技术探讨：管翅式换热器结霜机理和特性

目前，空气能热泵系统技术应用瓶颈主要有两个：一个是低温适应性较差；另外一个是结霜问题。本期我们来探讨下空气能热泵系统管翅式换热器的结霜机理和特性问题。

当环境温度在-15~6℃，相对湿度大于 45%时，空气源热泵系统室外盘管表面会发生较为严重的结霜问题。

管翅式换热器结霜机理和特性研究可大体分为以下三个部分：冷表面结霜机理、简单冷表面（管翅式换热器的简单构件）结霜特性、管翅式换热器结霜特性。

1、冷表面结霜机理研究

1. 1霜层形成过程及形貌

目前，研究者将冷表面上霜层的形成过程分为四个阶段，即：液滴凝结期，液滴凝固-顶端生长期，霜层生长期和霜层成熟期。

与霜层形成过程的分析一样，霜层形貌的分析也有助于结霜机理的探究。研究表明，霜层是由冰晶体和湿空气组合而成的混合物。

研究者Kobayashi将霜层中的冰晶体结构归纳为七类，并认为冷表面温度和湿空气中水蒸气对应于冷表面温度的过饱和度是影响冰晶体结构的主要因素。

冰晶体结构图如图 1-1 所示。

研究者许旺发拍摄了霜层形成过程中冰晶体的结构变化。如图 1-3a)所示，在液滴凝固-顶端生长期，一共观察到五种冰晶体结构形状，即：不规则状、板状、针状、柱状和树突状。

随着冷表面温度的降低，冰晶体结构从不规则状逐渐变为板状，再变为针状和柱状，变为树突状。

1.2霜层结构模型

当前一共有六种较为常见的霜层结构模型，如图 1-4 所示。这些模型有助于揭示霜层的结构特性，并对结霜的数值研究有重要的意义。

1. 3 结霜特性参数

霜层形成的过程中，5个结霜特性参数受到了学者的重点关注，即：对流换热系数、对流传质系数、有效水蒸汽扩散系数、霜层密度和霜层导热系数。

1.3.1 对流换热系数

霜层表面的对流换热系数不仅是建立霜层生长预测模型中的重要参数，还是分析冷表面换热性能的重要指标。目前，基于实验结果推导对应的经验关联式及其适用的结霜工况，如下面附表 1 所示。

1.3.2对流传质系数

结霜冷表面的对流传质系数可用来计算霜层表面与附近空气交换的水蒸气质量，也就是结霜量。与对流换热系数相似，对流传质系数的关联式也主要基于实验结果推导而得。表 1-3 总结了常见的适用于结霜冷表面的对流传质系数经验关联式及其相应的结霜工况。

1.3.3有效水蒸气扩散系数

基于菲克扩散定律，可以计算水蒸汽在霜层表面和霜层内部的扩散质量流量。然而，由于霜层是多孔介质，霜层表面和内部的水蒸汽扩散系数和常规的水-空气标准扩散系数不同。经验关联式如表 1-4 所示。

1.3.4 霜层密度

霜层密度是霜层的重要物性参数之一。目前，对霜层密度的研究主要采用实验和数值模拟的方法。

冷表面在强迫对流条件下所形成霜层的密度经验关联式及其相应的结霜工况，如表 1-5 所示。

1.3.5 霜层导热系数

与霜层密度类似，霜层导热系数也是霜层的重要物性参数之一。需要指出的是，由于霜层是一种多孔介质，霜层导热系数是一个综合参数，不仅包括湿空气和冰晶体的导热，还包括热辐射、热对流和由水蒸气扩散引起的潜热传递。冷表面在强迫对流条件下所形成霜层的导热系数关联式及其相应的结霜工况和限制条件如附录中附表 2 所示。

2、简单冷表面结霜特性研究

由于管翅式换热器的结构较为复杂，且管翅式换热器又可看作由多个简单冷表面组成，因此，为了更好地研究管翅式换热器的结霜特性，学者对简单冷表面在强迫对流条件下的结霜特性展开了研究。这部分研究主要集中于以下五种简单冷表面：定壁温平板、定肋温平板、圆柱、平行板和翅片组，分别如图 1-5a)，b)，c)，d)，e)所示。

相关研究的特性参数（冷表面类型、研究方法、冷表面或肋基温度、冷表面接触角、风速或雷诺数、含湿量或相对湿度、空气温度）见附录中附表 3。

2.1 定壁温平板结霜特性研究

在所有简单冷表面结霜特性的研究中，针对定壁面温度平板的研究Z为常见。一部分学者开展了实验和模拟研究。结论主要有：

（1）霜层内部没有明显的密度梯度，但平板附近的霜层温度梯度远远大于霜层表面附近的温度梯度。

（2）定壁温平板迎风侧的霜层生长速度要比背风侧快得多。

（3）定壁温平板迎风侧的霜层不仅沿垂直平板的方向生长，而且沿气流方向生长。

（4） 霜层厚度随风速和空气含湿量的增加而增大，随空气温度和冷表面温度的升高而减小。

（5）相比于空气温度和风速，空气含湿量和冷表面温度对霜层厚度的影响更显著，且霜层厚度与结霜时间呈抛物线关系。

（6）霜层密度沿垂直平板方向的分布在类结霜工况下为线性，而在第二类结霜工况下为抛物线。

（7）霜的形貌受空气含湿量和平板温度的影响较大，受风速和冷表面接触角的影响较小。

（8）在相同结霜工况下，与具有疏水表面的平板相比，具有亲水表面的平板霜层厚度较小，但霜层密度较大。

（9）在某种特定结霜工况下，平板温度对结霜速率的影响和风速对霜层厚度的影响都可以忽略不计，但风速的增大会导致霜层密度的增加。

（10）在霜层生长期，水蒸气在霜层表面的传递量主要用于增加霜层厚度，而在霜层成熟期则主要用于增加霜层密度。

2.2 定肋温平板结霜特性

如图 1-5 b)所示，根据肋基所在平板的位置，可以将定肋温平板分为两种。

①是定边缘温度的平板，即肋基位于平板的某一条边上。

②定肋温平板的肋基位于平板的中心轴。

结果表明：

（1）平板肋基处和迎风侧入口处的霜层厚度大，且沿气流方向和垂直于肋基的方向不断减小。

（2）平板的温度和热流密度并没有沿中心轴对称，且平板中心轴处的霜层厚度大，平板迎风侧入口处的霜层厚度略高于迎风侧其他区域的霜层厚度。

（3）温度低的板中心轴处的霜层密度高，且随着结霜的进行，平均霜层厚度和霜层密度均有所增加，霜层厚度的增加速率逐渐减小，而霜层密度的增加速率逐渐增大。

2.3 圆柱结霜特性

针对圆柱结霜特性的研究较少，部分研究表明：

（1）圆柱分离点处的霜层厚度随着冷表面温度和风速的降低而增加，随着含湿量的增加而增加；

（2）圆柱上的霜层表面温度从驻点处到分离点处逐渐降低，且驻点处的霜层厚于分离点处的霜层，圆柱平均霜层厚度随雷诺数的增加而增大；

2.4 平行板结霜特性

部分学者针对具有不同间距的水平平行板、竖直平行板的结霜特性开展了研究，结论如下：

水平平行板：

（1）当雷诺数小于 10000 时，平行板迎风侧入口处的霜层厚度大，但沿气流方向逐渐减小；

（2）当雷诺数大于 10000 时，平行板上的霜层厚度则是均匀分布的；

（3）当雷诺数大于 15900 时，雷诺数对霜层厚度的影响可以忽略不计；

（4） 当空气温度处于 5 ~ 12 o C 的范围内时，空气温度对霜层厚度的影响也可以忽略不计；

（5）平行板霜层密度沿气流方向减小，随雷诺数的增加而增大。

竖直平行板：

（1）平行板上的霜层生长沿气流方向并不均匀，且随着结霜的进行，结霜的不均匀程度逐渐增加，霜层厚度和密度在平行板的迎风侧入口处高；

（2）霜层密度随着风速和空气温度的增加而增加，霜层厚度随着风速的增加而增加，但随着空气温度的增加而减小；

2.5 翅片组结霜特性

部分学者对平板型翅片组的结霜特性研究的结果如下：

（1）翅片底部和迎风侧入口处的霜层厚度高；

（2）迎风侧翅片表面的结霜量始终大于背风侧翅片表面的结霜量，但前者与后者霜层密度之间的关系取决于结霜时间和结霜工况；

（3）当翅片表面温度较高，空气相对湿度较低时，翅片上的霜层更光滑，更密实，更薄；

（4）随着结霜过程的进行，翅片组的换热速率、翅片效率和空气流量均显著降低；

（5）11排平板翅片组，霜层分布沿气流方向具有显著差异，霜层厚度的大值和小值分别出现在第二排翅片和第八排翅片；

（6）5排平板翅片组，前一排翅片的结霜量大，一排翅片的结霜量第二大；

（7）百叶窗型翅片组的霜层分布和生长沿空气流动方向极不均匀。相比于背风侧翅片，迎风侧翅片表面的霜层密度更高，霜层更厚。

（8）在相同的结霜工况下，相比于常规的百叶窗型翅片组，不等距非对称的百叶窗型翅片组和带有涡旋发生器的百叶窗型翅片组均能显著提高霜层沿气流方向的均匀性，换热性能分别提高了 21%和 28%。

3、管翅式换热器结霜特性

对管翅式换热器结霜特性的相关研究中的特性参数（研究方法、翅片类型、翅片间距、冷源类型、冷源温度、风速、空气相对湿度和温度）如附录中附表 4 所示。

3.1 定风量模式

研究者研究了五种不同翅片类型的管翅式换热器在不同结霜工况下的霜层生长特性和其空气侧性能参数，得到以下结论：

（1）相同结霜工况下，平直翅片型换热器结霜少，百叶窗翅片型换热器多；

（2）随着空气相对湿度、温度、风速和翅片密度（单位长度翅片的个数）的增加，所有管翅式换热器的结霜量均增加，且空气相对湿度是影响结霜量因素；

（3）风量增大，管翅式换热器结霜速率轻微增大。而且风量增大并不直接影响结霜速率，而是通过影响对流传质系数，霜层表面温度和单位时间流过换热器的空气中水蒸气容量来影响结霜速率；

（4）霜层的生长使换热器的阻塞率不断升高，该值和换热性能紧密相关，可应用于判定结霜周期；

（5）霜层厚度随空气相对湿度的增加而增加，随空气温度的升高而减小，这一变化趋势与霜层密度正好相反；

（6）在相同结霜工况下，复向百叶窗翅片型换热器的换热效率、空气侧压降和结霜量均高于单向百叶窗翅片型换热器和平直翅片型换热器；

3.2 定风机转速模式

这是在结霜过程中保持恒定风机转速的管翅式换热器结霜特性实验研究。得出的结论如下：

（1）除霜后滞留在换热器上的水滴会使下一结霜周期换热器的压降增大、全热导热系数降低，但在连续三到四次结-除霜循环后，换热器的空气侧性能在之后的结霜周期展现出较好的重复性；

（2）滞留水会缩短结霜周期，加速霜层生长；涂层不仅对霜层的形貌有较大影响，而且可以减缓霜层生长，延长结霜周期；翅片表面温度和空气相对湿度是影响结霜速率的主要因素，滞留水和风速是第二影响因素；

（3）波浪翅片型管翅式换热器的空气侧性能优于百叶窗翅片型管翅式换热器，风量的降低是管翅式换热器换热速率降低的主要原因；

（4）不同蒸发温度下，霜层形貌有所区别，且霜层形貌直接影响其空气侧性能（结霜量相同的前提条件下，霜层形貌不同，换热器空气侧压降也不同）；

（5）平直翅片型换热器，疏水表面处理的换热器迎风侧和背风侧之间结霜的差异小，其次是无表面处理的换热器，差异大的是亲水表面处理的换热器，且疏水表面结霜周期内的总换热系数大；

（6）无表面处理的换热器，制冷剂交叉流比平行流结霜更均匀，且制冷剂温度越低，风速越小，差异越明显；

3.3 定入口风风速模式

在结霜过程中恒定管翅式换热器迎面入口风速的模拟研究。结论如下：

（1）翅片沿气流方向的霜层厚度是不均匀的，大霜层厚度随着结霜的进行出现在不同的位置，平均霜层厚度则随空气含湿量和温度的增加而增加，且风速对平均霜层厚度的影响可以忽略不计；

（2）翅片间距越小、空气相对湿度越高、风速越小、制冷剂温度越低导致换热器上霜层生长越快，其换热效率的降低越快，空气侧压降越大；

（3）相比于迎风侧铜管，背风侧铜管结霜较少，且霜层密度大的地方为迎风侧铜管及与其紧密相连的翅片处；

（4）平直翅片型换热器，铜管尾流区的空气流速为 0，基本无霜层生长，迎风侧铜管附近的翅片上的霜层厚且密度大，迎风侧入口翅片上的霜层较薄且密度较低；

3.4 定风机特性曲线模式

管翅式换热器结霜特性的模拟研究发现：

（1）翅片上的霜层厚度沿空气流动方向不断减小；

（2）对于小翅片间距换热器，离心风机更好，而对于大翅片间距换热器，风机类型对其结霜特性并无明显影响；

（3）空气露点温度与管翅式换热器蒸发温度的差值越大，结霜量越大、霜层密度越低、霜层越厚，增大前一排翅片间距有助于提高换热器换热性能；

（4）翅片管换热器在结霜工况下换热性能的下降主要是由风量的降低所导致的，现有模型中假设霜层内部无空气流通，会导致空气侧压降的预测值偏大，风量预测值偏小；

（5）霜层在管翅式换热器上的分布是不均匀的，同一 U 型弯头上游处的霜层厚度小于其下游处；

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