翅片管換熱器是空調(diào)系統(tǒng)中常用的換熱器類型，減小其空氣側(cè)流動(dòng)阻力能夠有效降低空調(diào)器功耗并提升整體能效。目前，換熱器流動(dòng)阻力增大的一個(gè)重要原因是長(zhǎng)期積塵導(dǎo)致?lián)Q熱器翅片表面嚴(yán)重堵塞。因此，本文我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探討翅片管換熱器在析濕工況下的積灰特性及對(duì)換熱器空氣側(cè)壓降的影響。

1、實(shí)驗(yàn)原理與測(cè)試樣件

1.1實(shí)驗(yàn)原理及裝置

為了研究析濕工況下翅片管換熱器表面的積灰特性及其對(duì)空氣側(cè)壓降的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了換熱器積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由 3 個(gè)系統(tǒng)和連接風(fēng)道組成:

1) 濕空氣系統(tǒng)，用于提供特定濕度、風(fēng)速、溫度的濕空氣;

2) 粉塵系統(tǒng)，用于提供特定質(zhì)量流量的粉塵;

3) 可視化測(cè)試段，用于定時(shí)觀測(cè)并拍攝翅片表面積灰形貌，實(shí)時(shí)測(cè)量翅片積灰后的壓降。連接風(fēng)道用于將濕空氣系統(tǒng)提供的濕蒸汽與粉塵系統(tǒng)提供的粉塵混合形成含塵氣流并送入可視化測(cè)試段。

此外，為稱量粉塵質(zhì)量，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的稱重系統(tǒng)。記錄不同時(shí)間段的粉塵沉積量數(shù)據(jù)。直到樣件積灰量達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)束?？梢暬瘻y(cè)試段用于實(shí)時(shí)觀測(cè)樣件表面粉塵沉積形貌并測(cè)量積灰過(guò)程中的壓降。

1.2測(cè)試樣件及實(shí)驗(yàn)工況

本文選取的測(cè)試樣件覆蓋了常見空調(diào)換熱器的翅片類型及翅片間距。翅片類型為空調(diào)室內(nèi)機(jī)常用 的波紋翅片和開窗翅片，為了更深入地對(duì)比翅片類型的影響，選取平直翅片作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。翅片間距范圍選為空調(diào)器中常用的1. 5～2. 2 mm。

3 種翅片類型的測(cè)試樣件相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)為: 寬 × 高 × 長(zhǎng)( x × y × z) = 20 mm × 84 mm × 25. 4 mm; 管徑dt = 7 mm; 管間距( Pt × Pl ) 21 mm × 12. 7 mm; 管排數(shù)為2。各類型的翅片間距如表1所示。

實(shí)驗(yàn)工況包括測(cè)試段進(jìn)口溫度 25 ℃、進(jìn)口相對(duì)濕度 80% ，進(jìn)口風(fēng)速 1. 5 m / s。由于實(shí)際大氣中粉塵濃度低，實(shí)驗(yàn)中需要高粉塵濃度才能加速粉塵沉積進(jìn)程，因此本文的噴粉濃度選為 10. 8 g /m3 。粉塵成分按照 GB 13270—91 規(guī)定，由包含 72% 的白陶土和 28% 的炭黑組成，平均粒徑為 15 μm。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 翅片表面液滴分布 

下圖所示為 3 種不同翅片類型換熱器樣件表面析濕液滴分布實(shí)物圖。

由( a) 可知，平直翅片表面光滑平整，濕空氣流經(jīng)時(shí)形成均勻流場(chǎng)，液滴分布均勻; 波紋翅片表面 的波紋凹凸結(jié)構(gòu)使得流場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致液滴呈團(tuán)聚分散狀; 開窗翅片表面的開縫有擾流作用，液滴多凝 聚在開縫處且體積較大。

由( b) 可知，液滴在翅片間會(huì)生長(zhǎng)凝聚成液橋。平直翅片表面平滑，液滴受到重力作用易滑落，翅片間液橋較少。波紋翅片表面的波紋凹凸增大了液滴的附著面積，使液橋較多。開窗翅片表面開縫前后對(duì)稱，液橋受到的對(duì)稱表面張力使得液橋數(shù)目多、體積大，多分布在開縫處。

2. 2 翅片表面濕粉塵沉積分布 

下圖所示為3種不同翅片類型的換熱器樣件表面濕粉塵沉積分布實(shí)物圖。

析濕工況下積灰情況受翅片結(jié)構(gòu)的影響，粉塵覆蓋程度由高到低依次為開窗翅片、波紋 翅片、平直翅片。平直翅片與含塵氣流的接觸面積小、翅片間液橋少，降低了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。波紋翅片的波紋狀表面增大了液滴的接觸面積，從而形成更多液橋，增大了粉塵顆粒碰撞沉積的概率。開窗翅片對(duì)稱的開縫結(jié)構(gòu)使翅片間形成大量的大體積液橋，嚴(yán)重阻礙了含塵氣流的通過(guò)，極大地增加了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。

2. 3 翅片類型對(duì)粉塵沉積量及壓降的影響  

在相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，翅片表面的粉塵沉積量和單位面 積粉塵沉積量由大到小依次為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了 29. 6% 和 62. 8% ，單位面積粉塵沉積量分別增加了 35. 8% 和 58. 9% 。

開窗翅片表面開縫處更易形成大體積液滴與液橋，極大增加了粉塵顆粒碰撞沉積的概率，導(dǎo)致翅片幾乎被完全堵塞。而平直翅片在析濕工況下形成較少的液滴與液橋，粉塵碰撞沉積的概率明顯小于開窗翅片。

相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片的空氣側(cè)壓降分別增大了 19. 4% 和 54. 7% 。這是因?yàn)榉e 灰后壓降與翅片堵塞情況呈正相關(guān)，粉塵堵塞情況越 嚴(yán)重，則流經(jīng)翅片的含塵氣流受到的空氣阻力越大，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降越大。

2.4 翅片間距對(duì)粉塵沉積量及壓降的影響

相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，翅片表面的粉塵沉積量和單位面積粉塵沉積量均隨片距的減小而增大。與 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比，1. 5 mm 片距樣件表面粉塵沉積量分別增加了 17. 4% 和 40. 7% ，單位面積粉塵沉積量增加了 6. 2% 和 17. 2% 。這是因?yàn)閾Q熱器尺寸一定時(shí)，總換熱面積隨翅片間距的減小而增大，又由于小片距在翅片間更易形成液橋，從而增大粉塵顆粒碰撞 沉積的概率。

相同積灰環(huán)境下粉塵沉積達(dá)到 穩(wěn)定時(shí)，翅片空氣側(cè)壓降隨翅片間距的減小而增大。與 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比，1. 5 mm 片距樣件的 空氣側(cè)壓降分別增加了 16. 0% 和 32. 1% 。這是因?yàn)槌崞諝鈧?cè)壓降與翅片迎風(fēng)面的堵塞情況呈正相關(guān)，翅片間距越小的翅片其粉塵堵塞情況越嚴(yán)重，導(dǎo)致空 氣側(cè)壓降越大。

2.5 粉塵沉積量對(duì)壓降的影響

不同種翅片類型下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后達(dá)到臨界點(diǎn)( 圖中虛 線所示) ，開窗翅片的臨界點(diǎn)高。在積灰的初始階段，粉塵與翅片及液橋發(fā)生碰撞而不斷沉積，導(dǎo)致空 氣的流動(dòng)阻力不斷增加，空氣側(cè)壓降增大。當(dāng)粉塵沉 積穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)空氣流道的堵塞情況基本穩(wěn)定，空氣側(cè)壓降變化達(dá)到穩(wěn)定。又因開窗翅片間液橋多，導(dǎo) 致粉塵堵塞嚴(yán)重，空氣側(cè)壓降大，臨界點(diǎn)達(dá)到高。

不同種翅片間距下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后達(dá)到臨界點(diǎn)，翅片間距越小的翅片臨界點(diǎn)越高。這是因?yàn)樵谙嗤姆e灰環(huán)境下，翅片間距越小的翅片其換熱面積越大，翅片 間液橋越多，使得粉塵更易碰撞沉積且不易脫落，導(dǎo) 致粉塵完全堵塞翅片，空氣側(cè)壓降增大明顯，臨界點(diǎn)達(dá)到高。

3、過(guò)濾網(wǎng)和冷凝水對(duì)積塵的影響

3.1 過(guò)濾網(wǎng)對(duì)積塵的影響 

過(guò)濾網(wǎng)的設(shè)置會(huì)對(duì)積塵成分和積塵分布形態(tài)產(chǎn)生影響。沒有過(guò)濾網(wǎng)時(shí)，含塵氣流將直接吹向換熱器 表面，使得空氣中的顆粒物容易沉積在換熱器迎風(fēng)面。此外，大氣中的纖維也容易粘附在換熱器表面，由于纖維對(duì)顆粒物具有捕集效應(yīng)，從而有可能加劇換熱器表面的積塵程度。而有過(guò)濾網(wǎng)時(shí)，過(guò)濾網(wǎng)的孔徑大小會(huì)對(duì)積塵成分和積塵形態(tài)產(chǎn)生影響。

當(dāng)過(guò)濾網(wǎng)的孔徑足夠小時(shí)，一方面，含塵氣流在吹向換熱器表面之前，氣流中的部分顆粒物會(huì)預(yù)先沉積在過(guò)濾網(wǎng)上，減少顆粒物在換熱器表面的沉積量; 另一方面，過(guò) 濾網(wǎng)會(huì)阻隔纖維進(jìn)入換熱器，進(jìn)一步降低了換熱器表 面的積塵風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)不設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)時(shí)析濕工況下的積塵特性進(jìn)行研究，針對(duì)過(guò)濾網(wǎng)對(duì)積塵影響的研 究將在后續(xù)工作中展開。

3.2 冷凝水對(duì)積塵的影響  

冷凝水對(duì)積塵具有加速沉積和清潔兩種作用，由凝水量的大小決定。

凝水量小時(shí)，由于水對(duì)顆粒物具有粘附作用，且顆粒物間的液體飽和度不高，積塵形態(tài)主要為黏糊狀的粉塵污垢層，會(huì)起到加速積塵的效果。

凝水量大時(shí)，水對(duì)顆粒物的粘附作用會(huì)達(dá)到飽和，顆粒物間的液體飽和度較高，積塵形態(tài)主要為液滴狀的粉塵污垢，液滴的聚集滑落會(huì)起到清潔的效果。

因此，當(dāng)積灰量較小且凝水量足夠大時(shí)，冷凝水對(duì)積灰會(huì)起到?jīng)_刷清潔的作用。本文研究發(fā)現(xiàn)， 平直翅片在析濕時(shí)積灰速度慢且積塵量小，表明 冷凝水對(duì)表面平整的平直翅片的清潔效果比對(duì)波紋翅片和開窗翅片更加明顯。

4、結(jié)論

1) 當(dāng)換熱器處于析濕工況下運(yùn)行時(shí)，翅片表面的析濕量決定其積灰程度，析濕液滴分布越密集、液橋數(shù)量越多，翅片迎風(fēng)面的堵塞程度越嚴(yán)重且空氣側(cè)壓降越大。

2) 開窗翅片表面積灰多，積灰后壓降增加明顯。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了29. 6%和 62. 8% ，空氣側(cè)壓降分別增大了 19. 4% 和 54. 7% 。因此降低翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度能夠減少翅片表面析濕，從而減輕積塵程度并降低空氣流動(dòng)阻力。

3) 小片距的換熱器表面更易沉積粉塵，積灰后壓降更大。翅片間距為 1. 5 mm 的翅片比 1. 8 mm 和 2. 2 mm 的翅片表面粉塵沉積量分別增加了 17. 4% 和 40. 7% ，積灰后壓降分別增加了 16. 0% 和 32. 1% 。 因此適當(dāng)增大翅片間距能夠降低粉塵沉積量并降低空氣側(cè)壓降。

4) 在積灰過(guò)程中，隨著換熱器表面粉塵沉積量的增加，空氣側(cè)壓降先增大后趨于穩(wěn)定。

翅片沖床是中央空調(diào)的重要部件。

翅片成型機(jī),翅片沖床,高速翅片沖床

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