空調換熱器長期運行性能衰減的加速實驗研究

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海200240)

房間空調器是一種向房間或封閉空間提供經過處理的空氣的設備，包括制冷和制熱系統[1]。目前，家用空調器使用5年后，能效衰減率處于基本穩定的水平，但其能效水平通常比目前標準所規定的能效限定值低20%～30%，最低可達54%[2]，空調器能效降低的一個重要原因是空調換熱器性能衰減嚴重[1]?？照{換熱器是房間空調器中用于對空氣進行制冷或制熱處理的熱交換器，由于長期置于室外，使用一定年限后表面會沉積灰塵顆粒物等進而結垢堵塞，使房間空調器制熱、制冷能力減弱，導致空調器整體能效水平大幅下降[1]。研究表明，使用7年后空調換熱器的空氣側壓降增加超過44%，換熱能力下降10%～15%[3]。因此有必要對空調換熱器積塵后的性能衰減情況進行研究。

房間空調器室外機普遍使用具有耐腐蝕、易制造、導熱系數高等優點的翅片管式換熱器。翅片管換熱器表面沉積少量粉塵時，粉塵顆粒對氣流具有擾動作用，能夠強化空氣側換熱；但隨著運行時間的增加，翅片表面不斷增厚的污垢層使傳熱系數大幅降低，造成換熱性能明顯下降[4-5]，且對其壓降和換熱量影響顯著[6-7]。 Yang L.等[8]研究表明表冷器在典型工作環境下正常運行6年后，積灰使其空氣側壓降增大145%，換熱性能衰減14%。積塵對空氣側壓降變化的影響大于對空氣側換熱的影響。T. R. Bott等[9]研究發現積塵后換熱器的換熱因子增幅小于摩擦因子增幅，H. J. Lee等[10]研究表明積塵后的單、雙排管換熱器空氣側壓降增幅為22%～37%，而傳熱系數衰減為4%～12%。

空調換熱器在自然環境下的積塵過程不易在實驗室操作，到目前為止，還沒有關于空調換熱器整機積塵的加速實驗的相關研究?？照{換熱器表面的積塵量主要受翅片結構和管排數的影響[11-13]，因此，在研究翅片管換熱器積塵后性能的衰減規律時，需要研究不同翅片結構和管排數對換熱器表面積灰特性的影響。

本文通過搭建換熱器加速積塵測試實驗臺和換熱性能測試實驗臺，采用加速積塵測試方法對翅片管換熱器在室外運行5年后性能衰減率進行加速實驗，研究不同翅片類型和管排數對翅片管換熱器壓降和換熱量的影響。

1 加速積塵測試方法

1.1 加速積塵原理

空調器在室外正常運行時，一定質量流量的含塵氣流通過換熱器時粉塵沉積在換熱器表面，導致空調換熱器性能衰減。加速積塵測試是指在室外正常運行時通過換熱器的粉塵總質量和加速測試過程中通過換熱器的粉塵總質量保持一致的前提下，通過提高測試環境中的粉塵濃度來降低測試時間。

當換熱器在室外正常運行一段時間后，通過換熱器的粉塵總質量為：

M=CQT

(1)

式中：M為實際長期運行時通過換熱器的粉塵總質量，g；C為當地大氣環境中的粉塵濃度，g/m3；Q為室外環境中通過換熱器的空氣體積流量，m3/h；T為空調換熱器在室外正常運行的時間，h。

當換熱器在積塵室內進行加速測試時，通過換熱器的粉塵總質量為：

m=cqt

(2)

式中：m為加速測試中通過換熱器的粉塵總質量，g；c為加速積塵環境中粉塵濃度，g/m3；q為積塵室內通過換熱器的空氣體積流量，m3/h；t為空調換熱器在積塵室內加速積塵的時間，h。

為了真實模擬實際環境中換熱器的積塵過程，換熱器實際在室外長期運行時通過換熱器的粉塵總質量與在積塵室內加速測試時通過換熱器的粉塵總質量應保持一致，即M=m，則：

CQT=cqt

(3)

在積塵室內加速測試時，可以通過調節積塵室內含塵氣流的體積流量，使其與實際室外積塵過程中的體積流量相等，即q=Q，化簡式(3)得：

CT=ct

(4)

因此，當換熱器在室外運行一定年限后表面粉塵沉積量一定時，為達到加速積塵的目的，可通過提高加速測試環境中的粉塵濃度來減少測試時間，即加速積塵測試的基本原理。

1.2 實際積塵與加速積塵的等效關系

經過調研，空調換熱器表面粉塵顆粒的主要成分為大氣環境中的PM10[1]。本文以上海為例，根據大氣氣象的調研結果[14]可得當地大氣環境中10年間的平均粉塵濃度C(PM10)=85 μg/m3。按國家規定的空調器季節能效比標準，換熱器在室外正常制冷運行1年的時間T≈2 399 h[2]。為加速粉塵沉積，本文設定測試濃度c為遠大于實際環境粉塵濃度的100 mg/m3。

根據上述調研結果及實驗設定的測試濃度，推算實際積塵與加速積塵的等效關系為：當空調換熱器在室外粉塵濃度為85 μg/m3下正常運行1年時，對應室內測試濃度為100 mg/m3加速積塵測試2 h。加速積塵測試時間與換熱器實際使用時間的等效關系如表1所示。

表1 加速積塵時間與實際使用時間的等效關系Tab.1 The equivalent relationship between the accelerated testing time and the actual use time

1.3 加速測試實驗臺

基于上述加速測試原理，換熱器加速測試技術路線如圖1所示。實驗包括兩部分：換熱器加速積塵測試和換熱性能測試，因此需分別搭建加速積塵測試實驗臺和換熱性能測試實驗臺。

圖1 換熱器加速測試技術路線Fig.1 Technical route of dust deposition accelerating tests of heat exchangers

1)加速積塵測試實驗臺

加速積塵測試實驗臺用于提供特定溫濕度、粉塵濃度的積塵環境，使置于其中的換熱器樣件達到加速積塵目的，原理如圖2所示。

1風扇；2混合箱；3控制柜；4螺旋給料機；5纖維發生裝置；6纖維；7加濕系統；8風道；9積塵室；10箱門；11粉塵濃度儀；12溫濕度傳感器；13換熱器樣件；14推車；15除塵裝置。圖2 換熱器加速積塵測試實驗臺原理Fig.2 The principle of experimental rig for dust deposition accelerating tests of heat exchangers

實驗臺包括4部分：1)粉塵發生系統，提供具有一定濃度的含纖維粉塵，包括螺旋給料機、控制柜、纖維發生裝置、混合箱、風扇，控制柜用于控制螺旋給料機給料速度以控制粉塵的質量流量；2)加濕系統，向含塵氣流提供一定的濕度，包括加濕箱、空壓機、PID控溫裝置、電加熱棒、流量調節閥，PID控溫裝置利用溫度的負反饋調節機制，通過調節電加熱棒的功率來控制濕空氣的出口溫度；3)風道系統，由不銹鋼風管制成，用于引導含塵含纖維氣流進入積塵室；4)加速積塵環境，包括積塵室、粉塵濃度儀、溫濕度傳感器和除塵裝置。

加速積塵測試過程：粉塵發生系統通過調節風扇轉速和螺旋給料機的控制柜向風道中提供具有一定風速和粉塵濃度的含塵含纖維粉塵，并與加濕系統提供的具有一定溫濕度的濕空氣混合，由風道通向積塵室，樣件通過推車推進積塵室積塵，并實時檢測粉塵濃度和溫濕度。

2)換熱性能測試實驗臺

換熱性能測試實驗臺用于測試換熱器積塵前后的空氣側壓降和換熱量，研究空調換熱器長期運行性能衰減率。根據家用空調器的工作原理，換熱性能測試基本原理為管內走水、管外走空氣，原理如圖3 所示。

1電加熱棒；2整流罩；3空氣側溫濕度傳感器；4空氣側壓差傳感器；5換熱器樣件；6風扇； 7恒溫水槽；8水泵；9水側熱電偶；10流量計。圖3 換熱性能測試實驗臺原理Fig.3 The principle of experimental rig for heat exchanger performance test

實驗臺包括4個部分：1)測試風道，由具有保溫層的不銹鋼風管制成，用于引導空氣流經測試樣件并進行換熱；2)送風裝置，包括電加熱棒、整流罩、吸氣風扇，電加熱棒用于加熱入口空氣至一定溫度，整流罩用于對空氣進行整流，吸氣風扇通過調節風扇轉速從而控制風道內空氣流速；3)水循環裝置，用于給換熱器測試樣件提供水循環，包括恒溫水槽、水泵、流量計；4)數據采集系統，包括空氣側溫濕度傳感器、壓差傳感器、水側熱電偶。

換熱性能測試過程：將換熱器樣件放入測試風道，利用水循環裝置為其提供管內水流，通過恒溫水槽保持換熱管內水溫一致。然后啟動送風裝置，打開吸氣風扇和整流罩，調節風扇轉速及整流罩直至氣流狀態接近空調器正常運行狀態，然后使用加熱棒加熱氣流至一定溫度，待整個氣流的風速、溫度穩定后，進行換熱性能測試并記錄穩定狀態下的實驗數據。

1.4 測試工況

1)加速積塵測試工況

通過分析空調室外機表面積塵成分發現，室外粒徑<10 μm的可吸入顆粒物(PM10)是換熱器表面積塵的重要來源[15]。因此在加速積塵測試中，根據GB 13270—91的規定[16]，測試粉塵由28%炭黑和72%白陶土組成，粉塵密度為2.2×103kg/m3，中位徑為10 μm，符合實際環境中的粉塵物性。測試中粉塵濃度與測試時間如表1所示。此外，在積塵室內，為了加速積塵進程，根據常用空調室外機翅片管換熱器的正常迎流風速，設置風速為1.5 m/s進行積灰實驗[17]。

2)換熱性能測試工況

在換熱性能測試中，根據空調室外機的日常工作環境[2]，設置空氣側進口溫度為35 ℃，進口體積流量為0.25 m3/s，水側進口溫度為21 ℃，進口質量流量為0.192 kg/s，風道的風速穩定在1.5 m/s。

1.5 測試樣件

測試樣件選取不同管排數和翅片類型的翅片管換熱器整機。管排數為1～2排管，翅片類型為波紋和平直翅片，覆蓋常見的空調室外換熱器尺寸及類型。測試樣件結構參數如表2所示。

表2 測試樣件結構參數Tab.2 Structure parameters of test samples

1.6 加速測試實驗步驟

換熱器加速測試主要包括加速積塵測試和換熱性能測試，實驗步驟如下：

1)將干凈的換熱器樣件置于換熱性能測試實驗臺中進行積塵前的換熱性能測試，同時記錄換熱器樣件積塵前的換熱性能實驗數據；

2)調試加速積塵實驗臺的積塵環境，使積塵環境中風速、溫濕度、粉塵濃度達到穩定。然后將樣件用推車推進積塵環境，開始加速積塵測試，同時記錄加速積塵時間及相應的實驗數據；

3)樣件在積塵室內每積塵2 h后，取出并放入換熱性能測試實驗臺中進行積塵后的換熱性能測試，同時記錄換熱器積塵2 h后的換熱性能數據。對一個換熱器樣件如此循環5次，直至完成換熱器樣件積塵10 h后的換熱性能測試；

4)按照上述循環，對所有換熱器樣件進行相同的加速積塵測試和積塵前后的換熱性能測試，記錄整理相應的實驗數據并處理分析。

1.7 加速測試方法可靠性驗證

為確保加速測試結果的可靠性，本文調研了4個品牌的換熱器整機樣件在室外正常積塵5年的額定制冷EER衰減率[2]，并選取了一款常用室外機樣件(樣件5)進行加速實驗，對比結果如圖4所示。

圖4 額定制冷EER衰減率Fig.4 EER decay rate

由圖4可知，當房間空調器使用5年后，EER衰減率基本達到穩定，不再隨使用年限的增加而增大。此外，空調器能效性能衰減率不完全呈線性變化，變化為5%～15%[2]。這與測試樣件在噴粉濃度為100 mg/m3下的加速積塵10 h后能效衰減率情況基本吻合。因此這種針對空調換熱加速測試方法可行。

2 數據處理及誤差分析

2.1 數據處理方法

積塵前后換熱量Q如式(5)所示：

(5)

式中：Qa為空氣側換熱量，kW；Qw為冷卻水側換熱量，kW。

采用加熱進口空氣的方式對換熱器進行換熱，空氣側換熱量Qa：

Qa=ma(ia,in-ia,out)

(6)

式中：ma為空氣質量流量，kg/s；ia,in和ia,out分別為進、出口空氣的焓值，J/kg。

冷卻水側換熱量Qw：

Qw=mwcp(Tout-Tin)

(7)

式中：mw為入口水的質量流量，kg/s；cp為水的比熱容，J/(kg·K)；Tin和Tout分別為水側進、出口溫度，K。

2.2 誤差分析

本實驗涉及參數包括測量參數和計算參數，測量參數誤差由儀器精度得到，計算參數包括壓降和換熱量，由Moffat[18]方法得到，如表3所示。

表3 儀器測量精度及計算參數誤差分析Tab.3 Uncertainties of direct measurements and experimental parameters

3 實驗結果與分析

3.1 翅片表面粉塵沉積特征分析

圖5所示為不同管排數和翅片類型的換熱器整機及翅片積塵5年后表面粉塵分布實物圖。

由圖5可知，粉塵覆蓋程度受翅片結構和管排數的影響。對于不同的翅片類型，波紋翅片表面更容易堆積粉塵顆粒，經過一段時間積塵后，波紋翅片間粉塵顆粒容易結垢并堵塞翅片，導致換熱器性能嚴重下降。而平直翅片由于表面平整，粉塵顆粒容易在重力作用下從翅片表面脫落，故其表面粉塵顆粒的堵塞情況沒有波紋翅片嚴重。對于不同管排數，2排管換熱器比1排管表面粉塵堵塞情況嚴重。一方面，粉塵顆粒容易堆積在換熱管與翅片的連接處，隨著管排數的增加，翅片與換熱管的連接面積增大；另一方面，隨著管排數的增加，翅片表面積增大，使粉塵顆粒與換熱器表面碰撞沉積的概率變大，導致積塵增多。

圖5 翅片樣件表面粉塵沉積特征Fig.5 Dust distribution characteristics on test samples

3.2 翅片類型對壓降和換熱量的影響

圖6所示為翅片管換熱器加速積塵5年后兩種翅片類型對空氣側壓降和換熱量的影響。

由圖6(a)可知，空調使用5年后，翅片管換熱器的波紋翅片類型比平直翅片更容易沉積粉塵。波紋翅片和平直翅片換熱器積塵后壓降增幅分別為29.5%和25.0%，波紋翅片比平直翅片的壓降增幅大4.5%。這是因為波紋翅片表面積遠大于普通平直翅片，經過一段時間的室外工作后，波紋翅片換熱器表面更容易沉積大量粉塵并結垢，最終堵塞換熱器翅片的迎風面。當空氣流經換熱器進行換熱時，流經波紋翅片受到的阻力大于流經平直翅片受到的阻力，導致波紋翅片換熱器的壓降更大。

由圖6(b)可知，空調使用5年后，翅片管換熱器的波紋翅片換熱性能衰減更嚴重。波紋翅片和平直翅片換熱器的換熱衰減率分別為19.3%和18.0%，波紋翅片比平直翅片的換熱衰減率大1.3%。這是因為，與平直翅片相比，波紋翅片表面凹凸狀波紋使翅片表面積增大，因此波紋翅片換熱器長期的室外工作使表面的粉塵覆蓋程度遠高于平直翅片換熱器，導致波紋翅片的導熱系數大幅降低，嚴重影響其與空氣之間的換熱。但因波紋翅片綜合換熱性能較好，故積塵后的總換熱量仍高于平直翅片。

圖6 翅片類型對空氣側壓降和換熱量的影響Fig.6 Effect of fin types on air-side pressure drop and heat transfer

3.3 管排數對壓降和換熱量的影響

圖7所示為翅片管換熱器加速積塵5年后兩種管排數對空氣側壓降和換熱量的影響。

圖7 管排數對空氣側壓降和換熱量的影響Fig.7 Effect of tube row number on air-side pressure drop and heat transfer

由圖7(a)可知，空調使用5年后，波紋翅片管換熱器的2排管比1排管壓降增幅更顯著。1、2排管換熱器積塵后壓降增幅分別為21.8%和29.5%，2排管比1排管的壓降增幅大7.7%。隨著管排數的增加，翅片表面積增大，翅片表面的粉塵覆蓋程度更高，空氣流動阻力增大。此外，當空氣流經換熱器時，2排管換熱器的空氣流道長度是1排管的2倍，含塵氣流中的粉塵顆粒更容易碰撞沉積，進一步增大空氣流動阻力。同時，2排管由于空氣流程長使其積塵前后的壓降均遠高于1排管。

由圖7(b)可知，空調使用5年后，波紋翅片管換熱器的2排管比1排管的換熱量衰減更大。1排管和2排管換熱器積塵后換熱衰減率分別為11.2%和19.3%，2排管比1排管的換熱衰減率大8.1%。當管排數從1排增至2排時，傳熱面積變為原來的2倍，積塵量也隨傳熱面積的增大而顯著增加。此外，長時間的室外運行使2排管的翅片間粉塵堵塞情況更嚴重，換熱量衰減幅度更大。但2排管由于傳熱面積大的絕對優勢使其積塵后的總換熱量仍遠高于平直翅片。

4 結論

本文采用加速測試方法對換熱器進行加速積塵2～10 h，預測其在室外運行1～5年后的性能衰減效果。根據上述測試方法，本文搭建了加速積塵測試實驗臺和換熱性能測試實驗臺，研究在粉塵濃度為100 mg/m3、風速為1.5 m/s的積塵環境下，換熱器加速積塵5年后不同翅片類型和管排數對壓降和換熱量的影響規律，結論如下：

1)空調使用5年后，1排管波紋翅片換熱器壓降增幅為21.8%，換熱衰減率為11.2%。2排管波紋翅片換熱器壓降增幅為29.5%，換熱衰減率為19.3%。2排管平直翅片換熱器壓降增幅為25.0%，換熱衰減率為18.0%。

2)當管排數相同時，翅片管換熱器波紋翅片比平直翅片更容易積灰，壓降增幅更大，換熱性能衰減更嚴重。積塵后波紋翅片的壓降增幅比平直翅片大4.5%，波紋翅片的換熱衰減率比平直翅片大1.3%。

3)當翅片類型相同時，翅片管換熱器2排管比1排管壓降增幅更為顯著，換熱量衰減幅度更大。積塵后波紋翅片2排管的壓降增幅比1排管大7.7%，換熱衰減率比1排管大8.1%。