金屬翅片冷表面多孔性灰塵內水氣透濕過程的實驗研究

詹飛龍 胡尊濤 丁國良 張 浩

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

翅片管式換熱器利用空氣對流與外部環境交換熱量，在制冷領域中廣泛應用[1-3]。在換熱器長期運行過程中，大氣環境中的含塵氣流會通過換熱器表面，空氣所夾雜的灰塵顆粒物與換熱器表面發生碰撞，部分粉塵顆粒物附著在換熱器表面[4]。隨著運行時間增加，換熱器表面的灰塵顆粒物將不斷積聚并形成粉塵沉積層，導致換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，需要定期對換熱器進行清潔。

現有技術中針對空調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器安裝位置的限制，除塵麻煩且不及時。自清潔方法包括凝露除塵和結冰脹脫除塵。凝露除塵的原理是利用金屬冷表面析濕產生的凝水來沖刷灰塵[9]；但冷凝水與灰塵混合后會形成黏度大的濕灰塵，濕灰塵與金屬聯結更加緊密，導致濕灰塵更難以從換熱器表面脫落[10]。結冰脹脫除塵的原理是讓水氣透過灰塵直接在金屬冷表面結冰膨脹，濕灰塵從金屬表面脹脫，再利用化冰過程沖刷干凈。因此，利用灰塵透濕后結冰膨脹脫離是一種除灰徹底的清潔方法。

保證結冰脹脫除塵方法有效的關鍵是要有足夠的水氣透過多孔性灰塵在金屬表面冷凝結冰，因此需要掌握多孔性灰塵內的水氣透濕機制。現有的多孔介質傳熱傳質理論和模型，大多是將所研究的多孔介質對象看作是一種在大尺度上均勻分布的連續介質，并采用平均物性和空隙的平均幾何分布來研究多孔介質內的熱濕傳遞過程[11-12]。然而實際積灰層內部的顆粒物呈現雜亂隨機的排布，水氣在積灰層內滲透時首先在表層粉塵上析濕，并沿著水氣滲透路徑不斷在內部粉塵上析濕，冷凝水與粉塵團聚后會形成泥漿狀并阻隔水氣進一步滲透，導致積灰層內的水氣滲透路徑發生變化。這使得現有的采用固定滲透路徑假說的多孔介質模型[13-15]無法用于描述水氣在滲透路徑可變的多孔性灰塵內的透濕過程。

為了掌握多孔性灰塵內的水氣透濕機制以實現最佳的結冰脹脫除塵效果，必須開展針對性的實驗來研究水氣透濕特性。多孔性灰塵內的水氣透濕過程是外部濕空氣沿著灰塵內疏松多孔的滲透路徑到達金屬冷表面并冷凝成水的過程，而水氣透濕量與濕空氣相對濕度、灰塵厚度和金屬冷表面溫度有關，需要針對這些參數對多孔性灰塵內水氣透濕量的影響規律進行定量研究。

本文在空調器常見的工況下，實驗觀測多孔性灰塵在透濕過程中的表面形態變化，研究不同入口濕空氣相對濕度、灰塵厚度和金屬冷表面溫度對灰塵內水氣透濕量的影響。

1 多孔性灰塵水氣透濕的實驗方案

1.1 實驗原理及裝置

為了研究翅片表面多孔性灰塵的水氣透濕特性，本文設計并搭建了金屬翅片冷表面多孔性灰塵水氣透濕過程的可視化實驗臺。該實驗臺由3部分組成，包括：1)濕空氣發生系統，用于提供特定相對濕度、風速、溫度的濕空氣；2)可視化測試段，用于觀測并拍攝水氣透濕過程中多孔性灰塵表面形態變化；3)稱重系統，用于實時測量多孔性灰塵內的水氣冷凝量。

實驗臺原理如圖1所示。實驗原理為：將帶有積灰層的金屬翅片置于實驗臺的測試段，濕空氣發生系統將濕空氣輸送至可視化測試段，利用半導體制冷組件實現測試樣件表面的析濕；在灰塵樣件的析濕過程中，利用攝像機對灰塵樣件表面的形態進行拍攝，并利用稱重系統每間隔一段時間對水氣冷凝量進行稱量。

1濕空氣加熱裝置；2水氣混合箱；3功率調節器；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半導體制冷裝置；10分析天平；11升降裝置。圖1 灰塵透濕實驗臺及測試段Fig.1 Experimental rig and test section of water vapor permeation in porous dust layer

1.2 灰塵樣件及實驗工況

研究的灰塵樣件厚度按照實際使用約5～10年的換熱器表面的積灰層厚度范圍來確定，取3～8 mm。灰塵樣件的制備需要包括兩個步驟：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，金屬翅片的規格設置為100 mm×100 mm×2 mm；灰塵樣件的成分按照GB 13270—91的規定[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

研究的實驗工況參數包括入口濕空氣的相對濕度和金屬冷表面的溫度。入口濕空氣相對濕度按照一年中室外大氣相對濕度的變化范圍來確定，取15%～90%；金屬冷表面溫度按照室內空調蒸發器在正常運行時的表面溫度變化范圍來確定，取5～7 ℃。入口濕空氣的其他工況參數固定為入口溫度25 ℃、風速1.5 m/s。

2 數據處理及誤差分析

2.1 數據處理方法

為了研究金屬冷表面多孔性灰塵水氣透濕過程，需要得到灰塵樣件內水氣冷凝量與不同工況之間的關系。

灰塵樣件內水氣冷凝量可由式(1)求得：

m=m2-m1

(1)

式中：m為灰塵樣件內的水氣冷凝量，g；m1和m2分別為透濕前、后灰塵樣件的質量，g，由分析天平測得。

(2)

式中：S為灰塵樣件的表面積，m2。

2.2 誤差分析

實驗分析的參數包括測量參數和計算參數，測量參數包括空氣體積流量、灰塵樣件質量、空氣溫度和相對濕度，其誤差由所用儀器的精度得到；計算參數為水氣冷凝量，其誤差由Moffat[17]方法得到。測量參數和計算參數的誤差分析如表1所示。

表1 測量參數和計算參數的誤差分析Tab.1 Uncertainties of measurement parameters and calculation parameters

3 實驗結果與分析

3.1 水氣透濕過程中灰塵樣件的形態變化

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

圖3 不同時刻多孔介質灰塵表面透濕形變過程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構，顆粒物團聚體之間存在間隙，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部提供了進口通道。當干燥灰塵樣件表面溫度降低時，滯留在表面灰塵空隙內的濕空氣會首先冷凝并潤濕灰塵團聚體，灰塵顆粒物之間的力鏈作用將發生變化從而導致灰塵團聚體發生形變，使這些局部間隙的輪廓發生收縮。隨著水氣透濕過程的進行，灰塵樣件表面的顆粒物團聚體將被完全浸潤，此時灰塵樣件表層對冷凝水的吸收能力達到最大值，顆粒物團聚體的形變過程達到穩定，并將進一步阻止濕空氣向灰塵樣件內部滲透。

圖4所示為不同時刻灰塵樣件在厚度方向上經水氣透濕后的形貌變化過程。其中，圖4(a)所示為在未透濕、透濕5 min和透濕10 min時灰塵樣件在厚度方向上的形貌變化，圖4(b)所示為該過程的示意圖。由圖4可知，濕空氣從灰塵樣件表面向內部滲透的過程中，水氣會優先在分布疏松的灰塵間隙中滲透并潤濕灰塵，被潤濕的灰塵形成浸濕區；而對于分布密實的灰塵團聚體，水氣則難以直接滲透進去，只能由浸濕區中的水分在毛細力作用下擴散進來。

圖4 多孔性灰塵內部不同區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 金屬冷板溫度對水氣冷凝量的影響

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

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

由圖5可知，金屬冷板溫度越低，灰塵樣件內水氣冷凝量的增長速度越快，但當水氣透濕過程達到穩定時灰塵樣件內的最大水氣冷凝量基本保持一致。當金屬冷板溫度從7 ℃降至5 ℃時，灰塵樣件內的水氣冷凝速率平均提高約20%。

在相同的濕空氣相對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傳遞的速率越快，使得在實驗前期水氣在灰塵內的滲透冷凝速率較快；隨著水氣滲透過程的進行，冷凝水裹挾內部灰塵形成泥漿并堵塞滲透通道，水氣冷凝速率開始下降；當灰塵樣件完全被冷凝水浸濕時，灰塵樣件對水氣的滲透吸收能力達到最大值，冷凝水含量基本穩定。

3.3 積灰層厚度對水氣冷凝量的影響

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

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

由圖6可知，水氣透濕過程開始時，積灰層厚度越小，灰塵樣件內的水氣冷凝速率越大；隨著水氣透濕過程的不斷進行，厚度大的灰塵樣件內的水氣冷凝量更大。當灰塵樣件的初始厚度由3 mm增至8 mm時，灰塵樣件內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的水氣冷凝速率比大厚度灰塵樣件更大。隨著水氣透濕過程的進行，多孔性灰塵內的空隙逐漸被潤濕后的顆粒物團聚體堵塞，且由于受重力作用越靠近金屬冷板的灰塵團聚體的孔隙率越小，使灰塵內部的水氣冷凝速率逐漸降低。

3.4 相對濕度對水氣冷凝量的影響

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

由圖7可知，當入口濕空氣相對濕度較低時，隨著相對濕度的增加，灰塵樣件內的水氣冷凝量增加速率越大；當入口濕空氣相對濕度較大時，隨著相對濕度的增加，灰塵樣件內的水氣冷凝量增加速率降低；同時，當相對濕度低于30%時，多孔性灰塵內部不發生水氣冷凝現象。

圖7 入口濕空氣相對濕度對水氣冷凝量的影響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，濕空氣相對濕度越大，濕空氣能夠在冷的灰塵樣件表面及內部產生更多的冷凝液滴。而當濕空氣相對濕度降至某一臨界值時，由于經多孔性灰塵內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金屬冷板溫度條件下的水的飽和蒸氣壓，導致水氣無法在金屬冷板上冷凝；此時需要提高入口濕空氣的相對濕度或進一步降低金屬冷板的溫度才能驅動濕空氣在多孔性灰塵內滲透冷凝。

4 結論

本文設計并搭建了金屬冷板表面多孔性灰塵水氣透濕過程的可視化實驗臺，研究了金屬冷板溫度、灰塵樣件厚度和入口濕空氣相對濕度這3個實驗參數對多孔性灰塵表面形態變化及水氣冷凝量的影響，得到如下結論：

1)多孔性灰塵內由于顆粒物團聚體之間形成疏松多孔的結構，外界濕空氣會在這些由間隙組成的通道內滲透并冷凝，從而引起顆粒物團聚體發生形變。

2)金屬冷板溫度越低，灰塵樣件內水氣冷凝量的增長速度越快，但對于水氣透濕過程達到穩定時灰塵樣件內的最大水氣冷凝量沒有影響；當金屬冷板溫度從7 ℃降至5 ℃時，灰塵樣件內的水氣冷凝速率平均提高約20%。

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

4)高的入口濕空氣相對濕度有利于提高灰塵樣件內的水氣冷凝速率，當相對濕度低于30%時，多孔性灰塵內將不會發生水氣冷凝現象。