詹飛龍 胡尊濤 丁國(guó)良 張 浩

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 順德 528311)

翅片管式換熱器利用空氣對(duì)流與外部環(huán)境交換熱量，在制冷領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-3]。在換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，大氣環(huán)境中的含塵氣流會(huì)通過(guò)換熱器表面，空氣所夾雜的灰塵顆粒物與換熱器表面發(fā)生碰撞，部分粉塵顆粒物附著在換熱器表面[4]。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，換熱器表面的灰塵顆粒物將不斷積聚并形成粉塵沉積層，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率降低、能耗增加[5]。有研究表明，使用5年以上的家用空調(diào)器，能效最多可下降54%[6]。因此，為了保證換熱器的換熱效率，需要定期對(duì)換熱器進(jìn)行清潔。

現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)空調(diào)換熱器的清潔方法主要包括人工清理和自清潔兩種方式[7-8]。人工清理方法受到空調(diào)器安裝位置的限制，除塵麻煩且不及時(shí)。自清潔方法包括凝露除塵和結(jié)冰脹脫除塵。凝露除塵的原理是利用金屬冷表面析濕產(chǎn)生的凝水來(lái)沖刷灰塵[9]；但冷凝水與灰塵混合后會(huì)形成黏度大的濕灰塵，濕灰塵與金屬聯(lián)結(jié)更加緊密，導(dǎo)致濕灰塵更難以從換熱器表面脫落[10]。結(jié)冰脹脫除塵的原理是讓水氣透過(guò)灰塵直接在金屬冷表面結(jié)冰膨脹，濕灰塵從金屬表面脹脫，再利用化冰過(guò)程沖刷干凈。因此，利用灰塵透濕后結(jié)冰膨脹脫離是一種除灰徹底的清潔方法。

保證結(jié)冰脹脫除塵方法有效的關(guān)鍵是要有足夠的水氣透過(guò)多孔性灰塵在金屬表面冷凝結(jié)冰，因此需要掌握多孔性灰塵內(nèi)的水氣透濕機(jī)制。現(xiàn)有的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論和模型，大多是將所研究的多孔介質(zhì)對(duì)象看作是一種在大尺度上均勻分布的連續(xù)介質(zhì)，并采用平均物性和空隙的平均幾何分布來(lái)研究多孔介質(zhì)內(nèi)的熱濕傳遞過(guò)程[11-12]。然而實(shí)際積灰層內(nèi)部的顆粒物呈現(xiàn)雜亂隨機(jī)的排布，水氣在積灰層內(nèi)滲透時(shí)首先在表層粉塵上析濕，并沿著水氣滲透路徑不斷在內(nèi)部粉塵上析濕，冷凝水與粉塵團(tuán)聚后會(huì)形成泥漿狀并阻隔水氣進(jìn)一步滲透，導(dǎo)致積灰層內(nèi)的水氣滲透路徑發(fā)生變化。這使得現(xiàn)有的采用固定滲透路徑假說(shuō)的多孔介質(zhì)模型[13-15]無(wú)法用于描述水氣在滲透路徑可變的多孔性灰塵內(nèi)的透濕過(guò)程。

為了掌握多孔性灰塵內(nèi)的水氣透濕機(jī)制以實(shí)現(xiàn)最佳的結(jié)冰脹脫除塵效果，必須開展針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究水氣透濕特性。多孔性灰塵內(nèi)的水氣透濕過(guò)程是外部濕空氣沿著灰塵內(nèi)疏松多孔的滲透路徑到達(dá)金屬冷表面并冷凝成水的過(guò)程，而水氣透濕量與濕空氣相對(duì)濕度、灰塵厚度和金屬冷表面溫度有關(guān)，需要針對(duì)這些參數(shù)對(duì)多孔性灰塵內(nèi)水氣透濕量的影響規(guī)律進(jìn)行定量研究。

本文在空調(diào)器常見(jiàn)的工況下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)多孔性灰塵在透濕過(guò)程中的表面形態(tài)變化，研究不同入口濕空氣相對(duì)濕度、灰塵厚度和金屬冷表面溫度對(duì)灰塵內(nèi)水氣透濕量的影響。

1 多孔性灰塵水氣透濕的實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

為了研究翅片表面多孔性灰塵的水氣透濕特性，本文設(shè)計(jì)并搭建了金屬翅片冷表面多孔性灰塵水氣透濕過(guò)程的可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由3部分組成，包括：1)濕空氣發(fā)生系統(tǒng)，用于提供特定相對(duì)濕度、風(fēng)速、溫度的濕空氣；2)可視化測(cè)試段，用于觀測(cè)并拍攝水氣透濕過(guò)程中多孔性灰塵表面形態(tài)變化；3)稱重系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量多孔性灰塵內(nèi)的水氣冷凝量。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)原理為：將帶有積灰層的金屬翅片置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試段，濕空氣發(fā)生系統(tǒng)將濕空氣輸送至可視化測(cè)試段，利用半導(dǎo)體制冷組件實(shí)現(xiàn)測(cè)試樣件表面的析濕；在灰塵樣件的析濕過(guò)程中，利用攝像機(jī)對(duì)灰塵樣件表面的形態(tài)進(jìn)行拍攝，并利用稱重系統(tǒng)每間隔一段時(shí)間對(duì)水氣冷凝量進(jìn)行稱量。

1濕空氣加熱裝置；2水氣混合箱；3功率調(diào)節(jié)器；4溫度傳感器；5濕度傳感器；6可視化窗；7積灰層；8金屬翅片；9半導(dǎo)體制冷裝置；10分析天平；11升降裝置。圖1 灰塵透濕實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試段Fig.1 Experimental rig and test section of water vapor permeation in porous dust layer

1.2 灰塵樣件及實(shí)驗(yàn)工況

研究的灰塵樣件厚度按照實(shí)際使用約5～10年的換熱器表面的積灰層厚度范圍來(lái)確定，取3～8 mm。灰塵樣件的制備需要包括兩個(gè)步驟：首先將含塵氣流吹向金屬翅片表面形成積灰層，然后利用刮板將積灰層處理成表面形狀平整的積灰層，如圖2所示。其中，金屬翅片的規(guī)格設(shè)置為100 mm×100 mm×2 mm；灰塵樣件的成分按照GB 13270—91的規(guī)定[16]，包含72%的白陶土和28%的炭黑，其平均粒徑為15 μm。

圖2 具有不同初始厚度的灰塵樣件Fig.2 Dust layer test sample with different thickness

研究的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)包括入口濕空氣的相對(duì)濕度和金屬冷表面的溫度。入口濕空氣相對(duì)濕度按照一年中室外大氣相對(duì)濕度的變化范圍來(lái)確定，取15%～90%；金屬冷表面溫度按照室內(nèi)空調(diào)蒸發(fā)器在正常運(yùn)行時(shí)的表面溫度變化范圍來(lái)確定，取5～7 ℃。入口濕空氣的其他工況參數(shù)固定為入口溫度25 ℃、風(fēng)速1.5 m/s。

2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

為了研究金屬冷表面多孔性灰塵水氣透濕過(guò)程，需要得到灰塵樣件內(nèi)水氣冷凝量與不同工況之間的關(guān)系。

灰塵樣件內(nèi)水氣冷凝量可由式(1)求得：

m=m2-m1

(1)

式中：m為灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝量，g；m1和m2分別為透濕前、后灰塵樣件的質(zhì)量，g，由分析天平測(cè)得。

(2)

式中：S為灰塵樣件的表面積，m2。

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)分析的參數(shù)包括測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)，測(cè)量參數(shù)包括空氣體積流量、灰塵樣件質(zhì)量、空氣溫度和相對(duì)濕度，其誤差由所用儀器的精度得到；計(jì)算參數(shù)為水氣冷凝量，其誤差由Moffat[17]方法得到。測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的誤差分析如表1所示。

表1 測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的誤差分析Tab.1 Uncertainties of measurement parameters and calculation parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水氣透濕過(guò)程中灰塵樣件的形態(tài)變化

圖3所示為不同時(shí)刻灰塵樣件的上表面在水氣透濕過(guò)程中放大10倍后的的形貌變化過(guò)程。圖3(a)所示為未透濕、透濕5 min和透濕10 min時(shí)灰塵樣件上表面的局部空隙輪廓變化情況，圖3(b)所示為這些時(shí)刻點(diǎn)中灰塵樣件表面局部輪廓的移動(dòng)變形示意圖。

圖3 不同時(shí)刻多孔介質(zhì)灰塵表面透濕形變過(guò)程Fig.3 Water vapor permeation and morphology variation process on the surface of porous dust layer at different time

由圖3可知，干燥灰塵樣件表面為疏松多孔的結(jié)構(gòu)，顆粒物團(tuán)聚體之間存在間隙，在灰塵樣件表面形成若干局域空隙輪廓，這些局部空隙為濕空氣滲透到灰塵樣件內(nèi)部提供了進(jìn)口通道。當(dāng)干燥灰塵樣件表面溫度降低時(shí)，滯留在表面灰塵空隙內(nèi)的濕空氣會(huì)首先冷凝并潤(rùn)濕灰塵團(tuán)聚體，灰塵顆粒物之間的力鏈作用將發(fā)生變化從而導(dǎo)致灰塵團(tuán)聚體發(fā)生形變，使這些局部間隙的輪廓發(fā)生收縮。隨著水氣透濕過(guò)程的進(jìn)行，灰塵樣件表面的顆粒物團(tuán)聚體將被完全浸潤(rùn)，此時(shí)灰塵樣件表層對(duì)冷凝水的吸收能力達(dá)到最大值，顆粒物團(tuán)聚體的形變過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定，并將進(jìn)一步阻止?jié)窨諝庀蚧覊m樣件內(nèi)部滲透。

圖4所示為不同時(shí)刻灰塵樣件在厚度方向上經(jīng)水氣透濕后的形貌變化過(guò)程。其中，圖4(a)所示為在未透濕、透濕5 min和透濕10 min時(shí)灰塵樣件在厚度方向上的形貌變化，圖4(b)所示為該過(guò)程的示意圖。由圖4可知，濕空氣從灰塵樣件表面向內(nèi)部滲透的過(guò)程中，水氣會(huì)優(yōu)先在分布疏松的灰塵間隙中滲透并潤(rùn)濕灰塵，被潤(rùn)濕的灰塵形成浸濕區(qū)；而對(duì)于分布密實(shí)的灰塵團(tuán)聚體，水氣則難以直接滲透進(jìn)去，只能由浸濕區(qū)中的水分在毛細(xì)力作用下擴(kuò)散進(jìn)來(lái)。

圖4 多孔性灰塵內(nèi)部不同區(qū)域的水氣透濕路徑變化Fig.4 Water vapor permeation channel variation in different regions of porous dust layer

3.2 金屬冷板溫度對(duì)水氣冷凝量的影響

圖5所示為入口濕空氣溫度為25 ℃、風(fēng)速為1.5 m/s、相對(duì)濕度為75%、灰塵樣件厚度為3 mm時(shí)，不同金屬冷板溫度對(duì)多孔性灰塵內(nèi)水氣冷凝量的影響。

圖5 金屬冷板溫度對(duì)水氣冷凝量的影響Fig.5 Effect of cooling source temperature on water vapor permeability

由圖5可知，金屬冷板溫度越低，灰塵樣件內(nèi)水氣冷凝量的增長(zhǎng)速度越快，但當(dāng)水氣透濕過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定時(shí)灰塵樣件內(nèi)的最大水氣冷凝量基本保持一致。當(dāng)金屬冷板溫度從7 ℃降至5 ℃時(shí)，灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝速率平均提高約20%。

在相同的濕空氣相對(duì)濕度和灰塵樣件厚度下，金屬冷板溫度越低，冷量從金屬冷板向灰塵樣件表面?zhèn)鬟f的速率越快，使得在實(shí)驗(yàn)前期水氣在灰塵內(nèi)的滲透冷凝速率較快；隨著水氣滲透過(guò)程的進(jìn)行，冷凝水裹挾內(nèi)部灰塵形成泥漿并堵塞滲透通道，水氣冷凝速率開始下降；當(dāng)灰塵樣件完全被冷凝水浸濕時(shí)，灰塵樣件對(duì)水氣的滲透吸收能力達(dá)到最大值，冷凝水含量基本穩(wěn)定。

3.3 積灰層厚度對(duì)水氣冷凝量的影響

圖6所示為入口濕空氣溫度為25 ℃、風(fēng)速為1.5 m/s、相對(duì)濕度為75%、金屬冷板溫度為5 ℃時(shí)，不同積灰層厚度對(duì)多孔性灰塵內(nèi)水氣冷凝量的影響。

圖6 灰塵樣件厚度對(duì)水氣冷凝量的影響Fig.6 Effect of dust layer thickness on water vapor permeability

由圖6可知，水氣透濕過(guò)程開始時(shí)，積灰層厚度越小，灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝速率越大；隨著水氣透濕過(guò)程的不斷進(jìn)行，厚度大的灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝量更大。當(dāng)灰塵樣件的初始厚度由3 mm增至8 mm時(shí)，灰塵樣件內(nèi)的最大水氣冷凝量提高約15%。

厚度越小的灰塵樣件的表面降溫速度越快，濕空氣更容易在灰塵表面冷凝，使小厚度灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝速率比大厚度灰塵樣件更大。隨著水氣透濕過(guò)程的進(jìn)行，多孔性灰塵內(nèi)的空隙逐漸被潤(rùn)濕后的顆粒物團(tuán)聚體堵塞，且由于受重力作用越靠近金屬冷板的灰塵團(tuán)聚體的孔隙率越小，使灰塵內(nèi)部的水氣冷凝速率逐漸降低。

3.4 相對(duì)濕度對(duì)水氣冷凝量的影響

圖7所示為入口濕空氣溫度為25 ℃、風(fēng)速為1.5 m/s、灰塵樣件厚度為3 mm、金屬冷板溫度為5 ℃時(shí)，不同入口濕空氣相對(duì)濕度對(duì)多孔性灰塵內(nèi)水氣冷凝量的影響。

由圖7可知，當(dāng)入口濕空氣相對(duì)濕度較低時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增加，灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝量增加速率越大；當(dāng)入口濕空氣相對(duì)濕度較大時(shí)，隨著相對(duì)濕度的增加，灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝量增加速率降低；同時(shí)，當(dāng)相對(duì)濕度低于30%時(shí)，多孔性灰塵內(nèi)部不發(fā)生水氣冷凝現(xiàn)象。

圖7 入口濕空氣相對(duì)濕度對(duì)水氣冷凝量的影響Fig.7 Effect of inlet moist air relative humidity on water vapor permeability

在相同的灰塵樣件厚度和金屬冷板溫度下，濕空氣相對(duì)濕度越大，濕空氣能夠在冷的灰塵樣件表面及內(nèi)部產(chǎn)生更多的冷凝液滴。而當(dāng)濕空氣相對(duì)濕度降至某一臨界值時(shí)，由于經(jīng)多孔性灰塵內(nèi)部空隙滲透至金屬冷板表面的濕空氣中的水蒸氣分壓低于此時(shí)金屬冷板溫度條件下的水的飽和蒸氣壓，導(dǎo)致水氣無(wú)法在金屬冷板上冷凝；此時(shí)需要提高入口濕空氣的相對(duì)濕度或進(jìn)一步降低金屬冷板的溫度才能驅(qū)動(dòng)濕空氣在多孔性灰塵內(nèi)滲透冷凝。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并搭建了金屬冷板表面多孔性灰塵水氣透濕過(guò)程的可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了金屬冷板溫度、灰塵樣件厚度和入口濕空氣相對(duì)濕度這3個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)多孔性灰塵表面形態(tài)變化及水氣冷凝量的影響，得到如下結(jié)論：

1)多孔性灰塵內(nèi)由于顆粒物團(tuán)聚體之間形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，外界濕空氣會(huì)在這些由間隙組成的通道內(nèi)滲透并冷凝，從而引起顆粒物團(tuán)聚體發(fā)生形變。

2)金屬冷板溫度越低，灰塵樣件內(nèi)水氣冷凝量的增長(zhǎng)速度越快，但對(duì)于水氣透濕過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定時(shí)灰塵樣件內(nèi)的最大水氣冷凝量沒(méi)有影響；當(dāng)金屬冷板溫度從7 ℃降至5 ℃時(shí)，灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝速率平均提高約20%。

3)積灰層的厚度越小，灰塵內(nèi)的水氣冷凝速率越大，且厚度大的灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝量更大；當(dāng)灰塵樣件的厚度由3 mm增至8 mm時(shí)，灰塵樣件內(nèi)的最大水氣冷凝量提高約15%。

4)高的入口濕空氣相對(duì)濕度有利于提高灰塵樣件內(nèi)的水氣冷凝速率，當(dāng)相對(duì)濕度低于30%時(shí)，多孔性灰塵內(nèi)將不會(huì)發(fā)生水氣冷凝現(xiàn)象。