文_蘇亮

2022年6月16日，由中國家用電器研究院組織舉辦的第四次“空調(diào)行業(yè)鋁應(yīng)用研討會”于線上順利召開。會上，西安交通大學(xué)曾敏教授對“微通道換熱器結(jié)霜性能研究”做了介紹。

“微通道換熱器結(jié)霜性能研究”主要基于OpenFOAM開源平臺，并通過自編程數(shù)值模擬，對濕工況下百葉窗翅片表面綜合性能和結(jié)霜情況進(jìn)行了研究，本刊根據(jù)演講對主要內(nèi)容進(jìn)行了整理。

我國的資源狀況屬于“富煤缺氣少油”，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要消耗大量能源，使用化石能源會帶來霧霾等空氣污染。同時，隨著碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的確立，近幾年我國燃煤改革區(qū)域越來越廣，用戶逐漸轉(zhuǎn)向其他取暖方式，尤其是在農(nóng)村城鎮(zhèn)自建房等供暖需求激增，空氣源熱泵在冬季供暖時，其具備的節(jié)能優(yōu)勢就體現(xiàn)出來。

霜是由冰晶、空氣組成的多孔物質(zhì)，結(jié)霜則是一種常見的物理現(xiàn)象，廣泛存在于大自然中，對航天、供暖、通風(fēng)等多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。由于熱泵的工作原理，熱量的傳遞是由低溫環(huán)境向高溫環(huán)境傳遞，蒸發(fā)器在冬天容易結(jié)霜，首先是翅片表面出現(xiàn)液滴，然后出現(xiàn)冰晶，最后形成密度越來越高的霜層，并逐漸影響熱泵的工作性能。

由于微通道換熱器具有緊湊度高、體積小、質(zhì)量輕、制冷劑側(cè)阻力小、堅固耐用和換熱能力強(qiáng)等多個優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，尤其是空氣源熱泵產(chǎn)品上應(yīng)用很多，因此對微通道換熱器的結(jié)霜性能研究，具有較高的價值和意義，且已經(jīng)有了一定的研究進(jìn)展。

比如鄭州大學(xué)研究的“一種新型收腰型百葉窗翅片”，可以強(qiáng)化傳熱、增強(qiáng)霜層均勻性。南京北大工道軟件技術(shù)有限公司研究的“一種后掠型百葉窗翅片”，具有自清潔能力、抑制霜層生長等特點(diǎn)。還有許多國內(nèi)外學(xué)者從均勻和非均勻排布、幾何參數(shù)、表面涂層、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、震動除霜等方面進(jìn)行了研究，但因?yàn)樗獙拥奈锢斫Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、霜層冰晶形狀具有隨機(jī)性、物性（密度、導(dǎo)熱系數(shù)等）在不斷變化、二維模型向三維模型拓展的處理復(fù)雜、翅片內(nèi)部霜層生長規(guī)律難以預(yù)測等技術(shù)難點(diǎn)，目前的研究現(xiàn)狀，仍存在霜層理想化模型的計算式計算霜層物性誤差大、霜層物性的非穩(wěn)態(tài)物性的計算問題未解決、缺乏微通道百葉窗翅片的霜層生長預(yù)測方法等不足。同時，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法不能觀測微通道百葉窗翅片內(nèi)部霜層生長情況，而使用放大模型的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，又與實(shí)際情況存在一些差異。

所以，在這樣的背景下， 曾敏教授等人開展了基于OpenFOAM平臺的三維結(jié)霜數(shù)值模型。其中，傳質(zhì)模型要解決從濕空氣轉(zhuǎn)移至霜層表面的水蒸氣質(zhì)量通量、冷表面上的霜層密度、霜層生長速率等問題。傳熱模型要解決從濕空氣轉(zhuǎn)移至霜層的總熱通量、霜層的表面溫度等問題，這也是在對微通道換熱器結(jié)霜性能研究時必不可少的兩個模型。同時，在建立三維模型霜層的生長過程中，其關(guān)鍵是CFD模型中對任意三維區(qū)域中霜層生長進(jìn)行描述。

有了基本模型之后，還需要進(jìn)行驗(yàn)證、試驗(yàn)對比等，驗(yàn)證三維模型的可靠性等等。有了三維模型就可以對微通道百葉窗翅片霜層生長進(jìn)行較好的研究。最后，還可以基于人工智能預(yù)測霜層生長等等。

目前取得的主要研究結(jié)論包括，百葉窗間距越小，翅片的緊湊度越高，翅片前半部分的霜層生長更快，在較早時間內(nèi)就會發(fā)生霜層堵塞現(xiàn)象，百葉窗翅片霜層前后均勻性較差。百葉窗高度越大，通道內(nèi)部的濕空氣平均溫度更高，翅片各位置發(fā)生霜層堵塞的時間較晚，霜層前后區(qū)域的均勻性較好。在單一工況變化研究中，濕空氣進(jìn)口速度主要影響翅片表面的霜層堵塞位置，冷壁面溫度主要影響翅片表面的局部霜層厚度，濕空氣進(jìn)口溫度主要影響翅片前側(cè)的霜層分布，其對結(jié)霜率的影響較小。

曾敏認(rèn)為，在后續(xù)的研究中可以考慮扁管中的制冷劑流動分配情況并對完整的微通道百葉窗翅片換熱器進(jìn)行霜層生長模擬；同時，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在提高人工智能預(yù)測精度的情況下，可以通過給定環(huán)境和幾何參數(shù)預(yù)測出結(jié)霜情況，可大大節(jié)省計算時間和資源。