【HETA】HVAC应用中空气侧换热器结垢的文献综述

在普渡大学制冷空调技术研讨会上，俄克拉荷马州立大学机械与航空航天工程系的Omer SARFRAZ介绍了结垢机制及其对暖通空调系统管式翅片换热器性能的影响，值得推荐。研究者对相关文献进行了检索和整理，并综合得出结论：

  • 结垢会降低换热系数并增加整个换热器空气侧压降，从而降低换热器性能。

  • 结垢取决于许多因素，包括结垢物质类型和浓度、结垢物质颗粒大小和气流速度。

  • 结垢还取决于换热器的设计，例如：换热器形状、翅片形状和翅片间距等。

  • 结垢对空气侧压降的影响大于其对换热系数的影响。

  • 暖通空调系统换热器结垢的研究显示，结垢对系统效率的实际影响还取决于所使用的制冷剂类型。

背景
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暖通空调系统广泛应用于住宅、商业和工业系统。近年来，空冷系统更多地代替水冷系统；在没有足够冷却用水的地方，风冷冷凝器更是唯一选择。由于空冷换热器在暖通空调设备中的大量使用，对其结垢现象进行分析非常必要。
通常将结垢定义为颗粒在换热器表面的积聚和增长。它往往会降低换热器在设计条件下的性能。由于结垢物质的热导率通常小于换热器表面材料的热导率，所以结垢会降低换热性能。而且，换热器表面结垢还会阻碍空气流动，引起压降增加，从而降低风速，减少传热。此外，压降增加会导致风机功率增加，这也是结垢导致系统能效下降的另一重要因素。
结垢发生在风冷热泵空调系统的蒸发器和冷凝器。结垢物质包括从纺织纤维和霉菌混合物到空气中的尘埃和颗粒物质等。人们进行了大量研究来分析结垢对暖通空调应用中的换热器性能的影响。Awad（2011年）对传热面的结垢进行总体研究后发现，结垢物质通常包含无机物质（例如尘埃、砂粒、泥浆和淤泥等）和有机物质（包括生物物质和碳元素等）。除了结垢物质本身，一些换热器的结垢还取决于其设计和所使用场合。Ali&Ismail（2008年）研究了热交换性能对蒸发器侧结垢的影响，而Pak等人（2005年）则对冷凝器侧结垢进行了分析。Qureshi & Zubair（2011年）研究了在三种空气侧结垢情况下的系统性能：仅蒸发器侧结垢、仅冷凝器侧结垢、蒸发器和冷凝器侧都结垢。
结垢机理
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根据气流中颗粒物质，换热器材料和几何形状的不同，会出现不同类型的结垢现象。Awad（2011年）将这些现象分为：
  • 颗粒结垢：由悬浮颗粒在换热器表面上积聚而产生。颗粒结垢可进一步分为湍流扩散、布朗扩散、重力沉降、惯性碰撞、热泳和电泳。

  • 沉淀结垢：由饱和溶液中存在溶解盐而产生。饱和盐在温度变化时发生结晶，从而形成沉淀结垢。

  • 化学反应结垢：由液流中存在的颗粒之间发生化学反应而产生，换热器表面可充当催化剂。

  • 腐蚀结垢：由传热面与液流之间发生电化学反应而产生。相比其它结垢类型，腐蚀结垢会对换热器造成永久损伤。

  • 生物结垢：由液流中存在附着，微生物在换热器表面生长而产生。

  • 冷冻结垢/结霜：由液体在传热面上发生冻结而产生，如冬季换热器结霜。

对于暖通空调换热器，主要结垢机制为颗粒结垢、生物结垢和冷冻结垢。
生物结垢
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生物结垢的发生是由于气流中存在微生物，这些生物物质长期存在于换热器表面的水份和沉积物质中得到滋养。Pu（2009年）分析了铜管亲水涂层波纹翅片换热器的生物结垢。黑曲霉被选用，在换热器表面生长。在生物结垢面积比为60%时：空气侧压降增加了21.8%（0.5m/s）和43.1%（2m/s）。在气流速度2m/s时，传热系数在生物结垢面积比为10%和60%时，分别下降了7.2%和15.9%。生物结垢会导致换热器表面的亲水涂层脱落，从而导致冷凝水留在翅片表面，增加真菌生长。
颗粒结垢
换热器结垢取决于以下因素：
翅片类型；
管排数；
换热器类型；
翅片间距；
制冷剂类型；
过滤器（若有）
Pak等人（2005年）在管排数的基础上研究了换热器的性能。发现积聚在单排冷凝器上的粉尘量占所注入的总粉尘量的30-50%，而积聚在双排冷凝器上的粉尘量占所注入的总粉尘量的60-67%。然而，双排和单排冷凝器压降的相对增加几乎是相同的，因为结垢物质积聚在翅片前端，两种冷凝器的堵塞相似。并且，双排冷凝器结垢前后的换热优于单排冷凝器。
贝尔＆格罗尔（2010年）研究两种不同类型的换热器的性能：板翅式换热器和微通道换热器。对于相同类型的等量粉尘物质，微通道换热器的性能受到的影响要大于板翅式换热器。
库雷希＆祖拜尔（2011年）使用模拟模型分析了结垢对使用不同制冷剂的系统效率的影响。他们将R134a、R407C和R410A放在一组（蒸发温度=0℃），而R717、R404A和R290放在另一组（蒸发温度=-25℃）。他们使用了三种不同情况的模型进行模拟：仅冷凝器结垢、仅蒸发器结垢、蒸发器和冷凝器都结垢。他们发现：
  • 相比仅蒸发器结垢的情况，在仅冷凝器结垢情况下的性能系数（COP）更低。这是由于在仅冷凝器结垢情况下，压缩机功率需求增加。在仅蒸发器结垢的情况下，冷却能力降低，压缩机功率要求也降低，导致性能系数降低幅度减弱。

  • 在蒸发器和冷凝器都结垢的情况下，压缩机功率要求在仅冷凝器结垢和仅蒸发器结垢这两种情况之间。然而，性能在蒸发器和冷凝器都结垢的情况下比另外两种情况下更低，因为结垢对蒸发器侧和冷凝器侧的影响会降低制冷能力。

  • 在第一组制冷剂当中，R134a表现最好；在第二组制冷剂当中，R717表现最好。

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