空氣能熱泵換熱器結霜特性

在室外相對溼度較大的工況下，空氣源熱泵換熱器表面極易發生結霜現象，使得換熱器熱阻增加，除霜損失及系統耗能增加，引起系統cop下降。

本期，我們將透過控制環境室引數，對換熱器表面結霜過程作分析，綜合分析了換熱器型別、翅片間距、相對溼度、環境溫度對換熱器的換熱量、霜層厚度的影響，為實際改善換熱器翅片結構、選取最優翅片間距提供理論依據，延緩熱泵機組換熱器表面結霜。

（本圖僅供參考，不對應文中具體產品）

1、實驗裝置

實驗系統如圖１所示。環境室內空氣的溫、溼度由冷卻器、加熱器及加溼器調節，並由焓差室ＰＩＤ控制系統保持在設定值。翅片管換熱器安裝在環境室風道吸入口處，採用高倍顯微鏡配合ＣＣＤ高速攝像機拍攝換熱器翅片表面結霜過程，並透過西格軟體對霜層厚度進行測量。

用熱電偶對換熱器進出口管壁溫度、霜層表面溫度進行測量，用壓力變送器測量噴嘴前後壓差，計算透過換熱器的空氣流量。被試換熱器包括平片結構、開窗片結構以及波紋片結構，翅片間距分別為1。6ｍｍ、1。9ｍｍ、2。2ｍｍ。將1：1配比的乙二醇－水溶液注入ＡＹＨＷ－３０製冷恆溫水槽，作為換熱介質向被試換熱器提供冷源。

2、結果分析

學界研究結果：環境溫度為０ ℃ 左右時換熱器表面霜層生長速度最快，因此，我們選定為環境室內乾球溫度為０ ℃ ，相對溼度為７０％，換熱器迎面風速為1。7ｍ/ｓ，載冷劑入口溫度為－15℃ 。

從圖２中可以看出，隨著結霜時間的推移，不同翅片型別的換熱器表面霜層厚度不斷增加，且在相同結霜時間點，波紋片換熱器表面的霜層厚度最大，平片換熱器表面的霜層厚度最小。

總體來看，

開窗片與波紋片換熱器霜層厚度幾乎與時間呈線性增加趨勢，平片換熱器霜層呈現“三段式”生長：

結霜初期10ｍｉｎ內霜層快速生長，霜層厚度增加較快；

實驗進行10ｍｉｎ後，觀察到霜層厚度增長速度放緩，曲線斜率減小

３０ｍｉｎ以後，霜層厚度又迅速增長，波紋片換熱器表面霜層厚度率先達到最大值。

2．１翅片型別的影響

由圖３可以看出，隨著霜層的生長，空氣側壓降不斷上升，特別是在結霜後期，空氣側壓降迅速升高，導致流經換熱器的空氣流量下降，這也是結霜後期霜層快速增長的原因之一。

同時，從圖中可以看出，

由於開窗片換熱器結構複雜，在三種型式的翅片中其空氣側壓降最大，而波紋片換熱器空氣側壓降居中。

在實驗中測量一個結霜週期最後時刻的空氣側壓降，可知當霜晶鋪滿翅片間隙時，波紋片換熱器的空氣側流動阻力比平片換熱器高約１８％，比開窗片換熱器低約８％。

由圖３可以看出，

隨著霜層的生長，空氣側壓降不斷上升，特別是在結霜後期，空氣側壓降迅速升高，導致流經換熱器的空氣流量下降，這也是結霜後期霜層快速增長的原因之一。

同時，從圖中可以看出，由於開窗片換熱器結構複雜，在三種型式的翅片中其空氣側壓降最大，而波紋片換熱器空氣側壓降居中。在實驗中測量一個結霜週期最後時刻的空氣側壓降，可知當霜晶鋪滿翅片間隙時，波紋片換熱器的空氣側流動阻力比平片換熱器高約１８％，比開窗片換熱器低約８％。

結霜週期內，波紋片換熱器的平均換熱量分別比開窗片換熱器和平片換熱器的平均換熱量高0。5％及3％。因此，從提高換熱效率的角度考慮，實際應用中應優先選擇波紋片換熱器。

2．２翅片間距的影響

對翅片間距分別為1。6ｍｍ、1。9ｍｍ、2。2 ｍｍ的開窗片換熱器表面結霜特性進行實驗，探究翅片間距對被試換熱器表面霜層厚度以及換熱量的影響。試驗工況為環境室內乾球溫度為０℃ ，相對溼度為７０％，換熱器迎面風速為 1。7ｍ/ｓ，載冷劑入口溫度為 -15℃ 。從圖５中可以看出，

在結霜初期，霜層厚度的增長速度較快，隨著結霜時間的推移，霜層厚度開始呈緩慢增長的態勢。

在實驗中可以觀察到，結霜初期，翅片表面結霜變化以縱向鋪滿翅片間隙為主；實驗進行到35ｍｉｎ後，表面結霜以橫向密實化生長為主，縱向增長不明顯。這也驗證了前期研究中霜層先增加厚度，再增大密度的結論。

從圖６中可以看出，

隨著結霜時間的增加，換熱量先增大後減小，而不同翅片間距換熱器在其結霜週期中的平均換熱量則呈現翅片間距越小平均換熱量越大的趨勢。這是由於三種換熱器外尺寸是一樣的，翅片間距越小，翅片數越多，換熱面積越大。

但僅從一個結霜週期中的平均換熱量來比較換熱效能是不全面的，例如，1。6ｍｍ翅片間距的被試換熱器在一個結霜週期內的平均換熱量是最大的，但它的結霜週期很短，在空氣源熱泵的實際應用中，結霜週期短意味著換熱器表面需要頻繁除霜，造成更大的除霜損失，同時，換熱器的翅片間距越小，空氣側壓降越明顯（如圖7所示），透過換熱器的空氣流量減小，使得傳熱惡化，引起空氣源熱泵系統的cop下降。