空氣源熱泵蒸發器結霜分布實驗研究

王洪利，張向陽

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

引言

近幾年，緊隨國家提出的“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，新能源產業凸顯優勢。空氣源熱泵作為綠色環保的可再生資源，成功占據了新能源市場的主導地位，也得到了政府和百姓的高度認可[1]。空氣源熱泵系統在建筑節能中提供的新思路和新技術為節能減排做出了積極的貢獻，但在激烈的市場競爭中，空氣源熱泵也暴露了一些技術、運行中的問題[2,3]。經過多年研究表明，當室外空氣溫度在-5～5 ℃左右，室外空氣相對濕度在70%以上時，熱泵機組的室外機翅片表面容易結霜，這也是導致熱泵機組冬季運行效果較差的主要原因[4,5]。室外蒸發器迎面風速是影響結霜的重要參數之一，國內外的研究者對此進行了大量的研究。Seker等[6]、Yao等[7]研究結果表明，空氣流量越大，其表面結霜越嚴重。但Yan等[8]得出的結論與上述作者卻是完全相反的，即通過換熱器流量越小，其表面結霜越嚴重。針對上述問題，實驗考慮了室外蒸發器的結霜過程與風機流量之間的相互影響，對室外換熱器迎面風速為0.5 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s的空氣源熱泵蒸發器進行了系列實驗。研究不同迎面風速條件下的結霜規律，并探究結霜使得熱泵機組性能迅速惡化的機理。研究室外蒸發器結霜規律為解決熱泵空調器工作運行時結霜問題提供理論指導。

1實驗裝置

1.1 實驗原理

實驗系統由環境室、換熱器、提供低溫恒溫水的水箱、圖像采集系統和測量系統組成。實驗在低溫實驗箱中進行，在實驗箱中控制空氣溫度和相對濕度及風速，使之達到理想值。換熱器的表面溫度采用布置在銅管彎頭處的T型熱電偶傳感器測量。用溫度計和濕度計測量空氣的溫度和相對濕度。空氣流速由變頻風機控制，風速利用風速儀來測量。利用高清攝像頭在翅片表面前方觀察并記錄霜層。采用圖像處理方法得到翅片表面的霜層厚度。翅片結霜量用電子天平稱量。實驗系統的原理如圖1所示。

圖1 實驗熱泵系統示意圖

1.2 設備精度與誤差

蒸發器通過低溫冷源保證換熱器入口溫度維持不變，環境溫濕度調節系統將實驗室內空氣調整到預設狀態，風量測量系統控制蒸發器前空氣入口流速，當空氣流過被測試的蒸發器后冷凝結霜，攝像頭記錄翅片表面結霜形態。

采用T型熱電偶測量蒸發器翅片表面溫度，觸點直徑為0.25 mm，測量誤差為±0.1 ℃;內部冷源載冷劑為體積分數50%的乙二醇溶液，流量為3.5 L/min，環境溫度可控制為-20～40 ℃；環境濕度可控制為50.0%～85.0%；進風的迎面空氣溫度用PT100熱電偶測量，精度±0.1 ℃；變頻引風機可控風量0.0～4.5 m/s；結霜實時照片由攝像頭定時抓拍。

1.3 實驗工況

蒸發器為超細管徑的光滑順排翅片管換熱器，參數如表1所示。通過改變來流風速探究不同工況換熱器結霜特性，將風速設置為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s，相對濕度設定為80%，翅片表面溫度穩定在-10 ℃，空氣入口溫度穩定在-2 ℃。

表1 蒸發器結構參數

2實驗結果與分析

2.1 霜層分布區域比較

實驗發現，迎面風速影響結霜區域的分布。觀察空氣溫度為-2 ℃、相對濕度為80%，翅片表面溫度為-10℃工況下，換熱器迎面風速分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s的不同時間的結霜分布。由于結霜量是結霜過程中的累積量, 而對于固定的結霜時間, 不同工況條件下結霜過程可能處于不同的階段, 不同工況條件下某一時刻的結霜量比較存在明顯的不足。選取對比較明顯的迎面風速0.5 m/s和2.5 m/s，如圖2所示。

圖2 不同風速下結霜分布

從圖2可以看出，隨著室外換熱器迎面風速的增大，翅片表面霜層厚度分布出現不均勻性，對于迎面風速為0.5 m/s的工況，霜層在蒸發器翅片邊緣地帶厚度較厚。0.5 m/s工況下整個翅片的霜層厚度分布較均勻。造成這種現象的原因是翅片邊緣的風速低于主流區的空氣流速，因而結霜早期邊緣地帶的初始霜晶沒有被吹落，使所有晶核生長成完整的霜層。而主流區翅片表面的霜晶有部分被吹落。使翅片表面的晶核較少，延緩了霜層的生長。從而造成了蒸發器翅片主流區表面霜層厚度較翅片邊緣薄。

2.2 霜層厚度與密度的比較

選擇霜層厚度為0.8 mm來作為比較的標準是基于以下的考慮：當霜層厚度大于0.8 mm以后，兩翅片間霜晶在局部開始出現交錯現象，而且在結霜循環后期霜層厚度增長非常快，因此造成總結霜時間的測量可能出現誤差。選擇霜層厚度為0.8 mm時的結霜時間作為基準進行比較避免了這種誤差。同時，保證了不同工況條件下的霜層均處于加速生長段。圖3所示為不同迎面風速工況下的霜層厚度，圖4所示為不同迎面風速工況下的霜層密度。

圖3 不同迎面風速工況下霜層厚度 圖4 不同迎面風速工況下霜層密度

從圖2結霜分布中可以看到，在0.5 m/s迎面風速條件下，結霜初始時期翅片表面生成的薄冰層并不明顯，結霜開始后翅片表面很快形成柱狀冰晶，并且始終在高度方向快速生長，這與2.5 m/s的相應工況下翅片表面霜晶的生長模式有所區別的，在較高迎面風速工況下翅片表面霜晶交織成連接的薄冰層，然后逐漸增長厚度和密度。圖3和圖4表明，低迎面風速條件下霜層厚度生長速度較快，其原因是翅片表面柱狀霜晶在高度方向的快速生長模式造成的。從而造成低迎面風速工況下翅片表面霜層比較疏松，這與圖4所示的結霜量變化規律是一致的。從圖3可以得出，在高風速條件下結霜后期的霜層厚度增長較快，是因為結霜后期霜層堵塞翅片之間的空氣通道，2層翅片之間的霜層相互交織，使得空氣通道入口邊緣的霜層厚度急劇增長。

3結論

(1)空氣源熱泵機組室外換熱器表面霜層厚度增長速度隨迎面風速的降低而加快。迎面風速影響霜層在翅片表面的分布，迎面風速較小時霜層均勻分布在蒸發器翅片表面，迎面風速較大時霜層在蒸發器翅片邊緣厚度較大，而在主流區霜層厚度較薄。

(2)對霜晶形態的觀察發現，低迎面風速時霜層厚度增長速度快是由于翅片表面柱狀冰晶始終在高度方向快速生長且沒有霜晶被吹落的現象，造成霜層平均密度降低。較高的迎面風速工況下存在霜晶吹落現象，霜層厚度增長較慢且密度較大。

(3)室外換熱器低迎面風速對結霜工況下空氣源熱泵機組的平均性能十分不利，設計時應提高室外換熱器迎面風速，以降低霜層增長速度，減緩霜層堵塞翅片之間空氣通道的時間。