管換熱器的換熱管和波紋翅片表面均沉積有一定量粉塵，且積塵程度較平直翅片嚴重；開窗翅片管換熱器表面積塵程度最嚴重，翅片開窗處幾乎完全被粉塵堵塞，且換熱管表面也容易形成污垢塊。

圖3不同翅片類型積灰實物圖Fig.3 Dust distribution characteristics on test samples with different fin types

分析粉塵在這三種類型換熱器表面沉積特性可知：開窗翅片表面突起的間斷縫隙正對著含塵氣流，粉塵顆粒物更容易直接撞擊并沉積在間斷縫隙處，使開窗翅片表面容易被粉塵堵塞。同時由于開窗翅片表面各縫隙的間距較小，粉塵容易在各縫隙間形成較為緊密的污垢團，導(dǎo)致積灰程度較嚴重。

另外，由于平直翅片和波紋翅片的表面結(jié)構(gòu)相對于開窗翅片更為簡單，在相同的換熱器橫截面積下，兩者與含塵氣流的接觸面積較小，使粉塵顆粒物與換熱器表面發(fā)生碰撞沉積的概率較小。同時由于平直翅片間距和波紋翅片間距相對于開窗翅片各縫隙的間距較大，積塵生長到一定厚度時容易在重力的作用下從翅片表面脫落。

3.2 翅片類型對粉塵沉積量與壓降的影響

圖4給出了噴粉濃度10.8 g／m3、風速1.5 m／s、翅片間距1.5 mm、噴粉時長255 min時，不同翅片類型對粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。粉塵沉積量是通過可視化測試段中垂直升降機與分析天平測得，具體沉積量測量方法參見文獻［11］。

由圖4（a）可知，開窗翅片管換熱器表面積灰量最大，且積灰量達到穩(wěn)定所需時間最少。與平直片相比，波紋片和開窗片表面積灰量分別提高了25.6% 和52.8%，積灰量達到穩(wěn)定所需時間分別減少了8.5%和25.5%。這是因為，波紋片縱向呈波紋形，相比于平直片，含塵氣流在翅片間流道長度增加，在相同噴粉時間內(nèi)，與翅片表面發(fā)生碰撞沉積的顆粒物數(shù)量增多。而對于開窗翅片，表面突起的縫隙增加了迎風面積，在相同的入口風量下提高了迎面風速，使得單位時間內(nèi)吹向開窗翅片表面的粉塵顆粒物數(shù)量增多，減少積灰量達到穩(wěn)定所需時間。

由圖4（b）可知，開窗翅片管換熱器積灰后壓降最大，且壓降達到穩(wěn)定所需時間最少。開窗翅片、波紋翅片和平直翅片樣件壓降分別增加了222.8%、 136.3%和116.2%，也即開窗翅片和波紋翅片的壓降增量相比平直翅片分別提高了165.6%和44.4%。開窗翅片積灰后壓降達到穩(wěn)定所需時間比波紋翅片與平直翅片分別減少了10.5%和27.9%。這是由于，翅片表面結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，換熱器表面積塵量越多，不斷堆積的粉塵引起含塵氣流流通面積減小，流動阻力增大，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增大。

圖4翅片類型對粉塵沉積量與壓降的影響Fig.4 Effect of fin types on deposition weight and air?side pressure drop

由圖4（c）可知，相比于平直翅片與波紋翅片，開窗翅片的壓降增強因子最大。壓降達到穩(wěn)定時，開窗翅片、波紋翅片和平直翅片的壓降增強因子分別為3.24、2.38和2.15。由前文分析可知，開窗翅片的開窗口幾乎完全被粉塵堵塞，使壓降增加最顯著，其壓降增強因子最大；波紋翅片表面粉塵沉積量較開窗翅片小，對壓降的提升作用沒有開窗翅片明顯，其壓降增強因子較低；而平直翅片結(jié)構(gòu)簡單，表面積灰量最少，壓降增加最不明顯，故其壓降增強因子最小。

3.3 翅片間距對粉塵沉積量與壓降的影響

圖5給出了噴粉濃度10.8 g／m3、風速1.5 m／s、翅片類型開窗翅片、噴粉時長255 min時，不同翅片間距對粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。

圖5翅片間距對粉塵沉積量與壓降的影響Fig.5 Effect of fin pitch on deposition weight and air?side pressure drop

由圖5（a）可知，隨著翅片間距減小，積灰量逐漸增大，且積灰量達到穩(wěn)定所需時間逐漸減少。當翅片間距由1.8 mm逐漸減小到1.3 mm時，達到穩(wěn)定時積灰量提高了26.2% ～43.2%，所需時間減少了9.3%～17.8%。這是因為，一方面翅片間距越小，含塵氣流掠過開窗口時氣流邊界層越容易遭到破壞，流場不穩(wěn)定度增強，導(dǎo)致顆粒物在翅片間發(fā)生無規(guī)則碰撞沉積概率提高。另一方面小翅片間距限制了污垢團在開窗口之間最大尺寸，使堵塞在開窗口之間的污垢團不容易在重力的作用下從翅片表面脫落，提高了積塵量。

由圖5（b）可知，隨著翅片間距減小，積灰后的空氣側(cè)壓降逐漸增大，且壓降達到穩(wěn)定時所需時間逐漸減少。翅片間距為1.8 mm、1.5 mm和1.3 mm的樣件壓降分別增加了221.0%、205.3%和187.2%，即翅片間距為1.3 mm與1.5 mm的樣件相比翅片間距為1.8 mm的樣件壓降增量分別提高了49.4%與24.1%。翅片間距為1.3 mm的樣件壓降達到穩(wěn)定所需時間比翅片間距為1.5 mm與1.8 mm的樣件分別減少了11.7%和29.4%。這是因為，翅片間距越小，換熱器表面積塵量越多，堵塞在換熱器迎風面的粉塵導(dǎo)致流通面積減小，含塵氣流的流動阻力增大，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增大。

由圖5（c）可知，隨著翅片間距減小，壓降增強因子逐漸降低。壓降達到穩(wěn)定時，翅片間距為1.8 mm、1.5 mm和1.3 mm樣件的壓降增強因子分別為3.21、3.05和2.87。一方面小翅片間距能夠增大積塵量，使壓降增大；另一方面小翅片間距換熱器本身積灰前的壓降就較大。因此通過這兩方面的綜合作用，對于小翅片間距的換熱器，在噴粉初始階段其壓降增強因子較大，在噴粉后期其壓降增強因子比大翅片間距樣件的有所降低。

3.4 粉塵沉積量對壓降的影響

由圖6給出了噴粉濃度10.8 g／m3、風速1.5 m／s、噴粉時長255 min時沉積量對壓降影響。

由圖6（a）可知，開窗翅片、波紋翅片和平直翅片三種翅片類型下，隨著沉積量增加，空氣側(cè)壓降均先增大后保持穩(wěn)定。在積灰初期，隨著含塵氣流中粉塵顆粒在翅片及換熱管上不斷堆積，污垢層快速生長，使流通面積不斷減小，導(dǎo)致壓降增大，此階段壓降與沉積量基本呈線性關(guān)系。當達到積灰臨界點（圖中虛線所示）時，粉塵顆粒主要沉積在翅片迎風面前緣并向外延伸，對換熱器流通面積基本無影響，導(dǎo)致此階段壓降基本不變。此外，開窗翅片管換熱器的積灰臨界點高于波紋翅片與平直翅片，這是由于開窗翅片表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各縫隙間距較小，更容易粘附粉塵顆粒，從而使得積灰臨界點較高。

圖6粉塵沉積量對壓降的影響Fig.6 Effect of deposition weight on pressure drop

由圖6（b）可知，對于開窗翅片管換熱器，翅片間距越小，積灰量對壓降提升的作用越顯著，由圖5（a）分析可知，由于小翅片間距能夠快速增大單位時間內(nèi)的積灰量，使壓降增加顯著。同時，小翅片間距的積灰臨界點較高，原因是翅片間距越小，堵塞在翅片及換熱管上的污垢層越不容易脫落。

4 結(jié)論

本文搭建了換熱器積灰可視化實驗臺，分析了不同翅片結(jié)構(gòu)對積灰量及積灰后空氣側(cè)壓降的影響。測試樣件的翅片類型包括平直翅片、波紋翅片和開窗翅片，翅片間距范圍為1.3～1.8 mm，噴粉工況固定為風速1.5 m／s、噴粉濃度為10.8 g／m3、噴粉時間為255 min，得到如下結(jié)論：

1）開窗翅片管換熱器表面最容易沉積粉塵并增大積灰后壓降。與平直翅片相比，波紋翅片和開窗翅片表面粉塵沉積量分別提高了25.6%和52.8%、積灰后壓降增量分別提高了44.4%和165.6%。

2）對于開窗翅片，小翅片間距有利于積灰并增大積灰后壓降，與翅片間距為1.8 mm的樣件相比，翅片間距為1.5 mm和1.3 mm的樣件表面粉塵沉積量分別提高了26.2%和43.2%、積灰后壓降增量分別提高了24.1%和49.4%。

3）在積灰過程中，隨著粉塵沉積量增加，翅片管換熱器空氣側(cè)壓降先增大后保持穩(wěn)定。

本文受上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃（16XD1401500）項目資助。（The project was supported by Program for Excellent Aca?demic Leaders of Shanghai（No.16XD1401500）.）

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Experimental Investigation on Influence of Fin Structures on Particle Deposition and Pressure Drop of Fin?and?tube Heat Exchangers

Tang Jiajun Zhan Feilong Hu Haitao Ding Guoliang Zhuang Dawei
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

The long?term performance of fin?and?tube heat exchangers with different fin structures will decay when covered with dust parti?cles.In this paper，a visual experimental rig was established to investigate the effects of fin structures on particle deposition and air?side pressure drop.The fin types of test samples covered plain fins，wavy fins and louver fins，and the fin pitches ranged from 1.3 mm to 1.8 mm.The results show that，louver fins are most beneficial to particle deposition；the maximum particle deposition weight on wavy fins and louver fins increased by 25.6%and 52.8%respectively compared with that on plain fins，meanwhile the increment of pressure drop in?creased by 44.4%and 165.6%respectively.Small fin pitch can promote particle deposition and increase pressure drop；the maximum particle deposition weight on louver fins with fin pitch of 1.5 mm and 1.3 mm increased by 26.2%and 43.2%respectively compared with that on louver fin with fin pitch of 1.8 mm，meanwhile the increment of pressure drop increased by 24.1%and 49.4%respectively. The air?side pressure drop firstly increased then tended to be stable with the increase of particle deposition weight.

fin?and?tube heat exchanger；particle deposition；pressure drop；fin structure；experimental investigation

TQ051.5；TK124

A

0253－4339（2017）01－0001－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.001

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（51521004）和中國博士后基金（2016M591669）資助項目。（The project was supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Sci?ence Foundation of China（No.51521004）and Postdoctoral Science Foun?dation of China（No.2016M591669）.）

2016年5月31日

丁國良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院制冷所，（021）34206378，E?mail：glding＠sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。

About the corresponding author

Ding Guoliang，male，Ph.D.／professor，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，＋86 21?34206378，E?mail：glding＠sjtu.edu.cn.Research fields：simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.