(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044)

冷藏室和冰箱作為食品的存儲(chǔ)地，室內(nèi)或箱體內(nèi)空氣溫度較低，蒸發(fā)器換熱面(通常為翅片)容易結(jié)霜。運(yùn)行一段時(shí)間后，翅片表面結(jié)滿霜層，換熱效果變差，能效比迅速降低。因此，研究結(jié)霜工況下制冷換熱器的換熱效果對(duì)該類換熱器高效節(jié)能及其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在冷風(fēng)機(jī)和冰箱上[1?3]。呂金虎等[4]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析翅片管的片距對(duì)空氣冷卻器傳熱系數(shù)和制冷量的影響；羅超等[5]對(duì)間冷式冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為隨著時(shí)間的變化，空氣側(cè)壓降呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，結(jié)霜量呈直線關(guān)系增長(zhǎng)；Ding等[6]利用新的數(shù)學(xué)模型開發(fā)提高間冷式冰箱蒸發(fā)器仿真精確性的計(jì)算方法。Yan[7]在確定各種因素對(duì)換熱器性能的影響的同時(shí)，獲得傳熱量、總換熱系數(shù)和換熱器阻力隨時(shí)間的變化。Lee等[8]運(yùn)用最優(yōu)化程序，把翅片間距作為設(shè)計(jì)常數(shù)，平均換熱效率、結(jié)霜量和運(yùn)行時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù)，采用反應(yīng)表來優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出平均換熱系數(shù)和運(yùn)行時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維模擬技術(shù)被大量應(yīng)用于翅片換熱器強(qiáng)化傳熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[9?14]。目前，積霜工況下工作的翅片管式制冷換熱器的翅片結(jié)構(gòu)主要是以平翅片為主要片型，且換熱器機(jī)構(gòu)多為非變間距換熱器，這在冷庫里的冷風(fēng)機(jī)上較常見。但當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時(shí)間時(shí)，翅片表面積滿霜層，前排翅片管被霜層嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，需頻繁除霜，耗電量大。因此，在變翅片間距制冷換熱器中，采用高效翅片來增強(qiáng)換熱，有重要的節(jié)能意義。該方面的研究尚未見到報(bào)道。王厚華等[15]提出大直徑圓孔高效翅片片型，利用冰箱制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究大直徑圓孔翅片管的傳熱與制冷性能，研究結(jié)果證明：在迎面風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，圓孔翅片的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比平翅片提高18.84%，制冷系數(shù)提高6.83%，相同制冷量下可節(jié)電6.39%。方趙嵩[16]利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在迎面平均風(fēng)速1.87～5.00 m/s的范圍內(nèi),大直徑圓孔翅片管式制冷換熱器的翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大 48.8%～69.4%，平均增幅達(dá)57.7%；壓縮機(jī)能效比提高3.0%～25.0%，平均提高12.0%。因此，在制冷工況下，研究變間距圓孔翅片管式制冷換熱器的節(jié)能性能，對(duì)制冷換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能等方面具有重要意義。在文獻(xiàn)[15?16]研究的基礎(chǔ)上，本文作者利用風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)結(jié)霜工況下空氣外掠三排變間距圓孔翅片管式換熱器的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置由風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和測(cè)量裝置3部分組成，圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。風(fēng)系統(tǒng)由混合箱、實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞、風(fēng)機(jī)和循環(huán)管道組成?？諝庥苫旌舷鋬?nèi)的雙扭線吸風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)蜂窩器、均流器后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段截面面積為300 mm×300 mm，蒸發(fā)器試件安裝于實(shí)驗(yàn)段中?？諝庠趯?shí)驗(yàn)段被冷卻后經(jīng)均流器進(jìn)入測(cè)速段，然后被風(fēng)機(jī)吸入，經(jīng)風(fēng)閥后送入循環(huán)管道、混合箱，完成循環(huán)。循環(huán)管道內(nèi)安裝有主加熱器、精加熱器和加濕器，以控制濕空氣的入口參數(shù)。制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、水冷式冷凝器、熱力膨脹閥和翅片管式蒸發(fā)器(實(shí)驗(yàn)試件)組成。風(fēng)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)外表面均采用雙層橡塑嚴(yán)格保溫，熱損失可忽略不計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig. 1 Scheme of experiment

試件前后空氣干球溫度由實(shí)驗(yàn)段前后測(cè)溫?zé)犭娕季W(wǎng)上均布的各9對(duì)熱電偶測(cè)定，濕球溫度由圖1所示濕球溫度測(cè)量裝置測(cè)定，試件基管外表面溫度由每根基管外表面間周向等距嵌置的3對(duì)熱電偶測(cè)定。試件阻力由試件前后的靜壓環(huán)配合傾斜式微壓計(jì)測(cè)定，風(fēng)速由畢托管配合傾斜式微壓計(jì)測(cè)定。畢托管置于測(cè)速段，測(cè)速段截面積僅為實(shí)驗(yàn)段的1/3，因此，流速較高，測(cè)量準(zhǔn)確。冷凝器進(jìn)、出口水溫由標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)量，流量采用稱量法測(cè)量，壓縮機(jī)耗電量采用功率表測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)過程中，同時(shí)采用大氣壓力表測(cè)量大氣壓力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)嚴(yán)格標(biāo)定，風(fēng)道截面溫度的不均勻性在?0.1～0.1 K之內(nèi)，風(fēng)、水系統(tǒng)的熱平衡相對(duì)誤差在?5%～5%之內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣件

三排管圓孔翅片管式蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)試件如圖 2(a)所示，結(jié)構(gòu)為銅管套鋁片。試件蒸發(fā)器采用對(duì)稱圓孔翅片管制成，變間距換熱器由3排翅片管組成：第1排換熱器的翅片間距為16 mm，第2排換熱器的翅片間距為13 mm，第3排換熱器的翅片間距為10 mm。非變間距換熱器同樣由3排翅片管組成，每排管翅片數(shù)都是28片，翅片間距均為10 mm。所有翅片基本尺寸如下：基管外徑D0=25 mm，翅片厚度δ=0.5 mm，管間距Y=76 mm，翅片寬度W=61 mm，高度H=296 mm，圓孔直徑D=14mm。圓孔的開設(shè)位置如圖2所示，基管前后各對(duì)稱開設(shè)2個(gè)圓孔，孔管距e=26 mm，孔管中心距l(xiāng)=21.5 mm。

圖2 試驗(yàn)樣件Fig. 2 Sample of experiment

實(shí)驗(yàn)試件由專業(yè)廠家精加工制成，翅片與基管采用脹管工藝連接，接觸緊密，實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理時(shí)不考慮接觸熱阻。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

制冷劑采用R22，其充入量嚴(yán)格按照稱量法控制，試件中制冷劑的充入量完全相等。根據(jù)冷庫室內(nèi)空氣被冷卻的特點(diǎn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)步驟，具體如下：?jiǎn)?dòng)風(fēng)機(jī)、加熱器與加濕器，直到混合室內(nèi)空氣的溫濕度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)關(guān)閉加熱器與加濕器，此時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)，讓封閉系統(tǒng)里面的風(fēng)不斷被循環(huán)冷卻。在壓縮機(jī)運(yùn)行0.5 h后開始測(cè)量，每隔20 min測(cè)量1次，測(cè)量數(shù)據(jù)即時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，采用Excel電子表格存儲(chǔ)并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。風(fēng)速由風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制，由本實(shí)驗(yàn)裝置中安裝的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。對(duì)于控制的實(shí)驗(yàn)段迎面平均風(fēng)速，選取低風(fēng)速和高風(fēng)速中2個(gè)有代表性的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，它們分別為1.87和4.3 m/s。對(duì)每一試件在每種風(fēng)速下進(jìn)行1次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間嚴(yán)格控制為5.5 h。

2.1 制冷量

制冷量采用焓差法計(jì)算。由實(shí)驗(yàn)試件前后測(cè)量得到空氣進(jìn)口和出口的干、濕球溫度，大氣壓力已知，從相關(guān)焓?濕圖中查得濕空氣對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)的焓。制冷量采用下式計(jì)算：

其中：Φ0為制冷量，W；qm為濕空氣的質(zhì)量流量，kg/s；ρ為濕空氣的平均密度，kg/m3；um為實(shí)驗(yàn)段迎面平均風(fēng)速，m/s；Ae為實(shí)驗(yàn)段截面積，m2；ha1和ha2為試件前后濕空氣的質(zhì)量焓，J/kg。ha，um和Ae中下標(biāo)“a，m和e”分別表示“空氣、平均值和實(shí)驗(yàn)段”。

2.2 蒸發(fā)器平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

采用平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來說明和綜合比較 2種換熱器換熱效果的優(yōu)劣性。平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用傳熱學(xué)基本公式：

其中：h0為翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A0為對(duì)流換熱面積，包括翅片表面積和基管換熱面積，m2；ΔT為基管外表面與空氣間的平均對(duì)流換熱溫差，K。ΔT由下式計(jì)算：

其中：Ts為基管外表面平均溫度，K；Ta1和Ta2為試件濕空氣進(jìn)、出口溫度，K；角標(biāo)“s和a”分別表示基管外表面和空氣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較

3.1 平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

表1所示為2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的對(duì)比結(jié)果。從表1可知：當(dāng)翅片迎面風(fēng)速?gòu)?.87 m/s變?yōu)?.30 m/s時(shí)，換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均發(fā)生變化，非變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有所增加，而變間接換熱器有所下降。主要原因是：在高風(fēng)速下，由于風(fēng)速增大，且非變間距換熱器翅片數(shù)明顯比變間距換熱器的多，導(dǎo)致高分速下其換熱量增大，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有所增多，但仍比非變間距換熱器的小；在這2種風(fēng)速下變間距翅片管式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均比非變間距換熱器分別提高18.3%和10%，平均提高了14.15%，且平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高較大的風(fēng)速是1.87 m/s?？梢姡猴L(fēng)速不太高時(shí)，變間距技術(shù)對(duì)強(qiáng)化傳熱是有利的。

表1 2種制冷換熱器平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)比Table 1 Comparison of average surface heat transfer coefficients between two refrigeration heat exchangers

圖3和圖4所示是um為1.87和4.30 m/s時(shí)，實(shí)測(cè)換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間的變化圖。當(dāng)時(shí)間τ＜130 min時(shí)，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；當(dāng)τ＞130 min后，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而減??；同時(shí)從3和圖4可見：這2種風(fēng)速下變間距換熱器的換熱效果明顯比非變間距換熱器換熱效果好得多。原因是：變間距試驗(yàn)樣件由3排翅片管組成，空氣在經(jīng)過第1排管時(shí)開始被降溫，大部分水蒸汽析出并凝固成霜，后2排翅片管的結(jié)霜量相對(duì)較少，且第1和第2排管翅片間距較大，霜層不易堵塞，氣流對(duì)翅片管的沖刷較好，圓孔對(duì)氣流的擾動(dòng)劇烈，因此，具有很好的對(duì)流換熱效果。對(duì)于非變間距換熱器，每排翅片管的翅片間距相等，翅片間距較小，第1排空氣流道霜層形成后減小過流斷面積，且容易堵塞圓孔，使得流阻和熱阻增大，換熱效果下降。

圖3 um=1.87 m/s時(shí)，2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間的變化Fig. 3 Changes of measured surface heat transfer coefficients of two heat exchangers with time at um=1.87 m/s

圖4 um=4.30 m/s時(shí)，2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間的變化Fig. 4 Changes of measured surface heat transfer coefficients of two heat exchangers with time at um=4.30m/s

3.2 換熱器阻力

圖5所示為2種不同風(fēng)速下蒸發(fā)器阻力隨時(shí)間的變化圖。從圖5可見：不同風(fēng)速下曲線的變化趨勢(shì)基本一致，非變間距換熱器的阻力明顯要大于變間距換熱器的阻力，且 Δp隨著速度的增大而增大，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。這是由于變間距換熱器的翅片間距較大，阻力較小，同時(shí)，當(dāng)?shù)?排翅片結(jié)霜時(shí)，非變間距換熱器霜層對(duì)空氣阻力的影響更加明顯。

3.3 制冷量比較

圖5 2種換熱器阻力Δp隨時(shí)間的變化曲線Fig. 5 Resistance of two heat exchangers (Δp) changing with time under two different wind speeds

圖6 2種換熱器制冷量φ比較Fig. 6 Comparison of cooling capacities (φ) of two heat exchangers

圖6所示是2種換熱器在不同風(fēng)速下的實(shí)測(cè)制冷量比較結(jié)果。從圖6可見：變間距翅片管式換熱器在小風(fēng)速下的制冷量(系列 2)明顯比非變間距翅片管式換熱器(系列1)大。計(jì)算表明：當(dāng)um=1.87 m/s時(shí)，變間距翅片管式換熱器制冷量比非變間距翅片管式換熱器的制冷量高7.6%；但隨著風(fēng)速的增大，制冷量均有所下降。其原因主要是開始隨著風(fēng)速的增大，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，翅片表面容易布滿霜層，導(dǎo)致?lián)Q熱量減少；當(dāng)風(fēng)速um=4.3 m/s時(shí)，兩者的制冷量基本相同。因此，在低風(fēng)速下使用變間距翅片管式換熱器，不但能夠滿足制冷量的要求，同時(shí)還可以減小換熱器的換熱面積，節(jié)省金屬材料。

3.4 換熱器耗材量及低風(fēng)速下的節(jié)能性能比較

非變間距換熱器由3排翅片管組成，每排管套片28片，總計(jì)套片84片。變間距換熱器同樣由3排翅片管組成，各排翅片的套片數(shù)分別是17，21和28片，總計(jì)66片。兩者相比，后者節(jié)省21.4%的翅片金屬材料。以風(fēng)速um=1.87 m/s為例，比較變間距換熱器與非變間距換熱器的換熱與流阻性能，變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高 18.26%，阻力減小 48.85%，節(jié)省21.43%的翅片金屬材料，如表2所示。

表2 um=1.87 m/s時(shí)，2種換熱器的換熱與阻力性能比較Table 2 Comparison of heat transfer performance and resistance performance between two heat exchangers with the air speed of 1.87 m/s

4 結(jié)論

(1) 在較低風(fēng)速下(um＜4.3 m/s)采用圓孔翅片代替平翅片和變間距技術(shù)能產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果，當(dāng)um=1.87 m/s時(shí)，換熱量提高7.6%，變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高 18.26%，阻力減小 48.85%，節(jié)省21.43%的翅片金屬材料。但在低風(fēng)速下，換熱效果明顯，其原因有待深入研究。

(2) 當(dāng)時(shí)間τ＜130 min時(shí)，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；當(dāng)τ＞130 min后，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，表明在結(jié)霜初期，在翅片表面霜層增大換熱面積和表面粗糙度，增強(qiáng)氣流擾動(dòng)，起到強(qiáng)化傳熱的效果，但隨著霜層的增厚，換熱效果惡化，換熱量下降。

(3) 變間距對(duì)稱圓孔翅片管式換器，在低風(fēng)速下，阻力明顯比非變間距圓孔翅片管式換熱器的小，這可有效降低系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的壓頭，減少系統(tǒng)的耗電功率，從而提高系統(tǒng)的能效比。

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