(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術中心 上海 200240)

近年來，大氣顆粒物污染引起人們越來越多的關注，繼煤煙型污染、光化學污染之后，人類正在進入以室內(nèi)空氣污染為標志的第三污染時期。在我國，問題愈加明顯，室內(nèi)外PM2.5和TSP濃度均遠遠高于美國空氣質(zhì)量標準規(guī)定的35 μg/m3[1]。室內(nèi)空氣顆粒物污染不僅對人體健康產(chǎn)生影響，對所有暴露于其中的設備均具有一定的影響。國內(nèi)外學者針對大氣顆粒物進行了較多研究，多是針對室外環(huán)境，本文研究了室內(nèi)冰箱的微通道換熱器(MHE)積灰機理。冰箱使用一定期限后，位于冰箱底部的MHE表面形成大量污垢，增大了空氣側熱阻且減小了空氣流通面積，造成MHE空氣側壓降增大、換熱能力衰減。Y. J. Chang等[2-3]研究了沉積結垢物質(zhì)特性及分布特點，結果表明沉積結垢主要成分為粉塵顆粒及纖維等。Y. C. Ahn等[4]實驗研究了翅片管換熱器積灰機理，發(fā)現(xiàn)顯著影響因素為室內(nèi)污染物尺寸和濃度、過濾器效率、翅片材料親水性、翅片結構和片距。Pu Hui等[5]研究了管片式換熱器空氣側微生物污染的問題，結果表明微生物污染最多可造成換熱器空氣側壓降升高41.3%。梁欣等[6]研究了百葉窗波紋翅片換熱器在有灰塵的環(huán)境中加速積灰過程，結果表明，翅片密度越大，風速和換熱量衰減越快。Yan Zhibin等[7]研究了微通道換熱器灰塵積累速率與換熱器內(nèi)流體溫度的關系，發(fā)現(xiàn)微通道換熱器內(nèi)流體溫度越高積灰速率越快，且脈動來流會減少積灰。R. Lankinen等[8]研究了管片式換熱器積灰對壓降及換熱效率的影響，實驗發(fā)現(xiàn)換熱效率減小8%～18%，空氣側壓降增大200%。唐家俊等[9]搭建了積灰可視化實驗臺，觀測粉塵的分布特征并測定沉積量，研究波紋翅片管換熱器表面的粉塵沉積特性，結果表明，粉塵主要沉積在換熱器迎風面的翅片前緣及換熱管的迎風面上，高風速能夠抑制灰塵沉積。I. H. Bell等[10]對比了不同灰塵對換熱器積灰的影響，研究了ASHPAE標準粉塵和Arizona Road實驗粉塵對微通道換熱器空氣側壓降和傳熱性能的影響，結果表明，ASHPAE標準粉塵會對壓降產(chǎn)生較大影響，1 612.5 g/m2的粉塵使壓降增大200%；Arizona Road實驗粉塵使壓降無明顯變化，但傳熱量降低了10%。Li Yang等[11]使用ASHREA標準實驗粉塵，研究噴射換熱器性能的衰減，得到與I. H. Bell等[10]類似的結論，并定義1 612 g/m2粉塵通過量近似為換熱器實際工作一年后的污染物通過量。I. H. Bell等[12]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)翅片密度對積灰狀況有明顯影響。徐博[13]研究了微通道換熱器表面積灰成核和堆積過程的特點，總結了減少快速成核區(qū)域和減緩成核速度的防積灰原則，提出波紋翅片加風機反吹的長效解決方案。D. Mason等[14]研究得出固體顆粒的沉積分為兩個階段：一是核狀顆粒物中的大顆粒物在換熱器表面沉積；二是大顆粒物沉積達到一定程度，顆粒物大量沉積，空氣側壓降急劇上升。M. G. Mwaba等[15]依據(jù)logistic函數(shù)研究得出半經(jīng)驗關聯(lián)式用以預測積灰情況，并提出換熱器清潔的有效性可以用成核時間來評定。J. A. Siegel等[16]研究了顆粒污垢沉積機理，結果發(fā)現(xiàn)，污垢的影響導致空氣流量減少5%～6%，系統(tǒng)效率降低2%～4%。施駿業(yè)等[17]研究了顆粒物污染室外換熱器對家用空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，定量分析了積灰對功耗的影響，發(fā)現(xiàn)采用微通道換熱器的機組性能衰減明顯高于原機，制冷量衰減23.2%，功耗增加34.6%，能效衰減43.1%，指出微通道換熱器更易受顆粒物污染的影響。

目前大多數(shù)學者研究的是換熱器結構對積灰的影響，以及積灰對換熱器性能的影響和粉塵的沉積特性。本文研究了冰箱微通道換熱器(MHE，micro-channel heat exchanger)積灰的外部影響因素，即灰塵種類、風速、相對濕度、是否帶電4個因素對MHE積灰的影響。將MHE樣件置于換熱器積灰可視化實驗臺上，模擬積灰過程，用壓差傳感器記錄MHE兩側壓差的變化情況，并用高清工業(yè)相機記錄MHE表面積灰情況。

1 實驗裝置與工況

1.1 實驗裝置

圖1所示為MHE積灰可視化實驗臺。實驗臺包括風道系統(tǒng)和粉塵發(fā)生裝置兩部分。風道系統(tǒng)主體材質(zhì)為亞克力板，總長度為7 m，由離心風機、氣流準直器、孔板流量計、氣體入口傳感器、MHE試樣、氣體出口傳感器和過濾器組成。離心風機向風道送風，經(jīng)氣流準直器后經(jīng)過噴嘴流量計，其前后設置壓差傳感器1，用以監(jiān)測流量，與灰塵混合后流經(jīng)MHE試樣，MHE試樣前后也設置壓差傳感器2，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得積灰前后壓降數(shù)據(jù)。粉塵發(fā)生裝置由軸流風機、高壓氣泵、灰塵混合器和灰塵給料器組成。進土灰速度控制器可實現(xiàn)勻速加灰，加灰速度設定為200 g/h，通過高壓氣泵將灰塵吹入灰塵混合區(qū)。MHE試樣尺寸為13.5 cm×14.5 cm，片間距為2 mm，片高為12 mm，片寬為32 mm。實驗中所用各傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 The parameters of sensor

1.2 實驗工況

積灰的工況參數(shù)包括：氣流速度、灰塵種類、氣流相對濕度和MHE所帶電壓。實驗中采用控制變量的方法，分別研究各參數(shù)變化對積灰的影響，其中電壓工況點的選取，在實際測量中讀取。實驗工況分組如表2所示。

通過A2組中不同風速條件下實驗對比得出風速對MHE積灰的影響；對比A1、A2和A3得出灰塵種類對MHE積灰的影響；對比A2和A4得出相對濕度對MHE積灰的影響；對比A4和A5得出有/無電壓對MHE積灰的影響。

圖1 MHE積灰可視化實驗臺Fig.1 Visualization test bench for ash accumulation of the MHE

測試風速/(m/s)灰塵種類相對濕度/%是否帶電A11.0100%顆粒45否A21.0、3.0、4.595%顆粒+5%纖維45否A31.092%顆粒+5%纖維+3%長纖維45否A41.095%顆粒+5%纖維65否A51.095%顆粒+5%纖維65直流5 V

圖2所示為某品牌對開門家用冰箱MHE相對濕度隨時間的變化。

圖2 MHE相對濕度隨時間的變化Fig.2 The relative humidity changes with time in the MHE

由圖2可知，MHE相對濕度變化范圍為60%～70%，相對濕度驟降時為打開冰箱門以模擬家庭使用情況，每小時打開冰箱門15 min。實驗中，選擇高濕度環(huán)境下的相對濕度為65%。

圖3所示為該冰箱MHE上所帶電壓隨時間的變化。由圖3可知，電壓的變化范圍為1～5 V，為了準確顯示電壓對MHE積灰是否有影響，實驗中選擇直流電壓為5 V。

圖3 MHE電壓隨時間的變化Fig.3 Voltage of the MHE changes with time

2 實驗結果及分析

2.1 風速對MHE積灰的影響

圖4所示為灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對濕度為45%，MHE不帶電的情況下，風速分別為1.0、4.5 m/s時MHE試樣空氣側壓降、風量與f因子(范寧摩擦系數(shù))隨時間的變化，以及風速為3.0 m/s時MHE空氣側壓降隨時間的變化。

圖4 不同風速下MHE空氣側風量、壓降和f因子隨時間的變化Fig.4 Air-side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time at different wind speeds

由圖4(a)可知，A2(1.0 m/s)工況下，風量衰減率為31.7%，空氣側壓降穩(wěn)定在50 Pa以內(nèi)；A2(4.5 m/s)工況下，風量衰減率為14.2%，空氣側壓降先緩慢增大，然后急速增大至208 Pa；A2(3.0 m/s)工況下，空氣側壓降約為100 Pa。風速從1.0 m/s增大至3.0 m/s，再增大至4.5 m/s時，壓降增長率從451.4%增至910.4%，再減小至353.3%。由圖4(b)知，積灰時間相同時，f因子低風速時比高風速時更大，隨著時間的增加，低速工況下的f因子增大的速度更快。

圖5所示為灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對濕度為45%，MHE不帶電的情況下，風速分別為1.0、4.5 m/s時MHE表面積灰情況對比。

由圖5可知，A2(1.0 m/s)工況下，灰塵大量沉積在翅片迎風表面；A2(4.5 m/s)工況下，積灰開始向內(nèi)擴展。

分析灰塵在不同風速下的沉積特性可知，低風速下風量衰減更大，翅片前緣正對含塵氣流，此時氣流對附著灰塵的沖擊較小，灰塵會首先沉積在翅片前緣，然后在迎風表面漸漸沉積；高風速時，風量衰減較小，含塵氣流沖刷MHE迎風表面，將較多灰塵吹入翅片后緣背風處。

2.2 灰塵種類對MHE積灰的影響

圖6所示為風速為1.0 m/s，相對濕度為45%，MHE不帶電的情況下，灰塵組成分別為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維和92%顆粒+5%纖維+3%長纖維時，MHE空氣側壓降、風量和f因子隨時間的變化。

圖5 不同風速下MHE翅片表面積灰情況對比Fig.5 Comparison of air-side fouling on the MHE at different wind speeds

圖6不同灰塵種類時MHE空氣側壓降、風量和f因子隨時間的變化Fig.6 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time under different kinds of dust

由圖6(a)可知，A1、A2(1.0 m/s)和A3這3種工況下，空氣側壓降增長率分別為8.8%、451.4%和524.9%。A2(1.0 m/s)和A3工況下風量衰減率分別為31.6%和48.7%。由圖6(b)可知，A3工況下的f因子增長速度遠大于A2(1.0 m/s)工況。

圖7所示為風速為1.0 m/s，相對濕度為45%，MHE不帶電的情況下，灰塵組成分別為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維和92%顆粒+5%纖維+3%長纖維時MHE試樣表面積灰情況。

圖7 不同灰塵種類時MHE翅片表面積灰情況對比Fig.7 Comparison of air-side fouling on the MHE with different kinds of dust

由圖7可知，灰塵特質(zhì)顯著影響MHE表面積灰狀況。粉末狀灰塵基本不能沉積，隨著纖維所占比例增加，積灰速度越來越快，灰塵成分中加入長纖維后，積灰量在很短時間內(nèi)便可達到最大值。

粉末狀灰塵附著在MHE表面，易于被氣流沖刷帶走，故難以在MHE表面沉積。由于纖維成分不容易被氣流沖刷帶走，更易附著于MHE表面，含纖維的灰塵中纖維成分之間相互交織，形成灰塵附著面，利于粉末狀灰塵的富集，使MHE表面出現(xiàn)灰塵沉積。長纖維更難以通過翅片之間的間隙，被氣流沖刷脫落，因此灰塵更容易附著和沉積，很快便充滿整個MHE表面。

2.3 相對濕度對MHE積灰的影響

圖8所示為風速為1.0 m/s，灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，MHE不帶電情況下，相對濕度分別為45%和65%時MHE空氣側壓降、風量與f因子隨時間的變化。

圖8不同相對濕度時MHE空氣側壓降、風量與f因子隨時間的變化Fig.8 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time at different relative humidity

由圖8可知，A2(1.0 m/s)和A4工況下的空氣側壓降增長率分別為451.4%和385.6%，風量衰減率分別為31.7%和26.4%。隨著時間變化，A2(1.0 m/s)工況的f因子始終高于A4工況。當相對濕度較低時，灰塵更容易產(chǎn)生靜電，相對濕度為45%時灰塵比65%時更容易沉積。

2.4 電壓對MHE積灰的影響

圖9所示為風速為1.0 m/s，灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對濕度為65%時，有/無電壓時，MHE空氣側壓降、風量與f因子隨時間的變化。

圖9 有/無電壓時MHE空氣側壓降、風量與f因子隨時間的變化Fig.9 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time with/without voltage

由圖9(a)可知，在積灰前期階段，A5工況下風量衰減速度大于A4工況。隨著積灰過程的進行，A4工況的風量衰減速度超過A5工況，最終風量衰減量也超過A5工況。積灰過程進行60 min后，A4和A5工況的空氣側壓降增加率分別為385.6%和278.3%，風量衰減率分別為26.4%和18.4%，因此帶電與否對積灰的影響相比其他因素較小。由圖9(b)可知，A4工況f因子初始時小于A5工況，隨著積灰過程的進行，超過A5工況。

在積灰初期，MHE帶電情況下更利于纖維狀灰塵的附著，因此帶電情況下積灰更快，隨著積灰過程的進行，帶電工況下積累了更多的纖維狀灰塵，而纖維狀灰塵較顆?；覊m更為疏松，故最后帶電工況下空氣側壓降更小，風量的衰減也較少。

2.5 f因子的一階導數(shù)

圖10所示為A2(1.0 m/s)、A2(4.5 m/s)、A4和A5 4種工況下MHE的f因子隨時間的變化。

圖10 不同工況下MHE的f因子隨時間的變化Fig.10 f factor in the MHE changes with time under different conditions

由圖10可知，f因子在最初15 min變化不大，而在15～40 min期間，f因子逐漸變大，且變化速度加快，40 min后f因子迅速增大且f因子的一階導數(shù)發(fā)生階躍。原因是潔凈MHE上積灰初期處于潛伏期，積灰較為困難；而后處于發(fā)展期，灰塵積累緩慢但積灰量不斷增加，灰塵附著點也不斷增多；最后進入積累期，覆蓋有一定量灰塵的MHE翅片上積灰較容易，灰塵積累速度迅速增大，積灰量增多。故除灰要在積累期之前進行，避免灰塵大量沉積，嚴重影響MHE的性能。

3 結論

本文搭建了微通道換熱器(MHE)積灰模擬實驗臺，研究了風速、灰塵種類、相對濕度、是否帶電等因素對MHE積灰的影響。其中，風速分別為1.0、3.0、4.5 m/s 3個工況；灰塵種類分為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長纖維3個工況；相對濕度分別為45%、65%兩個工況；是否帶電分為無電壓和直流電壓5 V兩個工況，得到如下結論：

1)風速越高，風量衰減及衰減速度越受抑制。當風速為1.0 m/s時，風量衰減率為31.7%；當風速為4.5 m/s時，風量衰減率為14.2%。較低風速下，灰塵沉積在MHE翅片迎風表面；較高風速下，積灰向MHE翅片后緣擴展。

2)粉末狀灰塵基本不能沉積，加入纖維成分后，積灰量和積灰速度顯著增大，空氣側壓降急劇上升。在100%顆粒、95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長纖維3種工況空氣側壓降增長率分別為8.8%、451.4%、524.9%。95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長纖維工況下風量衰減率分別為31.6%和48.7%。

3)高相對濕度抑制了風量衰減。當相對濕度為45%、65%時，空氣側壓降增長率分別為451.4%、385.6%，風量衰減率分別為31.7%、26.4%。

4)有電壓時，在積灰初期能夠加快風量衰減速度，隨著積灰的進行，電壓的影響逐漸消失，降低了MHE翅片的最大衰減風量。在無電壓和直流電壓5 V工況下的空氣側壓降增加率分別為385.6%和278.3%，風量衰減率分別為26.4%和18.4%。

5)在覆蓋有灰塵的MHE翅片上積灰比在潔凈的翅片上容易。潔凈MHE積灰過程經(jīng)歷潛伏期、發(fā)展期和積累期，后趨于平穩(wěn)。潛伏期灰塵難以積累，發(fā)展期積灰緩慢，積累期灰塵迅速大量積累，最后積灰量趨于不變。