翅片管換熱器是空調系統中常用的換熱器類型，減小其空氣側流動阻力能夠有效降低空調器功耗并提升整體能效。目前，換熱器流動阻力增大的一個重要原因是長期積塵導致換熱器翅片表面嚴重堵塞。因此，本文我們將通過實驗來探討翅片管換熱器在析濕工況下的積灰特性及對換熱器空氣側壓降的影響。

1、實驗原理與測試樣件

1.1實驗原理及裝置

為了研究析濕工況下翅片管換熱器表面的積灰特性及其對空氣側壓降的影響，本實驗設計了換熱器積灰可視化實驗臺。

該實驗臺由 3 個系統和連接風道組成:

1) 濕空氣系統，用于提供特定濕度、風速、溫度的濕空氣;

2) 粉塵系統，用于提供特定質量流量的粉塵;

3) 可視化測試段，用于定時觀測并拍攝翅片表面積灰形貌，實時測量翅片積灰后的壓降。連接風道用于將濕空氣系統提供的濕蒸汽與粉塵系統提供的粉塵混合形成含塵氣流并送入可視化測試段。

此外，為稱量粉塵質量，設計了獨立的稱重系統。記錄不同時間段的粉塵沉積量數據。直到樣件積灰量達到穩定，實驗結束。可視化測試段用于實時觀測樣件表面粉塵沉積形貌并測量積灰過程中的壓降。

1.2測試樣件及實驗工況

本文選取的測試樣件覆蓋了常見空調換熱器的翅片類型及翅片間距。翅片類型為空調室內機常用 的波紋翅片和開窗翅片，為了更深入地對比翅片類型的影響，選取平直翅片作為對比實驗。翅片間距范圍選為空調器中常用的1. 5～2. 2 mm。

3 種翅片類型的測試樣件相同的結構參數為: 寬 × 高 × 長( x × y × z) = 20 mm × 84 mm × 25. 4 mm; 管徑dt = 7 mm; 管間距( Pt × Pl ) 21 mm × 12. 7 mm; 管排數為2。各類型的翅片間距如表1所示。

實驗工況包括測試段進口溫度 25 ℃、進口相對濕度 80% ，進口風速 1. 5 m / s。由于實際大氣中粉塵濃度低，實驗中需要高粉塵濃度才能加速粉塵沉積進程，因此本文的噴粉濃度選為 10. 8 g /m3 。粉塵成分按照 GB 13270—91 規定，由包含 72% 的白陶土和 28% 的炭黑組成，平均粒徑為 15 μm。

2、實驗結果和分析

2.1 翅片表面液滴分布

下圖所示為 3 種不同翅片類型換熱器樣件表面析濕液滴分布實物圖。

由( a) 可知，平直翅片表面光滑平整，濕空氣流經時形成均勻流場，液滴分布均勻; 波紋翅片表面 的波紋凹凸結構使得流場分布不均，導致液滴呈團聚分散狀; 開窗翅片表面的開縫有擾流作用，液滴多凝 聚在開縫處且體積較大。

由( b) 可知，液滴在翅片間會生長凝聚成液橋。平直翅片表面平滑，液滴受到重力作用易滑落，翅片間液橋較少。波紋翅片表面的波紋凹凸增大了液滴的附著面積，使液橋較多。開窗翅片表面開縫前后對稱，液橋受到的對稱表面張力使得液橋數目多、體積大，多分布在開縫處。

2. 2 翅片表面濕粉塵沉積分布

下圖所示為3種不同翅片類型的換熱器樣件表面濕粉塵沉積分布實物圖。

析濕工況下積灰情況受翅片結構的影響，粉塵覆蓋程度由高到低依次為開窗翅片、波紋 翅片、平直翅片。平直翅片與含塵氣流的接觸面積小、翅片間液橋少，降低了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。波紋翅片的波紋狀表面增大了液滴的接觸面積，從而形成更多液橋，增大了粉塵顆粒碰撞沉積的概率。開窗翅片對稱的開縫結構使翅片間形成大量的大體積液橋，嚴重阻礙了含塵氣流的通過，極大地增加了含塵氣流中粉塵顆粒碰撞沉積的概率。

2. 3 翅片類型對粉塵沉積量及壓降的影響

在相同積灰環境下粉塵沉積達到穩定時，翅片表面的粉塵沉積量和單位面 積粉塵沉積量由大到小依次為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了 29. 6% 和 62. 8% ，單位面積粉塵沉積量分別增加了 35. 8% 和 58. 9% 。

開窗翅片表面開縫處更易形成大體積液滴與液橋，極大增加了粉塵顆粒碰撞沉積的概率，導致翅片幾乎被*堵塞。而平直翅片在析濕工況下形成較少的液滴與液橋，粉塵碰撞沉積的概率明顯小于開窗翅片。

相同積灰環境下粉塵沉積達到穩定時，與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片的空氣側壓降分別增大了 19. 4% 和 54. 7% 。這是因為積 灰后壓降與翅片堵塞情況呈正相關，粉塵堵塞情況越 嚴重，則流經翅片的含塵氣流受到的空氣阻力越大，導致空氣側壓降越大。

2.4 翅片間距對粉塵沉積量及壓降的影響

相同積灰環境下粉塵沉積達到穩定時，翅片表面的粉塵沉積量和單位面積粉塵沉積量均隨片距的減小而增大。與 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比，1. 5 mm 片距樣件表面粉塵沉積量分別增加了 17. 4% 和 40. 7% ，單位面積粉塵沉積量增加了 6. 2% 和 17. 2% 。這是因為換熱器尺寸一定時，總換熱面積隨翅片間距的減小而增大，又由于小片距在翅片間更易形成液橋，從而增大粉塵顆粒碰撞 沉積的概率。

相同積灰環境下粉塵沉積達到 穩定時，翅片空氣側壓降隨翅片間距的減小而增大。與 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比，1. 5 mm 片距樣件的 空氣側壓降分別增加了 16. 0% 和 32. 1% 。這是因為翅片空氣側壓降與翅片迎風面的堵塞情況呈正相關，翅片間距越小的翅片其粉塵堵塞情況越嚴重，導致空 氣側壓降越大。

2.5 粉塵沉積量對壓降的影響

不同種翅片類型下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側壓降先增大后達到臨界點( 圖中虛 線所示) ，開窗翅片的臨界點高。在積灰的初始階段，粉塵與翅片及液橋發生碰撞而不斷沉積，導致空 氣的流動阻力不斷增加，空氣側壓降增大。當粉塵沉 積穩定時，此時空氣流道的堵塞情況基本穩定，空氣側壓降變化達到穩定。又因開窗翅片間液橋多，導 致粉塵堵塞嚴重，空氣側壓降大，臨界點達到高。

不同種翅片間距下，隨著粉塵沉積量的增加，空氣側壓降先增大后達到臨界點，翅片間距越小的翅片臨界點越高。這是因為在相同的積灰環境下，翅片間距越小的翅片其換熱面積越大，翅片 間液橋越多，使得粉塵更易碰撞沉積且不易脫落，導 致粉塵*堵塞翅片，空氣側壓降增大明顯，臨界點達到高。

3、過濾網和冷凝水對積塵的影響

3.1 過濾網對積塵的影響

過濾網的設置會對積塵成分和積塵分布形態產生影響。沒有過濾網時，含塵氣流將直接吹向換熱器 表面，使得空氣中的顆粒物容易沉積在換熱器迎風面。此外，大氣中的纖維也容易粘附在換熱器表面，由于纖維對顆粒物具有捕集效應，從而有可能加劇換熱器表面的積塵程度。而有過濾網時，過濾網的孔徑大小會對積塵成分和積塵形態產生影響。

當過濾網的孔徑足夠小時，一方面，含塵氣流在吹向換熱器表面之前，氣流中的部分顆粒物會預先沉積在過濾網上，減少顆粒物在換熱器表面的沉積量; 另一方面，過 濾網會阻隔纖維進入換熱器，進一步降低了換熱器表 面的積塵風險。本文針對不設置過濾網時析濕工況下的積塵特性進行研究，針對過濾網對積塵影響的研 究將在后續工作中展開。

3.2 冷凝水對積塵的影響

冷凝水對積塵具有加速沉積和清潔兩種作用，由凝水量的大小決定。

凝水量小時，由于水對顆粒物具有粘附作用，且顆粒物間的液體飽和度不高，積塵形態主要為黏糊狀的粉塵污垢層，會起到加速積塵的效果。

凝水量大時，水對顆粒物的粘附作用會達到飽和，顆粒物間的液體飽和度較高，積塵形態主要為液滴狀的粉塵污垢，液滴的聚集滑落會起到清潔的效果。

因此，當積灰量較小且凝水量足夠大時，冷凝水對積灰會起到沖刷清潔的作用。本文研究發現， 平直翅片在析濕時積灰速度慢且積塵量小，表明 冷凝水對表面平整的平直翅片的清潔效果比對波紋翅片和開窗翅片更加明顯。

4、結論

1) 當換熱器處于析濕工況下運行時，翅片表面的析濕量決定其積灰程度，析濕液滴分布越密集、液橋數量越多，翅片迎風面的堵塞程度越嚴重且空氣側壓降越大。

2) 開窗翅片表面積灰多，積灰后壓降增加明顯。與波紋翅片和平直翅片相比，開窗翅片表面粉塵沉積量分別增加了29. 6%和 62. 8% ，空氣側壓降分別增大了 19. 4% 和 54. 7% 。因此降低翅片結構復雜度能夠減少翅片表面析濕，從而減輕積塵程度并降低空氣流動阻力。

3) 小片距的換熱器表面更易沉積粉塵，積灰后壓降更大。翅片間距為 1. 5 mm 的翅片比 1. 8 mm 和 2. 2 mm 的翅片表面粉塵沉積量分別增加了 17. 4% 和 40. 7% ，積灰后壓降分別增加了 16. 0% 和 32. 1% 。 因此適當增大翅片間距能夠降低粉塵沉積量并降低空氣側壓降。

4) 在積灰過程中，隨著換熱器表面粉塵沉積量的增加，空氣側壓降先增大后趨于穩定。

翅片沖床是空調的重要部件。

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