開縫翅片管換熱器表面積塵與壓降特性的實(shí)驗(yàn)研究

唐家俊 詹飛龍 胡海濤 丁國(guó)良 莊大偉

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

開縫翅片管換熱器表面積塵與壓降特性的實(shí)驗(yàn)研究

唐家俊 詹飛龍 胡海濤 丁國(guó)良 莊大偉

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

翅片管換熱器表面沉積的粉塵會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器壓降增加。本文搭建了換熱器積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，選取開縫翅片管換熱器為測(cè)試樣件，在風(fēng)速范圍為1.0～2.3 m／s，噴粉濃度范圍為2.1～10.8 g／m3的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了換熱器表面的粉塵沉積特性及空氣側(cè)壓降變化。結(jié)果表明：粉塵主要沉積在翅片迎風(fēng)面的前緣開縫處以及換熱管的迎風(fēng)面上；高風(fēng)速有利于粉塵沉積并增大積灰前后壓降增幅，在風(fēng)速變化范圍內(nèi)，粉塵沉積量最多增加98.4%，積灰前后壓降增幅最多增加93.8%；提高噴粉濃度有利于粉塵沉積并增大積灰前后的壓降增幅；在噴粉濃度變化范圍內(nèi)，粉塵沉積量最多增加22.8%，積灰前后壓降增幅最多增加28.6%；在積灰過程中，空氣側(cè)壓降比粉塵沉積量更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

翅片管換熱器；粉塵沉積；壓降；開縫翅片；實(shí)驗(yàn)研究

翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于房間空調(diào)換熱器，熱阻主要集中在空氣側(cè)。為了減小空氣側(cè)熱阻、提高換熱效率，通常采用具有強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的翅片來代替平翅片。開縫翅片通過間斷表面抑制邊界層的增長(zhǎng)以及沖條的前緣來強(qiáng)化換熱，在空調(diào)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［1］。但是開縫翅片管換熱器在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)因表面沉積粉塵污垢而嚴(yán)重影響換熱器性能。已有文獻(xiàn)表明，對(duì)于運(yùn)行近7年的空調(diào)室外機(jī)，由于表面沉積大量粉塵導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降14%、空氣側(cè)壓降增大45%［2］。對(duì)于使用一年多的商業(yè)建筑冷卻系統(tǒng)，由于積灰造成表冷器空氣側(cè)的壓降增加35% ～44%［3］。開縫翅片表面因具有復(fù)雜的開縫結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其相對(duì)于其他翅片形式的換熱器更容易附著粉塵，從而使其性能受積灰影響更嚴(yán)重。因此為了對(duì)開縫翅片管換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須首先了解開縫翅片管換熱器表面的積塵特性。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)換熱器積塵的研究主要包括表面沉積污垢分布特征［2］、物質(zhì)特性［4-6］、以及積灰對(duì)換熱與壓降特性的影響［7-18］。關(guān)于沉積污垢的分布特征研究表明，粉塵主要沉積在換熱器翅片迎風(fēng)面前緣，而在背風(fēng)面沉積較少［2］。關(guān)于沉積物質(zhì)特性的研究表明，換熱器表面積塵的平均粒徑介于8 μm～17 μm之間［4-5］，粉塵污垢包含粉塵顆粒物以及纖維等［6］。關(guān)于積灰對(duì)換熱與壓降特性的影響研究表明，噴粉濃度越大、風(fēng)速越高、翅片間距越小，積灰越嚴(yán)重，換熱器壓降越大［7-18］。上述研究沒有對(duì)粉塵沉積量進(jìn)行測(cè)試，無法定量評(píng)估翅片表面的粉塵沉積特性以及對(duì)換熱器性能的影響。因此，為了明確粉塵對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律，必須對(duì)翅片表面粉塵沉積特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以獲取粉塵沉積量的定量數(shù)據(jù)。

本文的目的是通過實(shí)驗(yàn)手段來研究開縫翅片管換熱器表面的積塵以及壓降特性，分析不同噴粉工況對(duì)粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理與測(cè)試樣件

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

為了能夠?qū)Q熱器的積灰特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要滿足兩個(gè)要求：1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)換熱器表面粉塵沉積過程的可視化，便于觀察換熱器表面粉塵沉積形貌；2）在實(shí)驗(yàn)過程中能夠測(cè)量換熱器積灰量并測(cè)量換熱器積灰前后壓降。

根據(jù)上述兩個(gè)要求，本文搭建了換熱器積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括三個(gè)部分：1）風(fēng)道系統(tǒng)，用于提供具有一定風(fēng)速的氣流并引導(dǎo)氣流吹向換熱器樣件；2）粉塵發(fā)生裝置，用于調(diào)節(jié)粉塵質(zhì)量流量以提供具有一定濃度的含塵氣流；3）可視化測(cè)試段和稱重裝置，用于拍攝換熱器表面積灰形貌并測(cè)量換熱器積灰量和積灰前后壓降變化。

圖1 換熱器積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.1 Schematic of experimental rig

風(fēng)道系統(tǒng)包括空壓機(jī)、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥和出風(fēng)口。空壓機(jī)和流量計(jì)用于調(diào)節(jié)干空氣的流速。出風(fēng)口由不銹鋼材料制作，用于引導(dǎo)含塵氣流吹向換熱器樣件，總長(zhǎng)為1 200 mm。

粉塵發(fā)生裝置包括控制柜、螺旋給料機(jī)和混合箱。螺旋給料機(jī)用于提供具有一定質(zhì)量流量的粉塵，工作原理為：首先在螺旋給料機(jī)中的螺旋葉片間預(yù)先填滿粉塵，然后通過控制螺旋桿的轉(zhuǎn)速將螺旋葉片間的粉塵運(yùn)輸?shù)交旌舷渲校渲新菪龡U的轉(zhuǎn)速由控制柜來控制，粉塵進(jìn)入混合箱中后將與氣流混合并形成含塵氣流。

測(cè)試段包括透明風(fēng)罩、樣件、分析天平、升降機(jī)、托盤、海綿和壓差傳感器，如圖2所示。

圖2 測(cè)試段實(shí)物圖Fig.2 Photo of test section

樣件通過透明風(fēng)罩下的凹槽嵌入到風(fēng)道內(nèi)，并放置在托盤上。托盤四周刻有深15 mm的凹槽并填充有海綿，通過風(fēng)道頂著托盤內(nèi)的海綿來實(shí)現(xiàn)測(cè)試段的密封。托盤放置于分析天平上。升降機(jī)用于調(diào)節(jié)托盤的上升和下降高度，從而實(shí)現(xiàn)粉塵噴射過程和樣件稱重過程。在測(cè)試段中的樣件前后兩端分別開有一個(gè)小孔用于安裝壓差傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得積灰前后的壓降數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及測(cè)試樣件

噴粉工況參數(shù)包括風(fēng)速、噴粉濃度。噴粉速度按照空調(diào)室外機(jī)常見的風(fēng)速范圍進(jìn)行選取，本文選取的噴粉速度分別為1.0 m／s、1.5 m／s、2.0 m／s、2.3 m／s。實(shí)際大氣環(huán)境中的粉塵濃度很低，為了加速粉塵沉積的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，噴粉濃度的選取需要大于實(shí)際大氣環(huán)境中的粉塵濃度，本文選取噴粉濃度分別為2.1 g／m3、5.7 g／m3、10.8 g／m3。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13270—91的規(guī)定，本文采用的人工粉塵包含72%的高嶺土和28%的炭黑，平均粒徑為10 μm，粉塵密度為2.2×103kg／m3。

測(cè)試樣件選取管排數(shù)為2、翅片間距為1.3 mm的開縫翅片管換熱器，符合常用的家用空調(diào)室外機(jī)換熱器類型及尺寸。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 測(cè)試樣件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of test sample

2 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

本實(shí)驗(yàn)研究中的風(fēng)速和壓降可直接通過流量計(jì)與壓差傳感器的讀數(shù)得到，而噴粉濃度和粉塵沉積量則需要通過一定的關(guān)系式計(jì)算得到。

樣件表面粉塵沉積量m的表達(dá)式為：

式中：m為樣件表面粉塵沉積量，g；wi為噴粉前的樣件重量，g；wo為噴粉后的樣件重量，g。

粉塵濃度c的表達(dá)式為：

式中：c為粉塵濃度，g／m3；V為空氣的體積流量，m3／s；db為螺旋葉片的直徑，m；ds為螺旋桿的直徑，m；ρ為粉塵顆粒物的密度，kg／m3；r為螺旋桿的轉(zhuǎn)速，r／min；t為螺旋葉片間距，mm；φ為物料填充系數(shù)，這里取為0.95。

為了便于研究樣件積灰后壓降特性，本文采用樣件積灰前后壓降增幅η，其表達(dá)式為：

式中：po為積灰前換熱器樣件空氣側(cè)的壓降，Pa；pi為積灰后換熱器樣件空氣側(cè)的壓降，Pa。

2.2 誤差分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器精度計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)過程中需要分析的實(shí)驗(yàn)參數(shù)誤差，如表2所示。由Moffat R J［19］方法分析得到各實(shí)驗(yàn)參數(shù)誤差，包括粉塵沉積量最大誤差為±3.4%，壓降最大誤差為±5%。

表1 測(cè)試樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of test sample

表2 儀器參數(shù)的精度Tab.2 Uncertainties of direct measurements

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粉塵沉積分布特征分析

圖4給出了開縫翅片管換熱器在風(fēng)速為1.5 m／s、噴粉濃度為10.8 g／m3下的積灰過程圖。由圖4可知，粉塵主要沉積在換熱器樣件迎風(fēng)面上，包括翅片迎風(fēng)面前緣，特別是前緣開縫處，還包括換熱管迎風(fēng)面，而在背風(fēng)面上沉積較少。粉塵在翅片前緣處沉積是因?yàn)楹瑝m氣流中的粉塵顆粒最先與翅片迎風(fēng)面前緣碰撞，粉塵顆粒與翅片碰撞概率增大，從而使粉塵容易沉積在翅片迎風(fēng)面前緣；堆積的粉塵會(huì)進(jìn)一步阻擋沉積層向內(nèi)延伸，促進(jìn)了粉塵在翅片迎風(fēng)面前緣的沉積。另外由于翅片開縫處表面積大，與粉塵顆粒接觸面積增大，從而導(dǎo)致開縫處容易沉積粉塵。

換熱管迎風(fēng)面上沉積大量粉塵，主要是因?yàn)楫?dāng)含塵氣流吹向換熱器時(shí)，在換熱管的迎風(fēng)面上存在結(jié)垢點(diǎn)［20］，結(jié)垢點(diǎn)有利于粉塵顆粒堆積形成沉積層，導(dǎo)致?lián)Q熱管迎風(fēng)面沉積大量粉塵。

圖4 風(fēng)速1.5 m／s、噴粉濃度10.8 g／m3下的積灰過程圖Fig.4 Photo of fouling process at 1.5 m／s and 10.8 g／m3

3.2 風(fēng)速對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響

圖5給出了當(dāng)噴粉濃度為10.8 g／m3時(shí)，風(fēng)速對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響。由圖5（a）可知，隨著風(fēng)速增大，粉塵沉積量逐漸增大，同時(shí)粉塵沉積量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸減少。當(dāng)風(fēng)速由1.0 m／s逐漸提高到2.3 m／s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的粉塵沉積量提高了39.5% ～98.4%，所需時(shí)間減少了27.8%～56.8%。風(fēng)速對(duì)提高粉塵沉積量的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)含塵氣流中粉塵顆粒越多，與翅片和換熱管表面發(fā)生碰撞沉積的粉塵顆粒數(shù)量也越多，導(dǎo)致沉積量增大；2）風(fēng)速越大，含塵氣流中的粉塵顆粒動(dòng)能越大，顆粒物越容易偏離流場(chǎng)，從而導(dǎo)致粉塵顆粒與換熱器表面碰撞概率增大［12］。

由圖5（b）可知，隨著風(fēng)速增大，積灰前后的空氣側(cè)壓降增幅逐漸增大，同時(shí)壓降增幅達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸減少。當(dāng)風(fēng)速由 1.0 m／s逐漸提高到2.3 m／s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的空氣側(cè)壓降增幅提高了22.9%～93.8%，所需時(shí)間減少了33.3% ～66.7%。這是因?yàn)椋谙嗤瑖姺蹪舛认拢L(fēng)速越大，粉塵在翅片和換熱管表面沉積量越大，粉塵堆積引起含塵氣流在換熱器間流通間隙減小，含塵氣流流通阻力增大，導(dǎo)致?lián)Q熱器空氣側(cè)壓降增幅增大。

3.3 噴粉濃度對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響

圖6給出了當(dāng)風(fēng)速為2 m／s時(shí)，噴粉濃度對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響。由圖6（a）可知，隨著噴粉濃度的增大，換熱器表面粉塵沉積量逐漸增大，同時(shí)粉塵沉積量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸減少。當(dāng)噴粉濃度由2.1 g／m3逐漸提高到10.8 g／m3時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的粉塵沉積量提高了9.7%～22.8%，所需時(shí)間減少了22.2%～47.6%。這是因?yàn)椋谙嗤L(fēng)速下，噴粉濃度越大，單位時(shí)間內(nèi)流過翅片和換熱管表面粉塵顆粒物數(shù)量越多，粉塵顆粒發(fā)生碰撞沉積的概率越大，從而使得粉塵沉積量增大。

圖5 風(fēng)速對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響Fig.5 Effect of air velocity on deposition weight and pressure d rop

由圖6（b）可知，隨著噴粉濃度的增大，積灰前后的空氣側(cè)壓降增幅也逐漸增大，同時(shí)壓降增幅達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸減少。當(dāng)噴粉濃度由2.1 g／m3逐漸提高到10.8 g／m3時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的空氣側(cè)壓降增幅提高了12.4%～28.6%，所需時(shí)間減少了26.7% ～58.4%。這是因?yàn)椋瑖姺蹪舛仍酱螅蹓m沉積量越大，堆積在翅片與換熱管表面粉塵引起含塵氣流在翅片與換熱管間的有效流通面積減小，氣流流過換熱器阻力越大，導(dǎo)致?lián)Q熱器空氣側(cè)壓降增幅增大。

3.4 粉塵沉積量對(duì)壓降的影響

圖7給出了粉塵沉積量對(duì)壓降的影響。由圖7 （a）可知，在積灰過程中，壓降比粉塵沉積量更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)椋e灰實(shí)驗(yàn)起始段，只有相對(duì)較少的粉塵能夠附著在換熱器翅片迎風(fēng)面前緣以及換熱管迎風(fēng)面上，導(dǎo)致沉積量與壓降增加緩慢，該過程稱為粉塵成核期［2］；經(jīng)過某一臨界點(diǎn)，沉積量迅速增加，壓降也迅速增加，這是因?yàn)椋?jīng)過成核期，粉塵更容易在換熱器翅片及換熱器迎風(fēng)面上形成沉積層并快速生長(zhǎng)，沉積量迅速增加，導(dǎo)致壓降也迅速增加；隨后，沉積量繼續(xù)快速增加，但壓降增加緩慢，這是因?yàn)椋穗A段，粉塵主要附著在換熱器迎風(fēng)面沉積層前側(cè)并向外延伸，對(duì)含塵氣流流通面積影響很小，氣流流通阻力增加緩慢，從而導(dǎo)致壓降增幅平緩直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 噴粉濃度對(duì)粉塵沉積量與壓降的影響Fig.6 Effect of particle concentration on deposition weight and pressure drop

圖7 粉塵沉積量與壓降變化規(guī)律Fig.7 Variation of particle deposition weight and pressure drop

由圖7（b）可知，積灰前后的壓降增幅隨著沉積量增大逐漸減小。這是因?yàn)閯傞_始，隨著粉塵顆粒在翅片與換熱管表面堆積，氣流流通面積迅速減小，導(dǎo)致壓降增加迅速；當(dāng)沉積量增加到一定程度后，此階段粉塵沉積主要發(fā)生在翅片迎風(fēng)面的沉積層前側(cè)并向外生長(zhǎng)，對(duì)換熱器翅片與換熱管之間的流通間隙影響較小，因此導(dǎo)致壓降增加緩慢，進(jìn)而導(dǎo)致積灰前后的壓降增幅隨沉積量的增加逐漸減小。

4 結(jié)論

1）含塵氣流吹向換熱器，大部分粉塵沉積在換熱器迎風(fēng)面的翅片前緣開縫處以及換熱管的迎風(fēng)面上，而在換熱器背風(fēng)面沉積較少。

2）高風(fēng)速有利于粉塵沉積并增大積灰前后的壓降增幅，當(dāng)風(fēng)速由1.0 m／s增大為2.3 m／s時(shí)，粉塵沉積量和積灰前后壓降增幅分別最多增加98.4%和93.8%。

3）高噴粉濃度有利于粉塵沉積并增大積灰前后的壓降增幅，當(dāng)噴粉濃度由2.1 g／m3增大為10.8 g／m3時(shí)，粉塵沉積量和積灰前后壓降增幅分別最多增加22.8%和28.6%。

4）在積灰過程中，空氣側(cè)壓降比粉塵沉積量更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

本文受上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃（16XD1401500）項(xiàng)目資助。（The project was supported by Program for Excellent Academic Leaders of Shanghai（No.16XD1401500）.）

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About the corresponding author

Ding Guoliang，male，Ph.D.／professor，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206378，E-mail：glding＠sjtu.edu.cn.Research fields：simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

Experimental Investigation on Particle Deposition and Pressure Drop Characteristics of Slit Fin-and-tube Heat Exchanger

Tang Jiajun Zhan Feilong Hu Haitao Ding Guoliang Zhuang Dawei
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

The air-side pressure drop of fin-and-tube heat exchangers will increase when covered with dust particles.In this paper，a visual experimental rig was set up to investigate the particle deposition and pressure drop characteristics.The slit fin-and-tube heat exchangers were selected as the test samples.The air velocity ranged from 1.0 to 2.3 m／s and the particle concentration ranged from 2.1 to 10.8 g／m3.The results indicate that dust particles mostly deposited on the windward side of slit fins and the front part of tubes.High air velocity is beneficial to the particle deposition and can increase the air-side pressure drop；the maximum particle deposition weight and the maximum increase of air-side pressure drop increased up to 98.4%and 93.8%respectively in the experimental conditions.High particle concentration can promote the particle deposition and increase the air-side pressure drop；the maximum particle deposition weight and the maximum increase of air-side pressure drop increased up to 22.8%and 28.6%respectively in the experimental conditions.The air-side pressure drop tended to stability more quickly than particle deposition weight in the particle deposition process.

fin-and-tube heat exchanger；particle deposition；pressure drop；slit fin；experimental investigation

TB61+1；TB657.5

A

0253-4339（2016）06-0001-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.001

簡(jiǎn)介

丁國(guó)良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷所，（021）34206378，E-mail：glding＠sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體（51521004）資助項(xiàng)目。（The project was supported by Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China（No.51521004）.）

2016年3月14日