Heat Exchanger曾敏：微通道換熱器結霜性能研究介紹

文_蘇亮

2022年6月16日，由中國家用電器研究院組織舉辦的第四次“空調行業鋁應用研討會”于線上順利召開。會上，西安交通大學曾敏教授對“微通道換熱器結霜性能研究”做了介紹。

“微通道換熱器結霜性能研究”主要基于OpenFOAM開源平臺，并通過自編程數值模擬，對濕工況下百葉窗翅片表面綜合性能和結霜情況進行了研究，本刊根據演講對主要內容進行了整理。

我國的資源狀況屬于“富煤缺氣少油”，而經濟發展需要消耗大量能源，使用化石能源會帶來霧霾等空氣污染。同時，隨著碳中和、碳達峰目標的確立，近幾年我國燃煤改革區域越來越廣，用戶逐漸轉向其他取暖方式，尤其是在農村城鎮自建房等供暖需求激增，空氣源熱泵在冬季供暖時，其具備的節能優勢就體現出來。

霜是由冰晶、空氣組成的多孔物質，結霜則是一種常見的物理現象，廣泛存在于大自然中，對航天、供暖、通風等多個行業領域產生重要的影響。由于熱泵的工作原理，熱量的傳遞是由低溫環境向高溫環境傳遞，蒸發器在冬天容易結霜，首先是翅片表面出現液滴，然后出現冰晶，最后形成密度越來越高的霜層，并逐漸影響熱泵的工作性能。

由于微通道換熱器具有緊湊度高、體積小、質量輕、制冷劑側阻力小、堅固耐用和換熱能力強等多個優點，應用領域廣泛，尤其是空氣源熱泵產品上應用很多，因此對微通道換熱器的結霜性能研究，具有較高的價值和意義，且已經有了一定的研究進展。

比如鄭州大學研究的“一種新型收腰型百葉窗翅片”，可以強化傳熱、增強霜層均勻性。南京北大工道軟件技術有限公司研究的“一種后掠型百葉窗翅片”，具有自清潔能力、抑制霜層生長等特點。還有許多國內外學者從均勻和非均勻排布、幾何參數、表面涂層、逆循環除霜、熱氣旁通除霜、震動除霜等方面進行了研究，但因為霜層的物理結構極其復雜、霜層冰晶形狀具有隨機性、物性（密度、導熱系數等）在不斷變化、二維模型向三維模型拓展的處理復雜、翅片內部霜層生長規律難以預測等技術難點，目前的研究現狀，仍存在霜層理想化模型的計算式計算霜層物性誤差大、霜層物性的非穩態物性的計算問題未解決、缺乏微通道百葉窗翅片的霜層生長預測方法等不足。同時，傳統實驗方法不能觀測微通道百葉窗翅片內部霜層生長情況，而使用放大模型的結霜實驗，又與實際情況存在一些差異。

所以，在這樣的背景下， 曾敏教授等人開展了基于OpenFOAM平臺的三維結霜數值模型。其中，傳質模型要解決從濕空氣轉移至霜層表面的水蒸氣質量通量、冷表面上的霜層密度、霜層生長速率等問題。傳熱模型要解決從濕空氣轉移至霜層的總熱通量、霜層的表面溫度等問題，這也是在對微通道換熱器結霜性能研究時必不可少的兩個模型。同時，在建立三維模型霜層的生長過程中，其關鍵是CFD模型中對任意三維區域中霜層生長進行描述。

有了基本模型之后，還需要進行驗證、試驗對比等，驗證三維模型的可靠性等等。有了三維模型就可以對微通道百葉窗翅片霜層生長進行較好的研究。最后，還可以基于人工智能預測霜層生長等等。

目前取得的主要研究結論包括，百葉窗間距越小，翅片的緊湊度越高，翅片前半部分的霜層生長更快，在較早時間內就會發生霜層堵塞現象，百葉窗翅片霜層前后均勻性較差。百葉窗高度越大，通道內部的濕空氣平均溫度更高，翅片各位置發生霜層堵塞的時間較晚，霜層前后區域的均勻性較好。在單一工況變化研究中，濕空氣進口速度主要影響翅片表面的霜層堵塞位置，冷壁面溫度主要影響翅片表面的局部霜層厚度，濕空氣進口溫度主要影響翅片前側的霜層分布，其對結霜率的影響較小。

曾敏認為，在后續的研究中可以考慮扁管中的制冷劑流動分配情況并對完整的微通道百葉窗翅片換熱器進行霜層生長模擬；同時，通過大量實驗數據，在提高人工智能預測精度的情況下，可以通過給定環境和幾何參數預測出結霜情況，可大大節省計算時間和資源。