干货：换热器表面颗粒物沉积过程！
本文我们将探讨学习换热器表面颗粒物沉积过程研究，以及换热器除尘技术研究进展。
1、换热器表面颗粒物沉积过程预测模型的研究进展
1.1 干工况下颗粒物沉积过程的模拟
通过建立干工况下颗粒物在翅片表面沉积过程的数学描述，来开发能够预测干工况下颗粒物在翅片表面沉积行为的预测模型。下图所示为颗粒物在干翅片表面沉积过程示意图。干工况下颗粒物沉积过程包括三个子过程：首先，颗粒物在气流的作用下传输到干净的翅片表面；其次，入射颗粒物会与干净翅片表面发生碰撞作用，部分颗粒物会沉积在翅片表面并形成污垢层，其余的颗粒物则会从翅片表面反弹；再次，后续的入射颗粒物会与污垢层表面发生碰撞，已沉积的颗粒物被碰撞后有可能从污垢层表面移除。因此，颗粒物在翅片表面的沉积过程需要依次包括颗粒物传输、颗粒物-翅片碰撞、以及颗粒物-污垢层碰撞这三个子过程。
颗粒物的传输特性可以由入射颗粒物在空气中的运动轨迹来描述。当入射颗粒物以零速度进入流场中时，流体与颗粒物发生动量交换导致颗粒物加速，颗粒物将在翅片间的流场中运动。颗粒物能否从流场中传输至翅片表面受临界Stk数（颗粒物与流体间做动量交换的弛豫时间与主流特征时间之比）的限制。如果颗粒物在运动过程中的Stk数大于临界Stk数，颗粒物容易偏离流线而与翅片发生碰撞；反之，颗粒物容易跟随流线运动而不与翅片表面发生碰撞。对于颗粒物在翅片表面的沉积模拟，只有能传输至翅片表面的那部分颗粒物才能与翅片表面发生碰撞并可能沉积在翅片表面。因此，模拟颗粒物在翅片间运动轨迹的关键是建立颗粒物在翅片间的传输子模型。
颗粒物-翅片碰撞作用会导致两种结果，即入射颗粒物在翅片表面沉积或者反弹，由临界碰撞角和临界沉积速度来决定。当入射颗粒物的碰撞角小于临界碰撞角且碰撞速度小于临界沉积速度，入射颗粒物将沉积在翅片表面；反之，如果入射颗粒物的碰撞角大于临界碰撞角或者碰撞速度大于临界沉积速度，入射颗粒物将从翅片表面反弹，而反弹后的颗粒物将继续在流场中运动。经颗粒物碰撞沉积后，翅片表面将覆盖一层污垢层。因此，在颗粒物-翅片碰撞模拟中需要解决两个关键问题：
（1）建立颗粒物沉积或反弹的判别条件；
（2）实现颗粒物-翅片之间碰撞作用和颗粒物-污垢层之间碰撞作用的切换。
颗粒物-污垢层之间的碰撞作用本质上为入射颗粒物与已沉积颗粒物之间的碰撞作用，除了入射颗粒物可能发生沉积或反弹外，已沉积颗粒物受碰撞后还可能发生移除（即从污垢层表面脱离）。其中，已沉积颗粒物的移除作用由临界移除速度来决定，当入射颗粒物的碰撞速度小于临界移除速度时，已沉积颗粒物将在污垢层上保持静止，反之将从污垢层表面移除。入射颗粒物的沉积作用和已沉积颗粒物的移除作用是同时发生的，因此在该颗粒物-污垢层碰撞模拟中需要解决两个关键问题：
（1）建立入射颗粒物沉积或反弹的判别条件；
（2）建立已沉积颗粒物发生移除的判定条件。
基于上述物理过程分析所建立的干工况下颗粒物沉积模型[8]能够准确预测翅片表面的积灰形貌，如下图所示，且能够在工程应用所允许的误差范围内准确预测翅片表面的颗粒物沉积率[27]。
图 干工况下颗粒物沉积模型预测结果与实验结果的对比
1.2 析湿工况下颗粒物沉积过程的模拟
在析湿工况下，研究者往往通过开发半经验关联式模型和理论分析模型[28,29]来预测和分析湿颗粒在换热器翅片表面上的沉积机理。半经验关联式模型是通过晶体传输理论与实验测量污垢热阻相结合所组成的模型。通过将晶体传输理论中的成核期、生长期和饱和期与污垢的产生、运输到表面、黏附在表面、从表面分离和沉积的老化这几个过程对应起来，再基于实验数据拟合得到相关的半经验关联式可以预测污垢的生长规律[30,31]。理论分析模型则考虑到污垢热阻随时间变化的两方面作用，即一方面，沉积的污垢会增大热阻；另一方面，污垢会被流体冲刷而使热阻减少。然而目前的模拟研究对于湿颗粒在空调系统中的物理沉积机理的认识还具有一定的局限性，研究者所开发的颗粒物沉积模型也只适用于各自特定的场所。特别地，当换热器处于析湿工况下运行时，翅片表面温度低于气体露点温度时会产生凝水，一方面凝水会冲刷粉尘，另一方面凝水的存在会改变换热器内部气流组织方式，从而改变颗粒的沉积机理，这些都需要通过深入地研究颗粒物沉积机理来加以解释。
析湿工况下颗粒物在翅片表面沉积的过程，是翅片表面析湿后，空气中的颗粒物运动传输至湿翅片表面被冷凝水捕集，从而形成湿积灰层的过程。在颗粒物沉积在湿翅片表面的初始阶段，含尘气流中的部分颗粒物有可能传输至冷凝水表面并立即被冷凝水捕集，其他颗粒物则将跟随气流运动从冷凝水表面逃逸；随着冷凝水捕集颗粒物过程的进行，翅片表面的含尘液滴逐渐演化为湿污垢层，含尘气流中的部分颗粒物传输至湿污垢层表面时会与之发生碰撞，并有一定的概率沉积在湿污垢层表面，其他颗粒物将跟随气流运动从湿污垢层表面逃逸，如下图所示。
对于析湿工况下的颗粒物沉积模型，可以利用翅片表面湿空气析湿模型来预测翅片表面的冷凝水分布，并借鉴干工况下颗粒物沉积模型的部分建模思路来进行开发[8,32,33]。
2、换热器除尘技术研究进展
开发换热器除尘技术及时去除换热器表面的积尘，从而改进换热器的长效性能，是保持空调器长期运行性能良好的关键。采用人工方式对换热器表面的积尘进行清扫，受到空调器安装位置的限制，且存在除尘不及时的问题。通过开发自动除尘方式来保障空调器长期运行性能，已成为空调器技术开发的热点[34]。自动除尘方式的选择取决于沉积灰尘的物理集聚特性，因此在开发换热器自动除尘技术时从灰尘疏松和紧密两种情况入手。
2.1 换热器表面疏松灰尘的去除
对于换热器表面的疏松灰尘，可采用在换热器表面形成局部高风速的方法来吹除，代表性技术如气流定向除尘技术[9]。该技术是在保持整个换热器吸风式空气驱动方式不变的前提下，通过设置外部风帘及相应的控制方式，实现风量在换热器不同流道位置中的加强，从而实现该处的除尘。图9给出了气流定向除尘技术的原理。在正常运行模式下，换热器的外置导向叶片全部打开，各导向叶片之间的空气平行流经换热器，实现流向换热器的空气流量最大化，如下图（a）所示。在定向除尘模式下，通过将前置风帘和后置风帘中的特定导向叶片呈一定角度打开、其他导向叶片闭合，可使空气在换热器内形成风速极大的定向空气流路，能够清除在该空气流路中堆积的灰尘，如下图（b）所示。
图 气流定向除尘技术原理
2.2 换热器表面紧密灰尘的去除
对于换热器表面的密实灰尘，上述的气流定向除尘技术将难以发挥效果，可采用灰尘内部结冰胀脱的方法来去除，即让积灰层吸湿后结冰膨胀剥离，再通过化冰使其脱落，如下图所示。在该方式中，首先将换热器表面温度降低至冰点以下，使水气透过灰尘并在金属冷表面上发生凝结；然后将形成的冷凝水进一步结冰并膨胀，将灰尘从金属表面剥离；最后提高换热器表面温度，将冰层融化以使剥离的灰尘脱落，从而实现自清洁。
2.3 防积灰结构优化思路
除了从灰尘颗粒物体特性入手进行研究外，优化设计换热器内部结构也是提高防积灰长效性能的重要手段。例如通过适当增大换热器迎风面的翅片间距来避免换热器迎风面出现灰堵，以及减小波纹高度、波纹角度、开缝数目等问题降低灰尘在翅片表面的附着面积。然而目前研究者对于空调换热器的设计往往都是从提高空气侧换热能力的角度出发，包括设计更复杂的翅片几何形状、加密翅片间距等，这些都会造成翅片表面更容易积灰。对于翅片管换热器的翅片结构设计需要找到防积灰能力与换热能力之间的平衡以同时满足换热器高效和长效的要求。
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