空气能热泵换热器结霜特性

在室外相对湿度较大的工况下，空气源热泵换热器表面极易发生结霜现象，使得换热器热阻 增加，除霜损失及系统耗能增加，引起系统cop下降。 本期，我们将通过控制环境室参数，对换热器表面结霜过程作分析，综合分析了换热器类型、翅片间距、相对湿度、环境温度对换热器的换热量、霜层厚度的影响，为实际改善换热器翅片结构、选取最优翅片间距提供理论依据，延缓热泵机组换热器表面结霜。

（本图仅供参考，不对应文中具体产品）

1、实验装置

实验系统如图１所示。环境室内空气的温、 湿度由冷却器、加热器及加湿器调节，并由焓差室ＰＩＤ控制系统保持在设定值。翅片管换热器安装在环境室风道吸入口处，采用高倍显微镜配合 ＣＣＤ 高速摄像机拍摄换热器翅片表面结霜过程，并通过西格软件对霜层厚度进行测量。

用热电偶对换热器进出口管壁温度、霜层表面温度进行测量，用压力变送器测量喷嘴前后压差，计算通过换热器的空气流量。被试换热器包括平片结构、开窗片结构以及波纹片结构，翅片间距分别为1.6ｍｍ、1.9ｍｍ、2.2ｍｍ。将1:1配比的乙二醇－水溶液注入ＡＹＨＷ －３０制冷恒温水槽，作为换热介质向被试换热器提供冷源。

2、结果分析

学界研究结果：环境温度为０ ℃ 左右时换热器表面霜 层生长速度最快，因此，我们选定为环境室内干球温度为０ ℃ ，相对湿度为７０％ ，换热器迎面风速为1.7ｍ/ｓ，载冷剂入口温度为－15℃ 。

从图 ２ 中可以看出，随着结霜时间的推移，不同翅片类型的换热器表面霜层厚度不断增加，且在相同结霜时间点，波纹片换热器表面的霜层厚度最大，平片换热器表面的霜层厚度最小。

总体来看，开窗片与波纹片换热器霜层厚度几乎与时间呈线性增加趋势，平片换热器霜层呈现“三段式”生长：

2． １ 翅片类型的影响

由图 ３ 可以看出，随着霜层的生长，空气侧压降不断上升，特别是在结霜后期，空气侧压降迅速升高，导致流经换热器的空气流量下降，这也是结霜后期霜层快速增长的原因之一。

同时，从图中可以看出，由于开窗片换热器结构复杂，在三种型式的翅片中其空气侧压降最大，而波纹片换热器空气侧压降居中。在实验中测量一个结霜周期最后时刻的空气侧压降，可知当霜晶铺满翅片间隙时，波纹片换热器的空气侧流动阻力比平片换热器高约１８％，比开窗片换热器低约 ８％ 。

由图 ３ 可以看出，随着霜层的生长，空气侧压降不断上升，特别是在结霜后期，空气侧压降迅速升高，导致流经换热器的空气流量下降，这也是结霜后期霜层快速增长的原因之一。同时，从图中可以看出，由于开窗片换热器结构复杂，在三种型式的翅片中其空气侧压降最大，而波纹片换热器空气侧压降居中。在实验中测量一个结霜周期最后时刻的空气侧压降，可知当霜晶铺满翅片间隙时，波纹片换热器的空气侧流动阻力比平片换热器高约１８％ ，比开窗片换热器低约 ８％ 。

结霜周期内，波纹片换热器的平均换热量分别比开窗片换热器和平片换热器的平均换热量高0.5％及3％。因此，从提高换热效率的角度考虑，实际应用中应优先选择波纹片换热器。

2． ２ 翅片间距的影响

对翅片间距分别为1.6ｍｍ、1.9ｍｍ、2.2 ｍｍ 的开窗片换热器表面结霜特性进行实验，探究翅 片间距对被试换热器表面霜层厚度以及换热量的 影响。试验工况为环境室内干球温度为０℃ ，相对湿度为７０％ ，换热器迎面风速为 1.7ｍ/ｓ，载冷剂入口温度为 -15℃ 。从图 ５ 中可以看出，在结霜初期，霜层厚度的增长速度较快，随着结霜时间的推移，霜层厚度开始呈缓慢增长的态势。

在实验中可以观察到，结霜初期，翅片表面结霜变化以纵向铺满翅片间隙为主；实验进行到35ｍｉｎ后， 表面结霜以横向密实化生长为主，纵向增长不明显。这也验证了前期研究中霜层先增加厚度，再增大密度的结论。

从图 ６ 中可以看出，随着结霜时间的增加，换热量先增大后减小，而不同翅片间距换热器在其 结霜周期中的平均换热量则呈现翅片间距越小平均换热量越大的趋势。这是由于三种换热器外尺寸是一样的，翅片间距越小，翅片数越多，换热面积越大。

但仅从一个结霜周期中的平均换热量来比较换热性能是不全面的，例如，1.6ｍｍ翅片间距的被试换热器在一个结霜周期内的平均换热量是最大的，但它的结霜周期很短，在空气源热 泵的实际应用中，结霜周期短意味着换热器表面需要频繁除霜，造成更大的除霜损失，同时，换热器的翅片间距越小，空气侧压降越明显（如图7所示），通过换热器的空气流量减小，使得传热恶化，引起空气源热泵系统的cop下降。

2． ３ 相对湿度的影响

对翅片间距为1.6ｍｍ 的开窗片换热器在不同的相对湿度工况下进行实验，比较环境相对湿度对被试换热器结霜特性的影响。实验工况为环境室内干球温度为 ０ ℃ ， 换热器迎面风速为1.7ｍ/ｓ，载冷剂入口温度为-15℃ ，相对湿度为６０％ 、７０％ 及 ８０％ 。

图 ８ 表示三种相对湿度下换热器表面霜层厚度增长曲线。从图 ８ 中可以看出，提高环境室内的空气相对湿度，加快了翅片表面的结霜速度；当环境室内的相对湿度较低时，霜层厚度几乎呈线性增长，若被试换热器处于高湿度的环境室内，结霜前期换热器表面霜层厚度迅速增长，随着实验的进行，霜层厚度增长速度放缓。这是因为霜层刚开始形成的时候增大了翅片管换热器的换热面积，随着霜层逐渐密实化，热阻增大，换热效果变差，结霜速 度下降。

从图 ９ 中可以看出，相对湿度越大，平均换热 量越大，这是由于空气传热系数随相对湿度的增大而增大，换热得到强化。需要指出的是，相对湿度对于空气侧流动阻力的影响较大，如图10所示，特别是对相对湿度为７０％ 和８０％ 的工况， 在结霜后期空气侧压降上升得非常快，这使得热泵室外机风扇流量降低，恶化换热器传热效果；同时，结霜周期的缩短也使得热泵系统需要频繁除霜，造成较大的除霜损失。

2． ４ 环境温度对换热器结霜特性的影响

对翅片间距为1.6ｍｍ 的平片换热器在不同 的环境室温度下进行实验，比较环境温度对换热器结霜性能的影响。实验工况为环境室内相对湿 度为70％ ，换热器迎面风速为 1.7ｍ /ｓ，载冷剂入 口温度为-15℃，干球温度分别设定为-5℃ ，-3℃ ，０ ℃ ，３ ℃ 。

图 １１ 表示不同环境温度下， 换热器表面霜层厚度增长曲线。从图中可以看 出，由于 ０ ℃—３ ℃时空气含湿量较高，霜层生长速度较快；当环境室内温度低于 ０ ℃时，空气含湿 量下降，霜层呈缓慢生长的趋势；霜层生长较快会引起空气侧流动阻力升高（如图 １２ 所示），结霜 周期变短，影响系统的ＣＯＰ。

来源：制冷热泵专家