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

當環境溫度在-15~6℃，相對濕度大于 45%時，空氣源熱泵系統室外盤管表面會發生較為嚴重的結霜問題。

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

1、冷表面結霜機理研究

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構歸納為七類，并認為冷表面溫度和濕空氣中水蒸氣對應于冷表面溫度的過飽和度是影響冰晶體結構的主要因素。

冰晶體結構圖如圖 1-1 所示。

研究者許旺發拍攝了霜層形成過程中冰晶體的結構變化。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構形狀，即：不規則狀、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

當前一共有六種較為常見的霜層結構模型，如圖 1-4 所示。這些模型有助于揭示霜層的結構特性，并對結霜的數值研究有重要的意義。

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的重點關注，即：對流換熱系數、對流傳質系數、有效水蒸汽擴散系數、霜層密度和霜層導熱系數。

1.3.1 對流換熱系數

霜層表面的對流換熱系數不僅是建立霜層生長預測模型中的重要參數，還是分析冷表面換熱性能的重要指標。目前，基于實驗結果推導對應的經驗關聯式及其適用的結霜工況，如下面附表 1 所示。

1.3.2對流傳質系數

結霜冷表面的對流傳質系數可用來計算霜層表面與附近空氣交換的水蒸氣質量，也就是結霜量。與對流換熱系數相似，對流傳質系數的關聯式也主要基于實驗結果推導而得。表 1-3 總結了常見的適用于結霜冷表面的對流傳質系數經驗關聯式及其相應的結霜工況。

1.3.3有效水蒸氣擴散系數

基于菲克擴散定律，可以計算水蒸汽在霜層表面和霜層內部的擴散質量流量。然而，由于霜層是多孔介質，霜層表面和內部的水蒸汽擴散系數和常規的水-空氣標準擴散系數不同。經驗關聯式如表 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之一。目前，對霜層密度的研究主要采用實驗和數值模擬的方法。

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

1.3.5 霜層導熱系數

與霜層密度類似，霜層導熱系數也是霜層的重要物性參數之一。需要指出的是，由于霜層是一種多孔介質，霜層導熱系數是一個綜合參數，不僅包括濕空氣和冰晶體的導熱，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熱系數關聯式及其相應的結霜工況和限制條件如附錄中附表 2 所示。

2、簡單冷表面結霜特性研究

由于管翅式換熱器的結構較為復雜，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霜特性，學者對簡單冷表面在強迫對流條件下的結霜特性展開了研究。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。

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

2.1 定壁溫平板結霜特性研究

在所有簡單冷表面結霜特性的研究中，針對定壁面溫度平板的研究Z為常見。一部分學者開展了實驗和模擬研究。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）定壁溫平板迎風側的霜層生長速度要比背風側快得多。

（3）定壁溫平板迎風側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，且霜層厚度與結霜時間呈拋物線關系。

（6）霜層密度沿垂直平板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，受風速和冷表面接觸角的影響較小。

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

（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。

結果表明：

（1）平板肋基處和迎風側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，平板迎風側入口處的霜層厚度略高于迎風側其他區域的霜層厚度。

（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 圓柱結霜特性

針對圓柱結霜特性的研究較少，部分研究表明：

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

2.4 平行板結霜特性

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

水平平行板：

（1）當雷諾數小于 10000 時，平行板迎風側入口處的霜層厚度大，但沿氣流方向逐漸減??；

（2）當雷諾數大于 10000 時，平行板上的霜層厚度則是均勻分布的；

（3）當雷諾數大于 15900 時，雷諾數對霜層厚度的影響可以忽略不計；

（4） 當空氣溫度處于 5 ~ 12 o C 的范圍內時，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，且隨著結霜的進行，結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側入口處高；

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

2.5 翅片組結霜特性

部分學者對平板型翅片組的結霜特性研究的結果如下：

（1）翅片底部和迎風側入口處的霜層厚度高；

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

（3）當翅片表面溫度較高，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，前一排翅片的結霜量大，一排翅片的結霜量第二大；

（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。相比于背風側翅片，迎風側翅片表面的霜層密度更高，霜層更厚。

（8）在相同的結霜工況下，相比于常規的百葉窗型翅片組，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（研究方法、翅片類型、翅片間距、冷源類型、冷源溫度、風速、空氣相對濕度和溫度）如附錄中附表 4 所示。

3.1 定風量模式

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霜工況下的霜層生長特性和其空氣側性能參數，得到以下結論：

（1）相同結霜工況下，平直翅片型換熱器結霜少，百葉窗翅片型換熱器多；

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

（3）風量增大，管翅式換熱器結霜速率輕微增大。而且風量增大并不直接影響結霜速率，而是通過影響對流傳質系數，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，可應用于判定結霜周期；

（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）在相同結霜工況下，復向百葉窗翅片型換熱器的換熱效率、空氣側壓降和結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：

（1）除霜后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、全熱導熱系數降低，但在連續三到四次結-除霜循環后，換熱器的空氣側性能在之后的結霜周期展現出較好的重復性；

（2）滯留水會縮短結霜周期，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，延長結霜周期；翅片表面溫度和空氣相對濕度是影響結霜速率的主要因素，滯留水和風速是第二影響因素；

（3）波浪翅片型管翅式換熱器的空氣側性能優于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降低的主要原因；

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

（5）平直翅片型換熱器，疏水表面處理的換熱器迎風側和背風側之間結霜的差異小，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，且疏水表面結霜周期內的總換熱系數大；

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

3.3 定入口風風速模式

在結霜過程中恒定管翅式換熱器迎面入口風速的模擬研究。結論如下：

（1）翅片沿氣流方向的霜層厚度是不均勻的，大霜層厚度隨著結霜的進行出現在不同的位置，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、風速越小、制冷劑溫度越低導致換熱器上霜層生長越快，其換熱效率的降低越快，空氣側壓降越大；

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

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

3.4 定風機特性曲線模式

管翅式換熱器結霜特性的模擬研究發現：

（1）翅片上的霜層厚度沿空氣流動方向不斷減??；

（2）對于小翅片間距換熱器，離心風機更好，而對于大翅片間距換熱器，風機類型對其結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溫度的差值越大，結霜量越大、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）翅片管換熱器在結霜工況下換熱性能的下降主要是由風量的降低所導致的，現有模型中假設霜層內部無空氣流通，會導致空氣側壓降的預測值偏大，風量預測值偏??；

（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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