技术研究：湿工况下管排数对翅片管换热器表面积灰影响
翅片管换热器由于具有传热系数高、单位体积 换热面积较大、容易制造等优点，已被广泛应用于房间空调器中。
当翅片管换热器用作蒸发器时，其表面经常处于析湿工况，此时空气中的颗粒物容易吸附在表面含有冷凝水的翅片上，从而对换热器的性能衰减造成严重的影响。
此外，不同管排数的翅片管换热器其表面积、流动阻力等不同，导致换热器表面积灰程度不同，使得换热器整体性能有所差异。因此，为了能够深入探究析湿工况下积灰对翅片管换热器性能的影响规律，必须首先针对析湿工况下管排数对翅片管换热器表面积灰的影响进行研究。
现有析湿工况下翅片表面粉尘沉积特性的研究主要集中在含湿气流和淋水两个方面。含湿气流对粉尘沉积的影响主要体现在空气湿度上。水蒸气会湿润颗粒表面，当颗粒物相互靠近时会在接触点及其附近形成液桥，使得颗粒发生黏连从而改变颗粒体系的力学性质。与干燥颗粒相比，湿颗粒由于在颗粒间存在液桥黏附力，使得湿颗粒更容易在表面形成较厚的污垢层。淋水对粉尘沉积的影响主要体现在淋水量上，且随着淋水量的增大，粉尘沉积量的变化趋势是先增大后减小。
起初换热面上较少的水量有助于粉尘的粘附，随着淋水量的增大，换热面上大部分的污垢将会被淋水冲刷掉。经淋水清洗过后的换热器的性能能够基本保持与新换热器的性能一致。然而已有的这两个方面的研究均未考虑翅片表面发生析湿现象并附着有冷凝水时粉尘颗粒物的沉积作用，也没有考虑到管排数在析湿工况下对翅片管换热器积灰特性的影响，因此必须进行相关研究。
本文的目的是通过可视化实验，研究开窗翅片 管式换热器在析湿工况下的积灰特性，分析管排数 对粉尘沉积量、空气侧压降和换热量的影响。
1.1 实验原理及装置
换热器积灰可视化实验台由5部分组成，包括蒸汽发生系统、风道系统、粉尘发生系统、可视化测试段和称重系统。实验台原理图如图1所示。
实验原理如下：
蒸汽发生系统用于提供具有一定风速、温度和湿度的湿空气，粉尘发生系统用于提供具有一定质量流量的测试粉尘。
（1）利用风道系统将湿空气通入粉尘混合箱与测试粉尘相混合，形成具有一定风速、温度、湿度和特定浓度的含尘气流。
（2）利用半导体制冷组件实现测试样件表面的析湿。待测试样件表面完全析湿后，将符合实验工况的含尘气流通往可视化测试段，对析湿后的测试样件进行积灰实验。
（3）再利用称重系统对粉尘沉积量进行称量。蒸汽发生系统包括空压机、流量调节阀、加湿箱、电加热管、调压器、蒸汽混合箱、蒸汽调节阀、PID控温装置、温控探头、电加热棒。空压机用于提供一定压力和体积流量的干空气，流量调节阀用于调节干空气的流速，加湿箱通过电加热管加热水至蒸汽来提供湿蒸汽，调压器用于调节电加热管功率，蒸汽调节阀用于调节空气湿度。
PID控温装置 通过温控探头的温度反馈，自动调节电加热棒功率 来控制空气进口温度。蒸汽混合箱用于混合干空气与湿蒸汽，从而形成特定温度和相对湿度的气流。风道系统包括浮子流量计、连接法兰和风管。
浮子流量计用于测量气流流量。风管由不锈钢材料制作，用于引导气流至粉尘混合箱。粉尘发生装置包括控制柜、螺旋给料机和粉尘 混合箱。控制柜通过调节螺旋杆转速控制粉尘质量流量。螺旋给料机工作原理为：首先将粉尘填置于料机的螺旋叶片之间，然后利用控制柜调节螺旋杆转速，将粉尘按给定速率进入粉尘混合箱中，与风道中来流湿空气混合并形成含尘气流。
可视化测试段用于实现测试样件在析湿工况下的积灰过程，可观测换热器表面积灰分布、测量空气侧压降及换热量。测试段包括透明风罩、固定夹具、半导体制冷组件、压差传感器及温湿度传感器。半导体制冷组件是实现测试样件表面析湿的关键组件，包括测试样件、导冷铝板、半导体制冷片、 散热风扇、热敏电阻。
其工作原理如下：
半导体制 冷片通过导冷铝板为测试样件提供冷量，使样件表面析湿；散热翅片及散热风扇用于将热量散出。热敏电阻测量铝板温度，利用制冷温控装置进行反馈调节，从而使测试样件表面获得不同的析湿温度。压差传感器用于测量样件积灰前后的压差。温湿度传感器用于测量测试段进出口的空气侧温湿度。可视化测试段及半导体制冷组件原理图如图2所示。称重系统用于称量换热器表面积灰量，包括分析天平与电热真空干燥箱。电热真空干燥箱用于将测试样件表面粉尘烘干。分析天平用于称量烘干后的测试样件重量。
1.2 实验工况及测试样件
实验工况参数为管排数。本文中翅片管换热器管排数选为1排、2排和3排，覆盖常见的空调室 外换热器管排数，其实物图如图3所示。1 排、2排、3排管翅片样件长度分别为 12.7 mm、25.4 mm和 38.1 mm，样件宽高均为 20*84 mm，翅片间距均为 1.6 mm，管径均为 7 mm， 横、纵向管间距均分别为 21 mm、12.7 mm。实验工况选为入口空气温度25 ℃、相对湿度 70%、风速 v=1.5 m/s 及喷粉浓度 c=1.1 g/m3。实际大气中粉尘成分十分复杂，根据ASHRAE 协会的规定，人工合成测试粉尘中要求有72%的成分为二氧化硅和25%为炭黑。因此，为了保证实验中的粉尘能够涵盖大气粉尘中的基本成分，故选取的粉尘样品为平均粒径为10 μm的二氧化硅以及相应比例的炭黑，粉尘密度为2.2*103 kg/m3。
2.1 数据处理方法
本实验中压降数据可由压差传感器获得，粉尘沉积量、空气侧换热量数据则由特定关系式得出。
2.2 误差分析
本实验的实验参数包括直接和间接实验参数，直接实验参数误差通过实验仪器测量得到。间接实 验参数包括粉尘沉积量、空气侧压降、空气侧换热量，通过 Moffat方法可求得误差，如表1所示：
3.1 翅片迎风面粉尘沉积分布特征分析
图4(a)、(b)、(c)是不同管排数翅片管换热器样 件迎风面的积灰实物图。
由图4(a)、(b)、(c)可知，随着管排数的增加，换热器翅片表面积灰越来越严重。原因是在析湿工况下，当管排数增加时，一方面，换热器的表面积增大，使得气流中的粉尘颗粒与换热器接触发生碰撞沉积的概率增大，另一方面，析湿面积增加，粉尘与翅片表面液滴更容易形成粉尘污垢，不易从翅 片表面脱落，因而导致管排数大的换热器更易积灰。
3.2 管排数对粉尘沉积量的影响
图5给出了当翅片类型为开窗翅片、翅片间距为 1.6 mm 时，管排数对粉尘沉积量的影响。由图 5(a)可知，换热器样件表面粉尘沉积量随着管排数的增多而逐渐增大。积灰达到稳定时，管排数为3的换热器样件表面的积灰量比管排数为2和管排数为 1 的分别增加 18.7%和128.6%。这是因 为管排数增多时，增大了换热器与含尘气流的接触面积，使得含尘气流流动过程中与换热器表面发生碰撞的粉尘颗粒增多，从而增加了粉尘沉积量。
由图 5(b)可知，换热器样件单位面积粉尘沉积 量随着管排数的增多而逐渐减小。积灰达到稳定时，管排数为1、2 和3的换热器样件单位面积粉尘沉积量分别为 147.3 g/m2、142.3 g/ m2和112.6 g/ m2，管排数为3的换热器样件表面的单位面积积灰量比管排数为2和管排数为1的分别减小了20.9%和23.7%。原因是随着管排数的增大，粉尘在换热器样件表面的沉积总量增加，同时由于大管排数换热器的表面积也增加，从而导致单位面积积灰量较小。
3.3 管排数对压降的影响
图 6 给出了当翅片类型为开窗翅片、翅片间距 为 1.6 mm 时，管排数对压降的影响。
由图 6(a)可知，积灰导致空气侧压降增大。积 灰达到稳定时，管排数为1、2和3的换热器样件 空气侧压降分别增加了 918.3%、824.9%和 624%。这是因为，当含尘气流在换热器翅片及换热管间流动时，含尘气流中携带的粉尘颗粒物会与样件表面发生碰撞沉积，使得样件表面附着有大量的粉尘， 增大了流动阻力，从而导致换热器压降增大。由图6(b)可知，压降增强因子随着管排数的增多而逐渐减小。当积灰达到稳定时，管排数为 1、2和3 的换热器样件的压降增强因子分别为10.18、9.25和7.24。
原因是当管排数增加时，一方面，随着管排数的增加，空气侧压降增大；另一方面，管排数大的换 热器其积灰前的空气侧压降也较高，因而使得积灰稳定后的压降增强因子随管排数的增加而减小。
3.4 管排数对换热量的影响
图7给出了当翅片类型为开窗翅片、翅片间距为1.6 mm时，管排数对换热量的影响。
由图 7(a)可知，积灰导致换热器的换热量减小。当积灰达到稳定时，管排数为 1、2 和3 的换热器样件换热量分别减小了 52.6%、50.5%和 45.2%。这是因为，当含尘气流在换热器翅片及换热管间流动时，其携带的粉尘颗粒物与换热器表面发生碰撞沉积，使得样件表面沉积有大量的粉尘，减小了换热面积，增大了受热面的热阻，导致换热器换热量减小。
由图 7(b)可知，换热量衰减因子随着管排数的增多而逐渐减小。当积灰达到稳定时，管排数为 1、 2和3的换热器样件的换热量衰减因子分别为0.53、0.50 和 0.45。原因是当管排数增加时，一方面，含尘气流总换热面积增加，使得换热器换热量增大，另一方面，管排数大的换热器其积灰前的空气侧换热量也较高，因而使得积灰稳定后的换热量衰减因子随管排数的增加而减小。
1）析湿工况下，开窗翅片管式换热器的管排数越多，单位面积粉尘沉积量越小。管排数为 3 的 换热器样件单位面积粉尘沉积量比管排数为2和管排数为1的分别减小了20.9%和 23.7%。
2）管排数越大，空气侧压降增幅越小。对于管排数为1、2和3的换热器样件，积灰导致空气侧压降分别增加了918.3%、824.9%和624.0%。
3）管排数越大，换热量衰减幅度越小。对于管排数为1、2和3的换热器样件，积灰导致换热量分别减小了52.6%、50.5%和 45.2%。