目前，空氣能熱泵系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用瓶頸主要有兩個：一個是低溫適應(yīng)性較差；另外一個是結(jié)霜問題。本期我們來探討下空氣能熱泵系統(tǒng)管翅式換熱器的結(jié)霜機理和特性問題。

當(dāng)環(huán)境溫度在-15~6℃，相對濕度大于 45%時，空氣源熱泵系統(tǒng)室外盤管表面會發(fā)生較為嚴(yán)重的結(jié)霜問題。

管翅式換熱器結(jié)霜機理和特性研究可大體分為以下三個部分：冷表面結(jié)霜機理、簡單冷表面（管翅式換熱器的簡單構(gòu)件）結(jié)霜特性、管翅式換熱器結(jié)霜特性。

1、冷表面結(jié)霜機理研究

1. 1霜層形成過程及形貌 

目前，研究者將冷表面上霜層的形成過程分為四個階段，即：液滴凝結(jié)期，液滴凝固-頂端生長期，霜層生長期和霜層成熟期。

與霜層形成過程的分析一樣，霜層形貌的分析也有助于結(jié)霜機理的探究。研究表明，霜層是由冰晶體和濕空氣組合而成的混合物。

研究者Kobayashi將霜層中的冰晶體結(jié)構(gòu)歸納為七類，并認為冷表面溫度和濕空氣中水蒸氣對應(yīng)于冷表面溫度的過飽和度是影響冰晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。

冰晶體結(jié)構(gòu)圖如圖 1-1 所示。

研究者許旺發(fā)拍攝了霜層形成過程中冰晶體的結(jié)構(gòu)變化。如圖 1-3a)所示，在液滴凝固-頂端生長期，一共觀察到五種冰晶體結(jié)構(gòu)形狀，即：不規(guī)則狀、板狀、針狀、柱狀和樹突狀。

隨著冷表面溫度的降低，冰晶體結(jié)構(gòu)從不規(guī)則狀逐漸變?yōu)榘鍫?，再變?yōu)獒槧詈椭鶢?，變?yōu)闃渫粻睢?/p>

1.2霜層結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)前一共有六種較為常見的霜層結(jié)構(gòu)模型，如圖 1-4 所示。這些模型有助于揭示霜層的結(jié)構(gòu)特性，并對結(jié)霜的數(shù)值研究有重要的意義。

1. 3 結(jié)霜特性參數(shù)  

霜層形成的過程中，5個結(jié)霜特性參數(shù)受到了學(xué)者的重點關(guān)注，即：對流換熱系數(shù)、對流傳質(zhì)系數(shù)、有效水蒸汽擴散系數(shù)、霜層密度和霜層導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3.1 對流換熱系數(shù)

霜層表面的對流換熱系數(shù)不僅是建立霜層生長預(yù)測模型中的重要參數(shù)，還是分析冷表面換熱性能的重要指標(biāo)。目前，基于實驗結(jié)果推導(dǎo)對應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式及其適用的結(jié)霜工況，如下面附表 1 所示。

1.3.2對流傳質(zhì)系數(shù)

結(jié)霜冷表面的對流傳質(zhì)系數(shù)可用來計算霜層表面與附近空氣交換的水蒸氣質(zhì)量，也就是結(jié)霜量。與對流換熱系數(shù)相似，對流傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式也主要基于實驗結(jié)果推導(dǎo)而得。表 1-3 總結(jié)了常見的適用于結(jié)霜冷表面的對流傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式及其相應(yīng)的結(jié)霜工況。

1.3.3有效水蒸氣擴散系數(shù)

基于菲克擴散定律，可以計算水蒸汽在霜層表面和霜層內(nèi)部的擴散質(zhì)量流量。然而，由于霜層是多孔介質(zhì)，霜層表面和內(nèi)部的水蒸汽擴散系數(shù)和常規(guī)的水-空氣標(biāo)準(zhǔn)擴散系數(shù)不同。經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式如表 1-4 所示。

1.3.4 霜層密度

霜層密度是霜層的重要物性參數(shù)之一。目前，對霜層密度的研究主要采用實驗和數(shù)值模擬的方法。

冷表面在強迫對流條件下所形成霜層的密度經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式及其相應(yīng)的結(jié)霜工況，如表 1-5 所示。

1.3.5 霜層導(dǎo)熱系數(shù)

與霜層密度類似，霜層導(dǎo)熱系數(shù)也是霜層的重要物性參數(shù)之一。需要指出的是，由于霜層是一種多孔介質(zhì)，霜層導(dǎo)熱系數(shù)是一個綜合參數(shù)，不僅包括濕空氣和冰晶體的導(dǎo)熱，還包括熱輻射、熱對流和由水蒸氣擴散引起的潛熱傳遞。冷表面在強迫對流條件下所形成霜層的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式及其相應(yīng)的結(jié)霜工況和限制條件如附錄中附表 2 所示。

2、簡單冷表面結(jié)霜特性研究

由于管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且管翅式換熱器又可看作由多個簡單冷表面組成，因此，為了更好地研究管翅式換熱器的結(jié)霜特性，學(xué)者對簡單冷表面在強迫對流條件下的結(jié)霜特性展開了研究。這部分研究主要集中于以下五種簡單冷表面：定壁溫平板、定肋溫平板、圓柱、平行板和翅片組，分別如圖 1-5a)，b)，c)，d)，e)所示。

相關(guān)研究的特性參數(shù)（冷表面類型、研究方法、冷表面或肋基溫度、冷表面接觸角、風(fēng)速或雷諾數(shù)、含濕量或相對濕度、空氣溫度）見附錄中附表 3。

2.1 定壁溫平板結(jié)霜特性研究

在所有簡單冷表面結(jié)霜特性的研究中，針對定壁面溫度平板的研究最為常見。一部分學(xué)者開展了實驗和模擬研究。結(jié)論主要有：

（1）霜層內(nèi)部沒有明顯的密度梯度，但平板附近的霜層溫度梯度遠遠大于霜層表面附近的溫度梯度。

（2）定壁溫平板迎風(fēng)側(cè)的霜層生長速度要比背風(fēng)側(cè)快得多。

（3）定壁溫平板迎風(fēng)側(cè)的霜層不僅沿垂直平板的方向生長，而且沿氣流方向生長。

（4） 霜層厚度隨風(fēng)速和空氣含濕量的增加而增大，隨空氣溫度和冷表面溫度的升高而減小。

（5）相比于空氣溫度和風(fēng)速，空氣含濕量和冷表面溫度對霜層厚度的影響更顯著，且霜層厚度與結(jié)霜時間呈拋物線關(guān)系。

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

（7）霜的形貌受空氣含濕量和平板溫度的影響較大，受風(fēng)速和冷表面接觸角的影響較小。

（8）在相同結(jié)霜工況下，與具有疏水表面的平板相比，具有親水表面的平板霜層厚度較小，但霜層密度較大。

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

（10）在霜層生長期，水蒸氣在霜層表面的傳遞量主要用于增加霜層厚度，而在霜層成熟期則主要用于增加霜層密度。

2.2 定肋溫平板結(jié)霜特性   

如圖 1-5 b)所示，根據(jù)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，即肋基位于平板的某一條邊上。

②定肋溫平板的肋基位于平板的中心軸。

結(jié)果表明：

（1）平板肋基處和迎風(fēng)側(cè)入口處的霜層厚度大，且沿氣流方向和垂直于肋基的方向不斷減小。

（2）平板的溫度和熱流密度并沒有沿中心軸對稱，且平板中心軸處的霜層厚度大，平板迎風(fēng)側(cè)入口處的霜層厚度略高于迎風(fēng)側(cè)其他區(qū)域的霜層厚度。

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

2.3 圓柱結(jié)霜特性

針對圓柱結(jié)霜特性的研究較少，部分研究表明：

（1）圓柱分離點處的霜層厚度隨著冷表面溫度和風(fēng)速的降低而增加，隨著含濕量的增加而增加；

（2）圓柱上的霜層表面溫度從駐點處到分離點處逐漸降低，且駐點處的霜層厚于分離點處的霜層，圓柱平均霜層厚度隨雷諾數(shù)的增加而增大；

2.4 平行板結(jié)霜特性

部分學(xué)者針對具有不同間距的水平平行板、豎直平行板的結(jié)霜特性開展了研究，結(jié)論如下：

水平平行板：

（1）當(dāng)雷諾數(shù)小于 10000 時，平行板迎風(fēng)側(cè)入口處的霜層厚度大，但沿氣流方向逐漸減??；

（2）當(dāng)雷諾數(shù)大于 10000 時，平行板上的霜層厚度則是均勻分布的；

（3）當(dāng)雷諾數(shù)大于 15900 時，雷諾數(shù)對霜層厚度的影響可以忽略不計；

（4） 當(dāng)空氣溫度處于 5 ~ 12 o C 的范圍內(nèi)時，空氣溫度對霜層厚度的影響也可以忽略不計；

（5）平行板霜層密度沿氣流方向減小，隨雷諾數(shù)的增加而增大。

豎直平行板：

（1）平行板上的霜層生長沿氣流方向并不均勻，且隨著結(jié)霜的進行，結(jié)霜的不均勻程度逐漸增加，霜層厚度和密度在平行板的迎風(fēng)側(cè)入口處高；

（2）霜層密度隨著風(fēng)速和空氣溫度的增加而增加，霜層厚度隨著風(fēng)速的增加而增加，但隨著空氣溫度的增加而減??；

2.5 翅片組結(jié)霜特性

部分學(xué)者對平板型翅片組的結(jié)霜特性研究的結(jié)果如下：

（1）翅片底部和迎風(fēng)側(cè)入口處的霜層厚度高；

（2）迎風(fēng)側(cè)翅片表面的結(jié)霜量始終大于背風(fēng)側(cè)翅片表面的結(jié)霜量，但前者與后者霜層密度之間的關(guān)系取決于結(jié)霜時間和結(jié)霜工況；

（3）當(dāng)翅片表面溫度較高，空氣相對濕度較低時，翅片上的霜層更光滑，更密實，更??；

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

（5）11排平板翅片組，霜層分布沿氣流方向具有顯著差異，霜層厚度的大值和小值分別出現(xiàn)在第二排翅片和第八排翅片；

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

（7）百葉窗型翅片組的霜層分布和生長沿空氣流動方向極不均勻。相比于背風(fēng)側(cè)翅片，迎風(fēng)側(cè)翅片表面的霜層密度更高，霜層更厚。

（8）在相同的結(jié)霜工況下，相比于常規(guī)的百葉窗型翅片組，不等距非對稱的百葉窗型翅片組和帶有渦旋發(fā)生器的百葉窗型翅片組均能顯著提高霜層沿氣流方向的均勻性，換熱性能分別提高了 21%和 28%。

3、管翅式換熱器結(jié)霜特性

對管翅式換熱器結(jié)霜特性的相關(guān)研究中的特性參數(shù)（研究方法、翅片類型、翅片間距、冷源類型、冷源溫度、風(fēng)速、空氣相對濕度和溫度）如附錄中附表 4 所示。

3.1 定風(fēng)量模式

研究者研究了五種不同翅片類型的管翅式換熱器在不同結(jié)霜工況下的霜層生長特性和其空氣側(cè)性能參數(shù)，得到以下結(jié)論：

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

（2）隨著空氣相對濕度、溫度、風(fēng)速和翅片密度（單位長度翅片的個數(shù)）的增加，所有管翅式換熱器的結(jié)霜量均增加，且空氣相對濕度是影響結(jié)霜量因素；

（3）風(fēng)量增大，管翅式換熱器結(jié)霜速率輕微增大。而且風(fēng)量增大并不直接影響結(jié)霜速率，而是通過影響對流傳質(zhì)系數(shù)，霜層表面溫度和單位時間流過換熱器的空氣中水蒸氣容量來影響結(jié)霜速率；

（4）霜層的生長使換熱器的阻塞率不斷升高，該值和換熱性能緊密相關(guān)，可應(yīng)用于判定結(jié)霜周期；

（5）霜層厚度隨空氣相對濕度的增加而增加，隨空氣溫度的升高而減小，這一變化趨勢與霜層密度正好相反；

（6）在相同結(jié)霜工況下，復(fù)向百葉窗翅片型換熱器的換熱效率、空氣側(cè)壓降和結(jié)霜量均高于單向百葉窗翅片型換熱器和平直翅片型換熱器；

3.2 定風(fēng)機轉(zhuǎn)速模式

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

（1）除霜后滯留在換熱器上的水滴會使下一結(jié)霜周期換熱器的壓降增大、全熱導(dǎo)熱系數(shù)降低，但在連續(xù)三到四次結(jié)-除霜循環(huán)后，換熱器的空氣側(cè)性能在之后的結(jié)霜周期展現(xiàn)出較好的重復(fù)性；

（2）滯留水會縮短結(jié)霜周期，加速霜層生長；涂層不僅對霜層的形貌有較大影響，而且可以減緩霜層生長，延長結(jié)霜周期；翅片表面溫度和空氣相對濕度是影響結(jié)霜速率的主要因素，滯留水和風(fēng)速是第二影響因素；

（3）波浪翅片型管翅式換熱器的空氣側(cè)性能優(yōu)于百葉窗翅片型管翅式換熱器，風(fēng)量的降低是管翅式換熱器換熱速率降低的主要原因；

（4）不同蒸發(fā)溫度下，霜層形貌有所區(qū)別，且霜層形貌直接影響其空氣側(cè)性能（結(jié)霜量相同的前提條件下，霜層形貌不同，換熱器空氣側(cè)壓降也不同）；

（5）平直翅片型換熱器，疏水表面處理的換熱器迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)之間結(jié)霜的差異小，其次是無表面處理的換熱器，差異大的是親水表面處理的換熱器，且疏水表面結(jié)霜周期內(nèi)的總換熱系數(shù)大；

（6）無表面處理的換熱器，制冷劑交叉流比平行流結(jié)霜更均勻，且制冷劑溫度越低，風(fēng)速越小，差異越明顯；

3.3 定入口風(fēng)風(fēng)速模式

在結(jié)霜過程中恒定管翅式換熱器迎面入口風(fēng)速的模擬研究。結(jié)論如下：

（1）翅片沿氣流方向的霜層厚度是不均勻的，大霜層厚度隨著結(jié)霜的進行出現(xiàn)在不同的位置，平均霜層厚度則隨空氣含濕量和溫度的增加而增加，且風(fēng)速對平均霜層厚度的影響可以忽略不計；

（2）翅片間距越小、空氣相對濕度越高、風(fēng)速越小、制冷劑溫度越低導(dǎo)致?lián)Q熱器上霜層生長越快，其換熱效率的降低越快，空氣側(cè)壓降越大；

（3）相比于迎風(fēng)側(cè)銅管，背風(fēng)側(cè)銅管結(jié)霜較少，且霜層密度大的地方為迎風(fēng)側(cè)銅管及與其緊密相連的翅片處；

（4）平直翅片型換熱器，銅管尾流區(qū)的空氣流速為 0，基本無霜層生長，迎風(fēng)側(cè)銅管附近的翅片上的霜層厚且密度大，迎風(fēng)側(cè)入口翅片上的霜層較薄且密度較低；

3.4 定風(fēng)機特性曲線模式

管翅式換熱器結(jié)霜特性的模擬研究發(fā)現(xiàn)：

（1）翅片上的霜層厚度沿空氣流動方向不斷減小；

（2）對于小翅片間距換熱器，離心風(fēng)機更好，而對于大翅片間距換熱器，風(fēng)機類型對其結(jié)霜特性并無明顯影響；

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

（4）翅片管換熱器在結(jié)霜工況下?lián)Q熱性能的下降主要是由風(fēng)量的降低所導(dǎo)致的，現(xiàn)有模型中假設(shè)霜層內(nèi)部無空氣流通，會導(dǎo)致空氣側(cè)壓降的預(yù)測值偏大，風(fēng)量預(yù)測值偏?。?/p>

（5）霜層在管翅式換熱器上的分布是不均勻的，同一 U 型彎頭上游處的霜層厚度小于其下游處；

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