技術探討：管翅式換熱器結霜機理和特性

目前，空氣能熱泵係統技術應用瓶頸主要有兩個（gè）：一個是低溫適應性較差；另外（wài）一個是結霜問題。本期我們來探討（tǎo）下空氣能（néng）熱泵係統管（guǎn）翅式換熱器的結霜機理和特性問題。

當環境溫度（dù）在-15~6℃，相（xiàng）對濕度大於 45%時，空氣源熱泵係統室外（wài）盤管表麵會發生較為嚴重的結霜問題。

管翅式換熱器結霜機理和（hé）特性研究可大體分（fèn）為以下三個部分：冷表麵結（jié）霜機理、簡單冷表麵（管翅式換熱器的簡單構件）結霜（shuāng）特性、管（guǎn）翅式（shì）換熱器結霜特性。

1、冷表麵結霜機理研（yán）究

1. 1霜層形成過程及形貌 

目（mù）前，研究者將冷（lěng）表麵上（shàng）霜層的形成過程分為四個階段，即（jí）：液滴凝（níng）結期，液滴凝固-頂端（duān）生（shēng）長期，霜層生（shēng）長期和霜層成熟期。

與霜層（céng）形成過程的分析一樣，霜層形貌的（de）分析也有助於結（jié）霜機理的探究。研究（jiū）表明，霜層是由冰晶體和濕空氣組（zǔ）合而成（chéng）的（de）混合物。

研究者Kobayashi將霜層中的冰晶體結構歸納為七類，並認為冷（lěng）表麵（miàn）溫度和濕空氣（qì）中水蒸氣對應於冷表麵溫度的過飽和度是影響冰晶體結構的主要因素。

冰晶體結構（gòu）圖（tú）如圖 1-1 所示（shì）。

研究者許旺發（fā）拍攝了霜層形成過程中冰晶體的結構變化。如圖 1-3a)所（suǒ）示，在（zài）液滴凝（níng）固-頂端生長期，一共（gòng）觀察到五種冰晶體結（jié）構（gòu）形狀，即（jí）：不規則狀、板狀、針狀、柱狀和樹突狀。

隨著冷表麵（miàn）溫度的（de）降低（dī），冰晶體結（jié）構從不規則狀逐漸變為板狀，再變為針狀和柱狀，變為樹突狀。

1.2霜層結構模型

當前一（yī）共有六種較為常見的霜層（céng）結構模型，如圖 1-4 所示。這些模型有助於（yú）揭示霜層的結構特性，並對結霜的數值（zhí）研究有重要的意義。

1. 3 結霜特性參數  

霜層形成的過程中，5個結霜特性參數受到了學者（zhě）的重點關注，即：對流換熱係數、對流傳質係數、有效水蒸汽擴散係數、霜層密度和霜層導（dǎo）熱係數。

1.3.1 對流換熱係數

霜層表麵的對流換熱係數不（bú）僅是建立霜層生長預（yù）測模型中的重要參數（shù），還是分析冷（lěng）表麵換熱性能（néng）的重要指標。目前，基於實（shí）驗結果推（tuī）導對應的經驗關聯式及其適用的結霜工況，如下麵（miàn）附表 1 所示。

1.3.2對流傳質係數

結霜冷表麵的對（duì）流傳質係數可用來計算霜層表（biǎo）麵與附近（jìn）空氣交換的水蒸氣質量，也就是（shì）結霜量。與對流換熱係數相似，對流傳質係數的關聯式也主要基於實驗結果推（tuī）導而（ér）得。表 1-3 總結了常見的適用於結霜冷（lěng）表麵的對流傳質係數經驗關聯式及其相應（yīng）的結霜工況（kuàng）。

1.3.3有效水蒸氣擴散係數

基於菲克擴散定律，可以計算（suàn）水蒸汽在霜層表麵和霜（shuāng）層內部的擴散質量流量。然而，由於（yú）霜（shuāng）層（céng）是（shì）多孔介質，霜層表麵和內部的水蒸汽擴散係數（shù）和常（cháng）規的水-空氣標準擴散係數不同。經驗（yàn）關聯式（shì）如表 1-4 所示。

1.3.4 霜層密度

霜層密度是霜（shuāng）層的重要（yào）物（wù）性（xìng）參數之一。目前（qián），對霜層密（mì）度的研究主要采用（yòng）實驗和數值模擬的方法。

冷表麵在強迫對流條件下所形成霜層的密度經驗關聯式及其相應（yīng）的結霜工況，如表 1-5 所示。

1.3.5 霜層導熱係數

與（yǔ）霜層（céng）密度類似，霜層導（dǎo）熱（rè）係數也是霜層的重（chóng）要物性參數之（zhī）一。需要指出的是（shì），由於霜（shuāng）層是一種多孔介（jiè）質，霜層導熱係數是一個綜合參數，不僅包括濕空氣和冰晶體的導熱（rè），還包括熱輻射、熱對流（liú）和由水蒸氣擴散引起的潛熱傳遞。冷表麵在強迫對流條（tiáo）件下所形成霜層的導熱係數關（guān）聯式及其相應的結霜（shuāng）工況和限製條件如附錄中附表 2 所示。

2、簡單（dān）冷表麵結霜特性研究

由於管翅式（shì）換熱器的結構較為複雜，且管翅式換熱器又（yòu）可看作由多個簡單冷（lěng）表麵組（zǔ）成，因此，為了更好地研究（jiū）管翅式換熱器的結霜特性，學者對簡單冷表麵在強迫對流條件下的結霜特性展開了研究。這部（bù）分研究主要集中於以下五種簡單冷表麵：定壁溫平板、定肋溫平板、圓柱、平行板和翅片組，分別（bié）如圖 1-5a)，b)，c)，d)，e)所示。

相關研究的（de）特性參（cān）數（冷（lěng）表麵類型、研究方法、冷表麵或肋基溫度、冷表麵接觸角、風速或雷（léi）諾數、含濕量或相對濕度、空氣溫度）見附（fù）錄中附（fù）表 3。

2.1 定壁溫平板結霜特性研究

在所有簡（jiǎn）單冷表麵結霜特性的研究中，針（zhēn）對定壁麵溫（wēn）度平（píng）板（bǎn）的研究最為常見。一部分學者開展了實（shí）驗和模擬研究。結論主要有：

（1）霜層內部沒有明顯的密度梯度，但平板附近的霜層溫度（dù）梯度（dù）遠遠大於霜層表麵附近的溫度梯度。

（2）定壁溫平板迎風側的霜層生長速度要比背風側快得多。

（3）定壁溫平（píng）板迎風側的霜層不僅沿垂直（zhí）平板的（de）方向生長，而且沿氣流方向生長。

（4） 霜層厚度（dù）隨風速和空氣含濕量的增加而增大，隨空氣溫度和冷表麵溫度的升高而減（jiǎn）小。

（5）相比於空氣溫度和風速，空氣含濕量和冷（lěng）表（biǎo）麵溫度（dù）對霜層厚度（dù）的影（yǐng）響更顯著，且霜層厚度與結霜時間（jiān）呈拋物（wù）線關（guān）係。

（6）霜層密度沿垂直平板（bǎn）方向的分布在類結霜工況下為線性，而在第二類結霜工況下（xià）為拋物線。

（7）霜（shuāng）的形貌受空氣含濕量和平板溫度（dù）的影響較大，受風速（sù）和冷表麵接（jiē）觸角的影響較小。

（8）在相同（tóng）結霜工（gōng）況下，與（yǔ）具有疏（shū）水表麵（miàn）的平板相比，具有（yǒu）親水表麵的平板霜層厚度較小，但霜層密度較大。

（9）在某種特定結霜工況下，平板溫度對結霜速率的影響和風（fēng）速對霜層厚度（dù）的影響都可以忽略不計，但風速的（de）增大會導致（zhì）霜層密度的增加。

（10）在霜層生長期，水蒸氣在霜層表麵的傳遞量主要用於增加霜層厚度，而在霜層成（chéng）熟期則主要用於增（zēng）加霜層密度。

2.2 定肋溫平板（bǎn）結霜特性   

如圖 1-5 b)所示，根據肋基所在平板的位置，可以將定肋溫平板分為兩種。

①是定邊緣溫度的平板，即（jí）肋基位於平板的某（mǒu）一條邊（biān）上。

②定肋溫平板的肋基位於平板的中心軸。

結果表明：

（1）平板（bǎn）肋基處和迎風側入口處的霜層厚度大，且沿氣流方向和垂（chuí）直於肋基的方向不斷減小。

（2）平板的溫度和熱流密（mì）度（dù）並沒有沿中心軸對稱，且平板中（zhōng）心軸處的霜層厚度大，平板迎風側入口處的（de）霜層厚度略高於迎風側其（qí）他區域的霜層厚度。

（3）溫度低的板中（zhōng）心軸處的霜層密度高，且隨（suí）著結霜的進行，平均霜層厚度和霜層密度均有所增加（jiā），霜層厚度的增加速（sù）率逐漸減小，而霜層（céng）密度的增加（jiā）速率逐漸增大。

2.3 圓柱結霜特性（xìng）

針對圓柱結霜特性的研究較少，部分研究表明：

（1）圓柱分離點處（chù）的霜（shuāng）層厚度隨（suí）著冷表麵溫度和風速的降低（dī）而增加，隨著含濕量的增加而增加；

（2）圓柱上的霜層表麵溫度從駐點處到分（fèn）離點處逐漸降低，且駐點處的霜層厚於分離點處的霜層，圓柱平均霜層厚度隨雷諾數的增加而增大；

2.4 平行板結霜（shuāng）特性（xìng）

部分學者針對具（jù）有不同間距的水平平行板、豎（shù）直平行板的結霜（shuāng）特性開展了研究，結論如下（xià）：

水平平行板：

（1）當雷諾數小（xiǎo）於 10000 時，平行板（bǎn）迎風（fēng）側入口處的霜層厚度大，但沿氣流方向逐漸減小；

（2）當雷諾數大於 10000 時，平行板上的霜層厚度則（zé）是均勻分布（bù）的；

（3）當雷諾數大於 15900 時，雷諾數對霜層厚度的影響可以（yǐ）忽略不計；

（4） 當空氣溫度（dù）處於（yú） 5 ~ 12 o C 的範圍內時，空氣溫度對霜層厚度的影響（xiǎng）也可以忽略不計；

（5）平行板霜層密度沿氣流方向減小，隨（suí）雷諾數的增加而增大。

豎直平行（háng）板：

（1）平行板上的霜層生長沿氣流方向並不均勻，且隨著結霜的進行，結霜的不均（jun1）勻程度逐漸增加，霜（shuāng）層厚度和密度在平行板（bǎn）的迎風側入（rù）口處高；

（2）霜層（céng）密度隨著風速（sù）和空氣溫度的增加而增加，霜層厚度隨著風速的（de）增加而增加，但隨著空氣溫度的增加而減小；

2.5 翅片組結霜（shuāng）特性

部（bù）分學者（zhě）對平板型翅片組的結霜特性研究的結果如下：

（1）翅片底部和迎（yíng）風側入（rù）口處的（de）霜層厚度高；

（2）迎風側（cè）翅片表麵的結霜量始終（zhōng）大於背風側翅片（piàn）表麵的結霜量，但前者與後者霜層密度之間的關係取決於結霜時間和（hé）結霜工況；

（3）當翅（chì）片表（biǎo）麵溫度較高，空氣相對濕度較低時，翅片上的霜層更光滑，更密實，更薄；

（4）隨著結霜過程的（de）進行，翅片組的換熱速率、翅片效率和空氣流量（liàng）均顯著降低；

（5）11排平板翅片組，霜層分布沿氣流方向具有（yǒu）顯著差（chà）異，霜層厚度的大值和小值分別出（chū）現在第（dì）二（èr）排翅片和第八排翅片；

（6）5排平板翅片組（zǔ），前一排翅片的結霜量大，一排翅片的結霜（shuāng）量第二大；

（7）百葉窗（chuāng）型翅片組的霜層分布和生長沿空氣流動方向極不均勻。相比於背風側翅片，迎風側翅片表麵的霜層密度更高，霜層更厚。

（8）在相同的結霜工況下，相比於常規的百（bǎi）葉窗（chuāng）型翅片組，不等距非對稱的百葉窗型翅片組和帶有渦旋發生器的百葉窗型翅片組（zǔ）均能顯著提高霜層沿氣流方向（xiàng）的均勻性，換熱性能分別提高了 21%和 28%。

3、管翅（chì）式換熱器結霜特性

對管翅式換熱器結霜特性的相關研究中的特性參數（研究（jiū）方法、翅片（piàn）類型、翅片間距、冷源類型、冷源溫度、風（fēng）速、空氣相對濕度和溫度）如（rú）附錄中（zhōng）附表 4 所示（shì）。

3.1 定風量模式

研究者研（yán）究（jiū）了五種不（bú）同翅片（piàn）類型的管翅式換熱器在不同結霜工況下（xià）的（de）霜層生長特性和其空氣側性能參（cān）數，得到以下結（jié）論：

（1）相同結霜工況下，平直翅片型換熱器結霜少，百葉窗（chuāng）翅片型換熱（rè）器多；

（2）隨著（zhe）空氣相對濕度、溫度、風速和翅片密度（單位長度翅片的（de）個數）的增加，所（suǒ）有（yǒu）管（guǎn）翅式換熱器的結霜（shuāng）量（liàng）均增（zēng）加，且空（kōng）氣相對濕度是影響結霜量因素；

（3）風量增大，管翅式換熱器（qì）結霜速率輕微增大。而且（qiě）風量增大並不直接影響結霜速率，而是通過影響對流傳質係數，霜層表麵溫度和單位時間流過換熱器的空氣（qì）中水蒸氣容量來影（yǐng）響結霜速率；

（4）霜層的生長（zhǎng）使換熱器的阻（zǔ）塞率不斷升高，該值和換熱性能緊密相（xiàng）關，可應用於判定結霜周期（qī）；

（5）霜（shuāng）層厚（hòu）度隨空氣相對濕（shī）度的增加而增加（jiā），隨空氣溫度的升高（gāo）而減小，這一變化趨勢與霜層密度（dù）正（zhèng）好相反；

（6）在相同結霜工況下，複向百葉窗翅片型換熱器的換熱效率、空（kōng）氣側壓降（jiàng）和結霜量均（jun1）高於單（dān）向百葉窗翅片型換熱器和平直翅片型換熱器；

3.2 定風機轉速模式

這是在結霜過程中保持恒定風機轉速的管翅式換熱器結霜特性實驗研究。得出的結論如下（xià）：

（1）除霜後滯留在換熱器上的水滴會使下一結霜周期換熱器的壓降增大、全熱導熱係數降低，但在連續三到四次結-除霜循（xún）環後，換熱器的空氣側性能在之後的結霜（shuāng）周期（qī）展現（xiàn）出較好（hǎo）的重複性；

（2）滯（zhì）留水會縮短結霜周期，加速霜層（céng）生（shēng）長；塗（tú）層不僅對霜層的形貌有較大（dà）影響，而且可以減緩霜層生長，延長結霜周期；翅片表麵溫度和空氣（qì）相對濕度是影響結霜速率的（de）主要因素，滯留水和風速是第二（èr）影響因素；

（3）波（bō）浪翅片型管翅式換熱器的空（kōng）氣側（cè）性能優於百葉窗翅片型管翅式換熱器，風量的降低是管翅式換熱器換熱速率（lǜ）降低的主要原因；

（4）不同蒸發溫度下，霜層（céng）形貌有所區別，且霜層形貌直接影響其空氣側性能（結霜量相同（tóng）的前提條件下，霜層（céng）形貌不同，換熱器空氣側（cè）壓降也不同）；

（5）平直翅（chì）片型（xíng）換熱器，疏水表麵處理的換熱器迎風側和（hé）背風（fēng）側之間結霜的差異小，其次是無表麵（miàn）處理的換熱（rè）器，差異大的（de）是親水表麵處理的換熱器，且疏水表麵結霜周期內的總換（huàn）熱係數大；

（6）無表（biǎo）麵處理的換熱器，製冷劑交叉流比（bǐ）平行流結霜更均勻，且製冷（lěng）劑溫度（dù）越（yuè）低，風速越小，差異越明顯；

3.3 定入（rù）口風風速模式

在結霜過（guò）程中恒定管翅式換（huàn）熱器迎麵入口風速的模擬研究。結論如下：

（1）翅片沿氣流方（fāng）向的霜層（céng）厚（hòu）度是不（bú）均勻的，大霜層厚度隨著（zhe）結霜的進行出現在不同的位置，平均霜層厚度則隨空氣含（hán）濕量和溫度的增加而增加，且風速對平均霜層厚度的影響可（kě）以忽略不計；

（2）翅片間距越小、空氣相對濕度越高、風速越小、製冷劑溫（wēn）度越低導致換熱器上霜層生長（zhǎng）越快，其換熱（rè）效率的降低越快，空氣側壓降越大（dà）；

（3）相比於迎風側銅管，背風側銅管結霜較少，且（qiě）霜（shuāng）層密度大的地方為迎風（fēng）側銅管及與其緊密相連的翅片處（chù）；

（4）平直翅片型換熱器，銅（tóng）管尾流區的空氣流速為 0，基本無霜層生（shēng）長，迎風側銅管附近（jìn）的翅片上的霜層厚且密（mì）度大，迎風側入口翅（chì）片上的霜層較薄且密度較低；

3.4 定風（fēng）機特性曲線模式

管翅式（shì）換熱器結霜特性的模擬研究發現：

（1）翅片（piàn）上的霜層厚度沿空（kōng）氣流動方向不斷減小；

（2）對於（yú）小翅片間距換熱器，離（lí）心（xīn）風機更（gèng）好，而對於大（dà）翅片間距（jù）換熱器，風機類型對其結霜特性並無明顯影響；

（3）空氣露點溫度與管翅式換熱器蒸發溫度的差值越大，結（jié）霜量越大（dà）、霜層密度越（yuè）低、霜層越厚，增大前一排翅片間（jiān）距有助於（yú）提高換熱器換熱性能；

（4）翅片管換熱器在結霜工況（kuàng）下換熱性能的下降主要是由風量的降低所導致的，現有模型中假（jiǎ）設霜層內部無空氣流通（tōng），會導致空氣側壓降的預測值（zhí）偏大，風量預測（cè）值偏小（xiǎo）；

（5）霜（shuāng）層在管翅式換熱器（qì）上的分布是不均勻（yún）的，同一 U 型彎頭上遊處的霜層厚度小於其下遊處；

轉載（zǎi）於【製冷空調換熱器】公（gōng）眾號

翅（chì）片衝床,立式脹管機,脹管機（jī）">氣式脹管機