技術：翅片結構對翅片管換熱器積灰與壓降影響

    目前應用較廣的翅片類型包括平直翅片、波（bō）紋翅片和開窗翅片，這些翅片（piàn）類型的（de）換熱器表麵所受的積塵狀（zhuàng）況將嚴重影響（xiǎng）換熱器（qì）的換熱效率（lǜ）。因此為了明確不同翅片結構的（de）翅片管換熱器的積灰長效性能（néng）變化，必須（xū）了解（jiě）不同的翅片結構對翅片管換熱器表麵積（jī）灰特性的影響。

    本文我們就（jiù）來探討下翅片換熱（rè）器表麵積灰特性（xìng）。分析（xī）翅片結構對（duì）翅片管換熱器積灰與壓降的（de）影響（xiǎng）規律（lǜ），以及不同翅片結構參數對換熱器表麵粉塵沉積（jī）量與空氣側壓降的影響。

1、實驗原理（lǐ）與測試樣件

1. 1 實驗原理及裝（zhuāng）置

翅片管（guǎn）換熱器積（jī）灰特性與壓降特性測（cè）試（shì）實驗台 

實驗台包括三（sān）部分:

1) 風道係統，提供並引導特定風速的幹空氣至測試樣件;

2) 粉塵（chén）發生係統，可調節粉塵的（de）質（zhì）量（liàng）流量以提供特定粉塵濃度的含塵氣流;

3) 可視化測試段，用於拍攝測試樣 件表麵積（jī）灰形貌並測量粉塵沉積量與空氣側壓降。

    可視化測試段包括透明（míng）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（jí）海綿。樣件嵌（qiàn）入至托盤 2 mm 深的（de）凹槽中（zhōng）固定，同時托盤四周刻出15 mm 深的凹槽並（bìng）填充海綿，透明風道擠壓 托盤凹槽中海綿以實現測試段密封（fēng）。托盤置於（yú）分析天（tiān）平上，升降機用於調節托盤升降高度，以實現積灰 過程中測量樣（yàng）件（jiàn）重量及觀察積灰（huī）形貌。壓差傳感器 用於測量積灰（huī）過程中樣件空氣側壓降數（shù）據。

1. 2 實驗工況（kuàng）及（jí）測試（shì）樣件

    實驗工況參數包括翅片類型和翅片間（jiān）距。翅片類 型選為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片，翅片間距（jù）選為 1. 5 mm 和 1. 8 mm，覆蓋常見的空調室外（wài）換熱器類型及尺（chǐ）寸。

依據 GB 13270—91 的規定，實驗采用的測試粉 塵包含 72% 的白（bái）陶（táo）土和 28% 的炭黑，粉塵密度為 2. 2 × 103 kg /m3 ，中位徑為 10 μm。由於實際室外環境中的粉塵濃度較低，為了加速 積（jī）灰的實驗進（jìn）程，同時根據空調室外機中翅片（piàn）管換熱（rè） 器的正常迎流風速，選取噴粉濃度 10. 8 g /m3 、風（fēng）速 1. 5 m / s 進行積灰實驗。噴粉時間總（zǒng）長為 255 min， 保證（zhèng）粉塵（chén）沉積量達到穩定。風速由空壓（yā）機、流量計及 流量閥調節，噴粉（fěn）濃度由螺旋給料機、控製櫃、混合箱 實現控製。

2、數據（jù）處理方法及誤差分析（xī）

2. 1 數據處理方法

    壓（yā）降（jiàng）和風速可分別通過壓差傳感器（qì）、流量計讀得，粉塵沉積量與（yǔ）噴粉濃度則由特定關係式得到。

2. 2 誤差分析  

    參數包（bāo）含直（zhí）接測量參數與間接測量（liàng）參數，通過實 驗（yàn）儀器精度可得直接測量參數誤差，直接測量參數包 括空氣側壓降、空氣體積流量與樣件重量。通過 Ｒ.J.Moffat方法可求得間接測量參數誤差，如（rú）表 2 所示（shì），間接測量（liàng）參數包括粉塵沉積量。

3、實驗結果與分析（xī）

3. 1 粉（fěn）塵沉（chén）積（jī）分（fèn）布特征分析  

    圖 3 給出了三種不同翅（chì）片類型的樣件（jiàn）在噴粉濃 度為 10. 8 g /m3 、風速為 1. 5 m / s、噴粉時（shí）長為 255 min 下的粉塵沉積（jī）分布特征。由圖 3 可知，平直翅片管換熱器表麵沉積粉塵（chén）少（shǎo），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麵均沉積有一定量粉塵，且（qiě）積塵程度 較平直翅（chì）片嚴重;開窗翅片管換熱（rè）器表麵積塵程度嚴重，翅片（piàn）開窗處幾（jǐ）乎完（wán）全被粉塵堵塞，且換熱管（guǎn）表麵也容易形成汙垢塊。

    分析粉塵在這三種類型（xíng）換熱器表麵沉積特性可知: 開窗翅片表麵突（tū）起的間斷縫隙正對著含（hán）塵氣流， 粉塵顆粒物（wù）更容易直（zhí）接撞擊並沉積在間斷縫隙處，使 開（kāi）窗翅片表麵容易被粉塵堵塞。同時由於開窗（chuāng）翅片 表麵各縫隙（xì）的間距（jù）較小，粉塵容易在各縫隙間形成較 為緊密的汙（wū）垢團，導致（zhì）積（jī）灰程度較嚴重。 

    另外，由於平直（zhí）翅片和波紋翅片的表麵結構相（xiàng）對（duì） 於開（kāi）窗翅片更為簡單，在相同的換熱器橫截（jié）麵積下， 兩者與含塵氣流（liú）的接觸麵積較小，使粉塵顆粒物與（yǔ）換 熱器表麵發（fā）生碰（pèng）撞沉（chén）積的概率較小。同時由於平直 翅片間距和波紋翅片間距相對（duì）於開窗翅片各縫隙的 間距較大，積塵生長到一定厚度時容（róng）易在重力的作用 下從（cóng）翅片表麵脫落。

3. 2 翅片類型對（duì）粉塵沉積（jī）量與壓降的影響  

    圖 4 給出了噴粉濃度（dù） 10. 8 g /m3 、風速 1. 5 m / s、 翅片間距 1. 5 mm、噴（pēn）粉時長 255 min 時，不同翅片類 型對粉塵沉積量與（yǔ）空氣側壓降的影響。粉塵沉積量 是通過可（kě）視化測試段中垂直升降（jiàng）機（jī）與分析天平測得。

    由圖 4( a) 可知，開窗翅片管換熱器表麵積灰量大，且積灰量達到穩定所需時間少。與平直片相（xiàng）比，波紋片和開窗（chuāng）片表麵積灰量分別提高了 25. 6% 和 52. 8% ，積灰量達到穩定所需（xū）時間分別減少了 8. 5% 和 25. 5% 。這是因為，波（bō）紋片縱向呈波紋形， 相比（bǐ）於平直片，含塵氣流在翅片間流道（dào）長度增加，在相同噴粉時間內，與翅片表麵發生碰撞沉積的顆（kē）粒物 數量增多。而（ér）對於開窗翅片，表麵突起（qǐ）的縫（féng）隙（xì）增加（jiā）了迎（yíng）風麵積，在相同的入口風量下提高了迎麵風速，使得單位時（shí）間內吹向開窗翅片表麵的粉塵顆粒物數量增多，減少積灰量達到穩定所需時間。

    由圖 4( b) 可知，開窗翅片管換熱器（qì）積（jī）灰後壓降（jiàng）大，且壓降達到穩定所需時間少。開窗（chuāng）翅片、波 紋翅片和平直翅片樣（yàng）件壓降（jiàng）分別增加了 222. 8%、 136. 3% 和 116. 2% ，也即開窗翅片和波（bō）紋翅（chì）片的壓 降增量相比平直翅（chì）片分別提高了 165. 6% 和 44. 4% 。

    開窗翅（chì）片積灰（huī）後壓降達到穩定所需時間比波紋（wén）翅片 與平直翅片分別（bié）減少了 10. 5% 和 27. 9% 。這是由於，翅片表麵結構越複雜，換熱（rè）器表（biǎo）麵積塵量越多，不 斷堆積的粉塵引起含塵氣流流通麵積減小，流動阻力 增大（dà），導致空氣側壓降增大。

由圖 4( c) 可知，相（xiàng）比於平直翅（chì）片與波（bō）紋翅片，開窗窗口幾乎完全被粉塵堵塞，使壓降增加顯著，其壓 降增強因子大（dà）; 波紋翅片表麵粉塵沉積量較開窗翅 片小，對壓降的提升（shēng）作用沒有開窗翅片明顯，其壓降 增強因子較低; 而平直翅片結構簡單，表麵積灰量少，壓（yā）降增加不明顯，故其壓（yā）降增強因（yīn）子小。

3. 3 翅片間距對粉（fěn）塵（chén）沉積量與（yǔ）壓降（jiàng）的影響（xiǎng） 

    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（fěn）塵沉（chén）積量與空氣側壓降的影響（xiǎng）。

    由圖 5( a) 可知，隨著翅片間（jiān）距減小，積灰量逐漸增大，且積灰量（liàng）達到穩定所需時間逐漸減少（shǎo）。當翅片間距由1. 8 mm逐漸減小1. 3mm時，達到穩定時積灰量提高了26. 2%～43. 2% ，所需時間減少了9. 3%～17. 8% 。

    這是因（yīn）為，一方（fāng）麵翅片間距越（yuè）小，含（hán）塵氣流掠過開窗口時氣流邊（biān）界層越容易遭到破（pò）壞，流 場不穩定度增強，導致顆粒物在翅片間發生無規則（zé）碰 撞沉積概率提高。另一方麵小翅片間距（jù）限製了汙垢 團在開窗口之間大尺寸，使堵塞在開窗口之間的汙 垢團不容易在重力的作用下從翅片表麵脫（tuō）落，提高了積塵量。

    由圖 5( b) 可知，隨（suí）著翅片間（jiān）距（jù）減小，積灰後的空氣側壓降逐（zhú）漸增大，且壓降達（dá）到穩定時所需時間逐漸減少。翅片（piàn）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（hé） 187. 2% ，即翅（chì）片間距（jù）為 1. 3 mm 與 1. 5 mm 的樣件相（xiàng）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（wéi） 1. 3 mm 的樣件壓降達到穩定所需時間比翅片間距為 1. 5 mm 與 1. 8 mm 的（de）樣件分 別減少了 11. 7% 和 29. 4% 。

    這是因（yīn）為（wéi），翅片間距越 小，換熱器表麵積塵量（liàng）越多，堵（dǔ）塞在換熱器（qì）迎風麵的（de） 粉塵導致（zhì）流通麵（miàn）積減（jiǎn）小（xiǎo），含塵氣流的流動阻力增大，導（dǎo）致空（kōng）氣側壓降增大。

    由圖 5( c) 可知，隨著（zhe）翅（chì）片間（jiān）距減小，壓降增強因 子（zǐ）逐漸降低（dī）。壓降達（dá）到穩定時，翅片間距為 1. 8 mm、 1. 5 mm 和（hé）1. 3 mm 樣件的壓降增強（qiáng）因子分別為 3. 21、3. 05 和 2. 87。一方麵小翅片間距能夠（gòu）增大積 塵量，使壓降增大; 另一方麵小翅片間（jiān）距換熱器本身（shēn） 積灰前的壓降就較大。因此通過這兩方麵的綜（zōng）合作 用，對於小翅片間距的換熱器，在噴粉初始階（jiē）段其壓 降增強因（yīn）子較大，在噴粉後期其壓降增強因子比大翅 片（piàn）間距（jù）樣件（jiàn）的有所降低。

3. 4 粉塵沉積量（liàng）對壓降的影響  

    由圖 6 給出（chū）了噴粉濃（nóng）度（dù） 10. 8 g /m3 、風速 1. 5 m / s、噴粉時長 255 min 時沉積量（liàng）對壓降影響。由圖（tú） 6( a) 可（kě）知，開（kāi）窗翅片、波紋翅片（piàn）和平直翅（chì）片 三種翅片類型下，隨著沉積量增加，空氣側壓降（jiàng）均先 增大後保持穩定。在積灰初期，隨著含塵氣流中粉塵 顆粒在翅片及換（huàn）熱管上不斷（duàn）堆積，汙垢層快速生長， 使流通麵積不斷減小，導致壓降增大，此階段壓降（jiàng）與 沉積量基本呈線性關係。當達到（dào）積灰（huī）臨界點( 圖中 虛線所示) 時（shí），粉塵顆粒主要沉積在翅片迎風麵前緣 並向外延伸（shēn），對換熱器流通麵積基本無（wú）影響，導致此 階段壓降基本不變。此外，開窗翅片管換熱器的積灰（huī） 臨界點高於波紋翅片與（yǔ）平（píng）直翅片，這是由於開窗翅片表麵結構複雜、各縫隙間（jiān）距較小，更（gèng）容（róng）易粘附粉塵顆 粒，從而使（shǐ）得積灰臨界（jiè）點較高（gāo）。

    由圖 6( b) 可知，對於開窗翅片管換熱器，翅（chì）片間 距越小，積灰量對壓降提升的（de）作（zuò）用越顯（xiǎn）著，由圖 5( a) 分析可知，由於小翅（chì）片間距能夠快速增大單位時間內 的積灰量，使壓降增加顯著。同（tóng）時，小翅片間距的積 灰臨界點較高，原因是翅片間距（jù）越小，堵塞在翅（chì）片及 換熱管上的汙垢層越不容易脫落。

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