肖宏新 陳觀生 羅超鴻 劉良德 劉湘云 李建國

1廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

2廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司

近年來，我國北方地區(qū)在“ 煤改電”政策推動下，空氣源熱泵得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。相比傳統(tǒng)的供暖方式，空氣源熱泵有著節(jié)能高效、清潔安全等諸多優(yōu)勢。但是在低環(huán)境溫度工況下，如在北方冬季低溫高濕度地區(qū)，空氣源熱泵的翅片管蒸發(fā)器表面溫度低于空氣的露點溫度并且低于 0℃時，換熱器表面會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[4]。霜層不僅增大了翅片管表面換熱熱阻，而且結(jié)霜嚴(yán)重時會造成翅片之間氣流的流通受阻，導(dǎo)致氣流阻力過大，氣流量減小，大幅度降低室外蒸發(fā)器的換熱效率，造成室外蒸發(fā)器不能滿足換熱要求，同時風(fēng)機長期在這種不利工況下工作也容易損壞[5]。此外，對于固定翅片間距的翅片蒸發(fā)器，在低溫高濕工況下空氣源熱泵供熱過程中，容易造成蒸發(fā)器前后管排結(jié)霜不均勻，通常迎風(fēng)面翅片管結(jié)霜最密，更容易造成空氣通道堵塞，需要及時化霜，但頻繁的化霜會帶來供熱系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，增加能耗的問題[6-7]。

針對低環(huán)境溫度條件下蒸發(fā)器的結(jié)霜問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，為空氣源熱泵在低溫條件下運行的性能提升和除霜設(shè)計提供了一定的依據(jù)和參考。由于結(jié)霜需要空氣中的水分，有學(xué)者研究通過固體或液體干燥劑降低蒸發(fā)器入口空氣濕度，干燥裝置能抑制結(jié)霜的形成，延長除霜間隔，但干燥裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高[8-9]。蒸發(fā)器的布置結(jié)構(gòu)也會對換熱性能造成影響，在低溫結(jié)霜工況下，蒸發(fā)器橫排布置的結(jié)構(gòu)在結(jié)霜與化霜特性上更優(yōu)于豎排布置結(jié)構(gòu)[10]。Park[11]研究在百葉窗翅片換熱器翅片中心安裝渦流發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)延緩了換熱器前側(cè)結(jié)霜太快導(dǎo)致的堵塞，并提升了至少 28%的換熱性能。黃康[12]研究翅片管換熱器結(jié)構(gòu)對霜層生長的影響，發(fā)現(xiàn)1.9 mm翅片間距換熱器的平均換熱性能最優(yōu)，平翅片換熱器換熱表面結(jié)霜較慢但換熱量較小。Z hang[13]定量研究了空氣源熱泵機組室外盤管換熱器在兩種翅片間距（2 mm和3.2 mm）下結(jié)霜分布差異，發(fā)現(xiàn)3.2 mm翅片間距更有利于確保熱泵供熱的穩(wěn)定性，更適用與低溫地區(qū)。Kim[14]對三種表面處理過的翅片換熱器設(shè)置不同翅片間距并進行結(jié)霜實驗，發(fā)現(xiàn)疏水翅片換熱器因結(jié)霜延遲在循環(huán)結(jié)霜周期中的整體傳熱效率最大。秦海杰[15]研究變片距（10 mm 和 5 mm）空冷器結(jié)霜工況下性能影響，數(shù)值仿真與試驗結(jié)果表面變翅片片距空冷器相比定片距空冷器具有更長除霜周期和更好的傳熱性能。

由這些研究可以看出，在結(jié)霜工況下翅片片距對蒸發(fā)器有著重要影響，而目前許多研究集中在兩排固定大片距與常規(guī)間距的對比，對三排變片距蒸發(fā)器的研究較少，本文將通過換熱器數(shù)值模擬軟件結(jié)合理論計算對十組不同翅片間距結(jié)構(gòu)的三排變片距翅片盤管蒸發(fā)器在低環(huán)境溫度工況下的換熱能力和結(jié)霜特性進行數(shù)值模擬研究，探討三排翅片盤管蒸發(fā)器不同翅片間距的合理組合，對低溫工況空氣源熱泵的蒸發(fā)器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善空氣源熱泵室外蒸發(fā)器容易出現(xiàn)結(jié)霜堵塞、除霜間隔短的問題。其中研究內(nèi)容包括變片距結(jié)構(gòu)對蒸發(fā)器換熱量，結(jié)霜量，各管排結(jié)霜厚度和除霜間隔時間的影響，本文的模擬結(jié)果可以為空氣源熱泵在低環(huán)境溫度運行工況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模擬設(shè)計

本文采用了美國 NIST 的換熱器設(shè)計軟件EVAP-COND 4.0進行模擬仿真實驗，選擇 R410A 作為制冷劑，蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，換熱管為銅管，翅片為鋁制平翅片。

表1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

將固定間距 2 mm的三排翅片蒸發(fā)器作為對照組A組，改變第一排和第三排的翅片間距，研究9組不同間距的三管排翅片蒸發(fā)器與對照組A 組對比，蒸發(fā)器迎風(fēng)面設(shè)為第一排，每組各管排的翅片間距如表2。

表2 各組蒸發(fā)器翅片間距

為簡化計算，各組蒸發(fā)器的管路連接均為順排并聯(lián)連接，風(fēng)速均勻分布，變片距蒸發(fā)器模型具體如圖 1所示。

圖1 變片距翅片蒸發(fā)器及空氣流向示意圖

各組蒸發(fā)器的制冷劑初始參數(shù)及空氣進口參數(shù)如表3。

表3 各組蒸發(fā)器運行條件

每組蒸發(fā)器模擬步長5 min，共模擬 60 min，假設(shè)霜層平均分布于翅片表面，忽略重力、輻射傳熱影響，并且霜層導(dǎo)熱系數(shù)只與霜層密度相關(guān)，空氣質(zhì)量流量受霜層厚度的影響。

蒸發(fā)器表面結(jié)霜速率計算公式為：

式中：mfr為結(jié)霜速率，kg/s；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；din，dout為蒸發(fā)器進出口空氣含濕量，kg/kg。

結(jié)霜速率包括用于增加霜層厚度的結(jié)霜速率m δ和用于增加霜層密度的結(jié)霜速率m ρ，表示為：

霜的導(dǎo)熱系數(shù)選用Sanders公式

式中：λfr為霜層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K ；ρfr為霜層密度，kg/m3。

霜密度變化的結(jié)霜量變化率mρ和霜密度 Δρfr、厚度變化量 Δδfr計算公式[16]如下，霜層初始密度設(shè)為50 kg/m3。

式中：Qt為蒸發(fā)器換熱量，W ；isv為水蒸氣的升華潛熱，J/kg；R為水蒸氣氣體常數(shù)，461.9 J/(kg· K)；Ts為霜的表面溫度，K ；ρi為冰的密度，kg/m3；Ds為霜表面水蒸氣擴散系數(shù)，m2/ s。

式中：mρ，mδ分別為霜密度變化和厚度變化的結(jié)霜量變化率kg/s；At為換熱器全換熱面積，m2；Δt為時間步長，s。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 變片距對蒸發(fā)器換熱量的影響

對表 2 各組蒸發(fā)器以 5 min 為一步長，60 min 后各組平均傳熱量如圖 2 所示，從 B-C-D 組（或 E-F-G、H-I-J組）可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器第三排翅片間距減小時，由于翅片數(shù)量增多可以明顯提高蒸發(fā)器換熱量，從B-E-H組看出第一排翅片間距的減小也會增加蒸發(fā)器的換熱量，但換熱量的增幅沒有前者明顯。H 組的翅片間距組合最接近A 組，增大了第一排的翅片間距減小了第三排的翅片間距，平均換熱量也略高于A 組。可見通過合理變片距處理可以保證換熱器換熱量有所提升，相對于A組，J組的換熱量提升了約4.85%

圖2 各組蒸發(fā)器60 min平均換熱量

2.2 變片距對蒸發(fā)器結(jié)霜量的影響

各組蒸發(fā)器數(shù)值模擬 60 min 后結(jié)霜量如圖 3 所示，從 B-E-H 組和D-G-J 組可以看出，在第二、三管排翅片間距相同的情況下，第一管排翅片間距減小，結(jié)霜量呈先增后減的非線性關(guān)系，但 C-F-I組是隨第一管排翅片間距的減小，結(jié)霜量呈先減后增的關(guān)系。從B-C-D 組（或 E-F-G、H -I-J 組）可以看出，在蒸發(fā)器第一管排間距一樣的情況下，減小第三排翅片間距會明顯增大蒸發(fā)器的結(jié)霜量，結(jié)霜量最高的G 組與A組相比，結(jié)霜量增加20 g，增加了約 7.27%?？梢婋m然減小第三排翅片間距會增大蒸發(fā)器整體換熱量，但翅片數(shù)量增多也會增加翅片表面的霜層附著。

圖3 各組蒸發(fā)器60 min結(jié)霜量

2.3 變片距蒸發(fā)器結(jié)霜厚度變化

2.3.1 對第一排結(jié)霜厚度的影響

為了研究改變?nèi)耪舭l(fā)器第一排翅片間距對第一排結(jié)霜厚度的影響，選取對照組 A 組和B/E/H 組蒸發(fā)器。圖4為在所示工況下A/B/E/H組蒸發(fā)器第一排結(jié)霜厚度增長圖，可以看出，在第一個步長內(nèi)即 0～ 5 min內(nèi)各組蒸發(fā)器的結(jié)霜厚度增加最快，這是由于初始狀態(tài)蒸發(fā)器翅片表面無結(jié)霜，結(jié)霜增長率最快，接下來的步長各組蒸發(fā)器的結(jié)霜厚度呈線性增長。從最后的結(jié)果看，增大蒸發(fā)器第一排翅片間距并不一定會減小翅片表面結(jié)霜厚度，B 組蒸發(fā)器第一排的結(jié)霜厚度稍大于A組，但B組的翅片間距增加幅度更多，可以擴大第一排的剩余空氣流通通道。

圖4 A/B/E/H組蒸發(fā)器第一排結(jié)霜厚度變化

2.3.2 對每排結(jié)霜厚度的影響

選取換熱量相對較高、結(jié)霜量相對較少的變片距H 組與固定片距 A 組對比，圖 5、圖 6 分別是 A 組和H組蒸發(fā)器隨時間變化每排結(jié)霜厚度對比。60 min后，固定片距的A組前兩排結(jié)霜厚度較大，A 組每排的結(jié)霜厚度分別占了翅片間距（2 mm）的 47%、41%、35%，A組各排翅片間剩余厚度點較分散，結(jié)霜不均勻。相對A組，60 min后變片距的H 組每排的結(jié)霜厚度分別占翅片間距的44%、42%、40%，相差不超過 4%,H組各排翅片間剩余厚度點更加集中，H 組各排的結(jié)霜厚度更接近，各排之間的結(jié)霜均勻性更好?？梢姽潭ㄆ嗾舭l(fā)器在結(jié)霜工況下運行容易造成迎風(fēng)面管排結(jié)霜堵塞，迎風(fēng)面管排霜層堵塞會造成第二、三排進風(fēng)量減少，前后排結(jié)霜不均勻，影響熱泵正常制熱，前后結(jié)霜不均也會造成除霜的不合理。第二、三排的除霜周期明顯長于第一排的除霜周期，頻繁的除霜也會影響熱泵機組的效率。適當(dāng)?shù)母淖兂崞嗄芨纳平Y(jié)霜不均勻的問題，有利于延長除霜周期，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定運行。

圖5 A組蒸發(fā)器每排結(jié)霜厚度變化

圖6 H組蒸發(fā)器每排結(jié)霜厚度變化

2.4 對除霜間隔時間的影響

運行 45 min 后 A 組蒸發(fā)器第一排風(fēng)速降至約1.19 m/s，翅片間結(jié)霜厚度約為 0.82 mm，占翅片間距的40.8%左右，此時第一排結(jié)霜已經(jīng)較嚴(yán)重，空氣流通通道減少，結(jié)霜厚度占翅片間距比較大時會增加空氣流通阻力，因此有必要進行除霜。假定各組蒸發(fā)器在第一排風(fēng)速降至約1.19 m/s且結(jié)霜厚度占翅片間距比超過40%需進行除霜，各組的除霜間隔如圖7所示，G組和 J 組的結(jié)霜量較大，相對于A 組除霜間隔更短。提高第一排的翅片間距有利于延長除霜間隔，B、E 組的除霜間隔相對于A組延長了10 min左右，延長除霜間隔有利于提高熱泵供熱的穩(wěn)定性。但在相同運行時間內(nèi)B、E兩組的換熱能力相對于A組更低，為了在不影響換熱量的情況下提高除霜間隔可以參考 H 和 I組，除霜間隔分別延長了15.5%和11.1%左右。

圖7 各組蒸發(fā)器除霜間隔

3 結(jié)論

本文建立了在結(jié)霜工況下三排蒸發(fā)器數(shù)值仿真模型，通過計算分析計算結(jié)果符合實際狀況下變化趨勢，為低環(huán)溫工況下的多排變片距蒸發(fā)器設(shè)計提供參考依據(jù)。分析計算數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）通過合理的翅片間距組合，變片距蒸發(fā)器能有效改進蒸發(fā)器在結(jié)霜工況下的迎風(fēng)面管排霜層堵塞的問題，使各管排結(jié)霜更加均勻，提高了整體換熱能力，并且延長除霜周期，使供暖系統(tǒng)更加穩(wěn)定，更適用于低溫地區(qū)。以變片距I 組為例，與固定片距 A 組相比，在相同運行時間和運行條件下，I 組的換熱量增加了2.86%，除霜間隔延長了11.1%。

2）通過分析計算結(jié)果可以看出，變片距蒸發(fā)器對于提高各排結(jié)霜量的均勻性和延長除霜間隔有明顯的作用，H 組蒸發(fā)器的各排結(jié)霜厚度占翅片間距比值相差不超過 4%，除霜間隔相對于固定片距組延長了約15.5%。同時可以提高整體的平均換熱量，G 組和 J組蒸發(fā)器的平均換熱量分別提高了3.04%和4.85%。