肖宏新1       陈观生1       刘良德1       罗超鸿1       刘湘云1       李建国2

( 1 广东工业大学材料与能源学院  广州  510006 ; 2 广东博鱼(中国)官方网站新能源科技发展有限公司  广州  511300)

摘要：为改善空气源热泵室外翅片盘管换热器在低环境温度下沿空气流动方向结霜不均匀、首排结霜量较大进而导致热泵除 霜间隔较短、制热能力下降等问题，对不同翅片片距组合的变片距翅片盘管换热器在低环温工况下运行及结霜的情况进行实验 研究 。结果表明 : 变片距翅片盘管换热器在低环温条件下可有效延长迎风面管排发生结霜堵塞的时间、对于结霜生长速度和结 霜质量也有抑制作用 。变片距翅片盘管换热器在结霜中后期阶段换热功率更高，在合理的翅片间距组合下，变片距翅片盘管换 热器可以在不损失过多换热功率的情况下延长换热器迎风面管排结霜堵塞的时间，如 样 品 4 的平均换热功率比样品 1 低 6. 02%，而除霜间隔延长了 37 min。

关键词：空气源热泵 ; 变片距 ; 结霜工况 ; 翅片盘管换热器

中图分类号 : TB61+ 1 ; TB657. 5      文献标识码 : A

 

Experimental Study on Frosting Characteristics of Three-row Finned Tube Heat Exchanger with Different Fin Pitch

Xiao Hongxin1       Chen Guansheng1       Liu Liangde1       Luo Chaohong1       Liu Xiangyun1       Li Jianguo2

( 1． School  of  Materials  and  Energy ， Guangdong  University  of  Technology ， Guangzhou ， 510006 ， China ;

2．Guangdong New Energy Technology Development Co．，Ltd．，Guangzhou，511300，China)

Abstract   The limitations of non-uniform frosting along the direction of air flow and large frost mass in the first row of the finned tube heat exchanger  of an air-source heat pump under low ambient temperature may cause a short defrost interval，heating capacity decline，and oth- er negative effects．To overcome these challenges，an experimental study was conducted on finned tube heat exchangers with different fin pitches operating at low ambient temperatures．The results show that finned tube heat exchangers with different fin pitches can prolong the frosting blocking time of the windward tube row．This inhibits the frosting rate and frost quality and reduces the heat loss caused by fre- quent defrosting，which is also beneficial for increasing the total heat transfer in one defrosting cycle．The heat transfer capacity of the finned coil heat exchanger  with variable pitch is higher in the middle and later stages of frosting．Under a reasonable combination of the fin pitch，the finned coil heat exchanger with variable pitch can prolong the frosting blocking time of the windward side of the heat exchanger without losing substantial heat transfer capacity．

Keywords   air-source heat pump ; different fin pitch ; frosting condition ; finned tube heat exchanger

 

近年来，我国北方地区在“煤改电”政策推动下， 空气源热泵得到了快速的发展和应用 。相比传统的

供暖方式，空气源热泵具有节能高效、清洁安全等诸 多优势 [1－4] ，但在低环境温度工况下，如在北方冬季 低温高湿度地区，当空气源热泵的翅片盘管蒸发器表 面温度低于空气的露点温度且低于 0 ℃ 时，换热器表 面会出现结霜现象 [5] 。霜层不仅增大了翅片盘管表面传热热阻，且结霜严重时会造成翅片之间气流的流 通受阻，导致气流阻力过大，气流量减小，大幅降低室 外蒸发器的传热效率，造成室外蒸发器不能满足换热要求，同时风机长期在这种不利工况下工作也容易损 坏 [6－7] 。此外，对于固定翅片间距的翅片盘管蒸发器，在低温高湿工况下空气源热泵供热过程中，容易 造成蒸发器前后管排结霜不均匀，通常迎风面翅片盘 管结霜最快，更容易导致空气通道堵塞，需要及时化霜，但频繁的化霜会带来供热系统运行不稳定，增加 能耗的问题 [8－9] 。

针对低环境温度条件下蒸发器的结霜问题，近年 来国内外学者进行了大量研究，为空气源热泵在低温 条件下运行的性能提升和除霜设计提供了一定的依 据和参考 。  由于结霜需要空气中的水分，有学者研究 通过固体或液体干燥剂降低蒸发器入口空气湿度，干燥装置能抑制结霜的形成，延长除霜间隔，但干燥装 置的结构较复杂，成本较高 [10－11] 。蒸发器的布置结构也会影响换热性能，在低温结霜工况下，蒸发器横排布置的结构在结霜与化霜特性上优于竖排布置结 构 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百叶窗翅片盘管 换热器翅片中心安装涡流发生器，延缓了换热器前侧 结霜太快导致的堵塞，并 提 升 约 28% 的 换 热 性 能。 黄康等 [14] 研究翅片盘管换热器结构对霜层生长的影 响，发现 1. 9 mm 翅片间距换热器的平均换热性能最 优，平翅片盘管换热器换热表面结霜较慢但换热量较 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空气源热泵机组室 外盘管换热器在两种翅片间距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的结霜分布差异，发现 3. 2 mm 翅片间距更有利于确 保热泵供热的稳定性，更适用于低温 地 区 。K．Kim 等 [16] 对 3 种表面处理过的翅片换热器设置不同翅片 间距并进行结霜实验，发现疏水翅片盘管换热器因结 霜延迟，在循环结霜周期中的整体传热效率最大 。秦 海杰等 [17] 研究了变片距 ( 10 mm 和 5 mm) 空冷器结霜工况下的性能，数值仿真与实验结果表明变翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更长除霜周期和更 好的传热性能。

由上述研究可知，结霜工况下翅片片距对翅片 盘管换热器具有重要影响，而目前许多研究集中于 两排固定大片距与常规间距的对比，对三排变片距构也会影响换热性能，在低温结霜工况下，蒸发器横排布置的结构在结霜与化霜特性上优于竖排布置结 构 [12] 。J．S．Park 等 [13] 研究表明，在百叶窗翅片盘管 换热器翅片中心安装涡流发生器，延缓了换热器前侧 结霜太快导致的堵塞，并 提 升 约 28% 的 换 热 性 能。 黄康等 [14] 研究翅片盘管换热器结构对霜层生长的影 响，发现 1. 9 mm 翅片间距换热器的平均换热性能最 优，平翅片盘管换热器换热表面结霜较慢但换热量较 小 。Zhang Long 等 [15] 定量研究了空气源热泵机组室 外盘管换热器在两种翅片间距(2 mm 和 3. 2 mm) 下 的结霜分布差异，发现 3. 2 mm 翅片间距更有利于确 保热泵供热的稳定性，更适用于低温 地 区 。K．Kim 等 [16] 对 3 种表面处理过的翅片换热器设置不同翅片 间距并进行结霜实验，发现疏水翅片盘管换热器因结 霜延迟，在循环结霜周期中的整体传热效率最大 。秦 海杰等 [17] 研究了变片距 ( 10 mm 和 5 mm) 空冷器结霜工况下的性能，数值仿真与实验结果表明变翅片片 距空冷器相比定片距空冷器具有更长除霜周期和更 好的传热性能。

由上述研究可知，结霜工况下翅片片距对翅片 盘管换热器具有重要影响，而目前许多研究集中于两排固定大片距与常规间距的对比，对三排变片距翅片盘管换热器的研究较少，因此本文采用不同翅间距的翅片盘管换热器串联组合的方式进行实验研究，以低温恒温槽提供恒定温度的乙二醇-水溶液作为制冷工质，通入样品翅片盘管换热器内，研 究不同翅片间距组合对于换热器整体换热性能和结霜特性的影响 。

 

1 、实验对象与装置

实验对象为 4 种不同翅片片距的翅片盘管换热 器，如图 1 所示，4 种翅片盘管换热器翅片间距分别 为 2、3、4、5 mm，均由 6 根铜管组成，其中铜管外径均 为 9. 52 mm，管间距均为 25 mm，翅片均为亲水波纹 翅片，翅片厚度均为 0. 15 mm 。每台翅片盘管换热器 均有一个进口和一个出口，通过软管将 3 台翅片盘管 换热器串联成 5 组不同翅片间距组合的三排翅片盘 管换热器样品，三排翅片盘管换热器样品的翅片间距 组合如表 1 所示，将迎风面管排视为第一排，样品 2 翅片间距 4 mm× 3 mm×2 mm 表示第一排、第二排、第 三排翅片盘管换热器翅片间距分别为 4 mm、3 mm、2 mm 。样品 1 为固定片距 2 mm×2 mm×2 mm 的三排 翅片盘管换热器，样品 1 作为对照组 。换热器的工质 流向方式如图 2 所示。

实验系统原理如图 3 所示 。实验在焓差实验室 中进行，以获得实验所需的低环温工况 ( 温度 : 2 ℃ ± 0. 2 ℃ ，湿度 : 85% ±2%) ，热电偶通过与数据采集仪连接，自动采集工质进出口和空气进出口的温度数 据 。轴流风机通过调压器在 0 ~ 220 V 范围内调整输 出电压，从而改变风机风速和风量 。实验中风机调至 固定电压 140 V，风速由手持风速仪采集测量，由于 结霜进行风量会相应改变，风速每 1 min 测量一次， 并测量多个点取平均值作为单次测量风速。

实验采用体积分数为 50% 的乙二醇-水溶液作为 工质，低温恒温槽将槽内的工质制冷到一定温度后， 以恒定流量 (0. 92 ~ 0. 96 L / min) 通入样品换热器内 形成循环回路 。低温恒温槽(型号 : DC－2006S) 控温 范围为－20 ~ 100 ℃ ，恒温波动性 为 ± 1 ℃ 。工 质 入 口、出口以及通过换热器的空气进、出口设有 T 型热 电偶，误差范围为 0. 75% ~ 1% 。数据采集仪 ( 型号 : Agilent 34972A) 与电脑组成数据采集系统，数据采集

仪精度为 0. 004% 。玻璃转子流量计的测量范围为 6 ~ 60 L / H，精度等级 4 级 。空气进出口设有湿度计， 精度为±2%，使用高精度电子秤称量结霜质量，电子 秤精度为 0. 1 g 。实验中采用吸风式进风，在管道连 接完成后恒温槽以固定的流量输出工质，实验中风机 不与亚克力风道直接接触，避免对结霜电子秤示数产 生影响，同时在实验过程中不会人为接触到管道或其 他部件，管道维持稳定状态 。  电子秤示数稳定会以亮 灯显示，根据电子秤稳定亮灯提示每隔 1 min 记录一 次结霜质量数据。

2、数据处理

数据处理采用对数温差法 。实验测得的温度参 数分别计算工质溶液侧换热功率 Qr  和风侧换热功率 Qa ，取两者的算数平均值作为样品换热器总换热功 率 Qhx :

3、实验结果及分析

3. 1 变片距对结霜厚度的影响

实验从系统运行开始，每隔 10 min 拍摄一次样 品换热器迎风面管排翅片间距内的结霜图片，当迎风 面管排完全结霜且结霜量增加不显著后停止实验，并 以此作为一个结霜周期 。  图 4 所示为各样品迎风面 管排结霜情况 。样品 1 ~ 5 的迎风面管排结霜堵塞的 时间分别为 53、63、82、90、92 min 。与固定片距样品 1 相比，各组变片距换热器样品的结霜堵塞时间均有 所增加 。样品 3 提高了迎面风管排的翅片间距后，结 霜堵塞时间相比样品 2 延长了 19 min 。  由样品 3、4、 5 的结霜堵塞时间可知，提高第二排或第三排的翅片 间距也可以延长换热器迎风面管排结霜堵塞的时间，样品 4 比样品 3 延长了 8 min，样品 5 比样品 4 延长 了 2 min 。可以看出在三排翅片盘管换热器中，提升 每一排的翅片间距均有利于延长迎风面管排结霜堵 塞的时间，其中提高迎风面管排的翅片间距对于延长 迎风面管排结霜堵塞时间最有效，第二排次之，第三 排影响最小。

3. 2 变片距对结霜量的影响

各样品换热器的结霜量随时间的变化如图 5 所 示 。各样品换热器在运行开始时结霜量增长速度较快，随着结霜量增加结霜速度逐渐降低 。在相同工况和运行时间内，固定片距的样品换热器 1 的结霜速度最快，在 50 min 时结霜量达到了 67. 7 g，样品 2 ~ 5 的 结霜量分别为 64. 5、51. 7、56. 0、54. 1 g，变片距样品 换热器结霜速度低于样品换热器 1 的结霜速度，且增 加了第一排翅片间距的样品 3 ~ 5 相对于样品 2 的结 霜量增长速度更低，可知增加了换热器迎风面管排的 翅片间距对于结霜速度和结霜量有抑制作用 。样品 4 与样品 5 结霜量增长变化相似，在运行 90 min 时结 霜量分别为 91. 4 g 和 88. 4 g，结 霜 量 差 异 在 3. 5% 内，变化较小，可知改变第三排翅片间距对换热器结 霜速度和结霜量影响较小。

3. 3 变片距对换热功率及传热系数的影响

图 6 和图 7 所示分别为样品换热器的换热功率 与传热系数对比 。  由图 6 可知，结霜对各样品换热器 的换热功率有不同程度的影响，样品 1 在实验周期末 的换热功率比 t = 0 时的换热功率减小 71. 78%，样品 2 ~ 5 分别减小 57. 00%，66. 51%、33. 25% 及 35. 75%， 图 7 中各样品换热器的传热系数也随时间的增加逐 渐减小，反映了结霜对换热器换热能力的削弱 。  图 6 中，t = 0 min 时样品 1 的换热功率最高，但下降速度 最快，在 t = 45 min 时样品 1 的迎风面管排翅片表面 接近完全结霜，换热功率接近最低值 。各变片距样品 换热器因为增大了翅片间距，传热面积小于样品 1， 初始的换热功率也小于样品 1，但在结霜后换热功率下降速度低于样品 1，因此在结霜中后期阶段，变片 距翅片盘管换热器组的换热功率超过了固定片距换 热器组 。可以看出，在结霜初期由于结霜较少及样品 1 传热面积较大，固定片距换热器换热性能较优，但 随着结霜进行，固定片距换热器的换热性能衰减更 快，在结霜中后期变片距换热器换热性能更具优势。 由图 6 可知，样品 4 和样品 5 的换热功率变化较小， 可以推测在换热器各排翅片间距较大时换热器的换 热功率受结霜影响较小 。表 2 为各样品换热器 1 个 结霜周期内的换热功率及结霜周期对比 。综合来看 在变片距换热器组中，样品 2 的综合性能较好，在平 均换热功率损失较小的情况下，使迎风面管排发生结 霜堵塞的时间延长了 10 min 。其他样品如样品 5 的 平均换热功率损失较大，但延长结霜堵塞的时间更 长，传热系数更高。

4、结论

本文通过将变片距与定片距的翅片盘管换热器 在同一低温工况下进行结霜及换热对比实验，得到如下结论 :

1) 变片距翅片盘管换热器能有效延长换热器迎 风面管排发生结霜堵塞的时间，其中增加迎风面管排 的翅片间距对延长结霜时间效果最好 。样品 3 在样 品 2 的基础上单独增加了迎风面管排的翅片间距，迎 风面结 霜 堵 塞 的时间因此延长了 19 min，延长率为 30. 16% 。

2) 增加迎风面管排翅片间距对于结霜速度和结 霜量有一定的抑制作用，但第三排翅片间距的增加对于结霜速度和结霜量的影响较小。在实际应用中可以通过增加第一排的翅片间距来抑制结霜速度和减少结霜量，并通过减小第三排的翅片间距来增加换热 器传热面积和换热能力。

3) 在结霜初期，固定小片距换热器的换热功率最高，但随着结霜进行，固定片距换热器换热功率衰减，在结霜中后期变片距翅片盘管换热器的换热功率更高 。在合理的翅片间距组合下，变片距翅片盘管换热器可以在不损失过多换热功率的情况下延长换热器迎风面管排结霜堵塞的时间，如样品 4 平均换热功 率比样品 1 低了 6. 02%，但除霜间隔延长了 37 min。

本文受广州市低环境温度高效空气源热泵热水机组课题 ( 201902010021 ) 资 助 。   ( The   project   was   supported   by Guangzhou Low Ambient Temperature High Efficiency Air-source Heat Pump Hot Water Unit Project  (No．201902010021) ．)

参考文献

[1]  吴玥，刘馨，梁传志，等．低温空气源热泵的发展现状与关键 技 术 指 标 [J] ．建 设 科 技 ，2019 ( 10) : 20－27． (WU Yue，LIU Xin，LIANG Chuanzhi，et al．Development status and key technical indicators of low temperature air source   heat   pump   [J ] ．    Construction   Science   and Technology，2019 ( 10) : 20－27．)

[2]  马一太，王派，罗齐，等．低环境温度空气源热泵在北方区域供热中的应用 [J] ．区域供热，2018 (4) : 14－18． ( MA Yitai，WANG Pai，LUO Qi，et al．Application of low ambient temperature air source heat pump in district heating in north China [J] ．District Heating，2018 (4) : 14－18．)

[3]  吴迪，胡斌，王如竹，等．我国空气源热泵供热现状、技术及政策 [J] ．制冷技术，2017，37 (5) : 1－7．(WU Di，HU   Bin ，  WANG   Ruzhu ，  et   al．   Present   situation， technology and policy of air source heat pump heating in China [J] ．Chinese Journal  of Refrigeration Technology， 2017，37 (5) : 1－7．)

[4]  张毅，张冠敏，张莉莉，等．空气源热泵结霜机理及除霜/ 抑霜技术研究进展 [J] ．制冷学报，2018，39 (5) : 10 －21，46．( ZHANG Yi，ZHANG Guanmin，ZHANG Lili， et al．Research progress on frost formation mechanism of air-source heat pump and its defrosting /anti-frosting tech- nology [J] ．Journal of Refrigeration ，2018 ，39 ( 5 ) : 10－ 21，46．)

[5]  沈九兵，李自强，邢子文，等．空气源热泵系统无霜化及除霜方法概述 [J] ．制冷学报，2019，40 (2) : 85－94， 104．(SHEN Jiubing，LI Ziqiang，XING Ziwen，et al．Re- view of frost-free and defrost methods for air-source heat pump systems [J] ．Journal of Refrigeration，2019，40 (2) : 85－94，104．)

[6]  董军启，张光华，唐钦远，等．电动汽车热泵空调冷凝蒸发器的特性实验研究 [J] ．制冷学报，2019，40 ( 6) : 118 － 124．   ( DONG  Junqi ， ZHANG  Guanghua ，TANG Qinyuan，et al．Experimental investigation on the perform- ance of evaporator /condenser in a heat pump air conditioner for electric vehicles [J] ．Journal of Refrigeration，2019，40 (6) : 118－124．)

[7]  BERTSCH S S ，GROLL E A．Two-stage air-source heat pump for  residential  heating  and  cooling  applications  in northern US climates [J] ．International Journal of Refrigera- tion，2008，31 (7) : 1282－1292．

[8]  邹同华，涂光备 ，陈楠等．变片距蒸发器性能数值分析与实验研究 [J] ．中国农机化，2004，25 (5) : 15－19． (ZOU Tonghua，TU Guangbei，CHEN Nan，et al．Numeri- cal analysis and experimental study on performance of evap- orator with combination of different fin pitch [J] ．Chinese Agriculture Mechanization，2004，25 (5) : 15－19．)

[9]  罗超，黄兴华 ，陈江平．翅片管蒸发器结霜过程动态性能的实验研究 [J] ．流体机械 ，2008 ，36 ( 2 ) : 5－9． (LUO Chao，HUANG Xinghua ，CHEN Jiangping．Experi- mental investigation on the dynamic performance of finned- tube   evaporator   in   the   frosting   process   [J ] ．   Fluid Machinery，2008，36 (2) : 5－9．)

[10] 薛利平，郭宪民，邢震．环境参数对翅片管换热器表面结霜特性影响的实验研究 [J] ．低温与超导，2017，45 (4) : 66－71．( XUE Liping ，GUO Xianmin，XING Zhen． Experimental study on frost growth characteristics on surface of finned-tube heat exchanger [J] ．Cryogenics ＆ Supercon-ductivity，2017，45 (4) : 66－71．)

[11] WANG Fenghao ，WANG Zhihua ，ZHENG Yuxin ，et al．

Performance investigation  of a  novel  frost-free  air-source heat pump water heater combined with energy storage and dehumidification [J] ．Applied  Energy ，2015 ， 139 : 212 －219．

[12] WANG Zhihua ，ZHENG Yuxin ，WANG Fenghao ，et al．Experimental analysis on a novel frost-free air-source heat pump   water   heater   system   [J ] ．    Applied   Thermal Engineering，2014，70 ( 1) : 808－816．

[13] PARK J S，BYUN S，KIM D R，et al．Frost behavior of a louvered fin heat exchanger with vortex-generating fins [J] ． International Journal  of  Heat  and  Mass  Transfer ，2017， 114 : 590－596．

[14] 黄康，郭宪民，邢震．翅片管换热器结构对霜层生长特性影响研究 [J] ．低 温 与 超 导 ，2017 ，45 ( 3 ) : 73－78． ( HUANG  Kang ，GUO  Xianmin ，XING  Zhen．Effect  of finned tube heat exchanger structure on the growth charac- teristics of frost layer [J] ．Cryogenics ＆ Superconductivity， 2017，45 (3) : 73－78．)

[15] ZHANG Long，JIANG Yiqiang，DONG Jiankai，et al．Anexperimental study of frost distribution and growth on finned tube heat exchangers used in air source heat pump units [J] ．Applied Thermal Engineering，2018，132 : 38－51．

[16] KIM K，LEE K S．Frosting and defrosting characteristics of surface-treated louvered-fin heat exchangers : effects of fin pitch and experimental conditions [J] ．International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，60 : 505－511．

[17] 秦海杰，李维仲，朱卫英．结霜工况下变片距空气冷却器性能仿真与试验 [J] ．热科学与技术，2014 ，13 ( 3) : 206－212．( QIN Haijie，LI Weizhong，ZHU Weiying．Sim- ulation and experiment on performance of air cooler with variable fin pitch in frosting conditions [J] ．Journal of Ther- mal Science and Technology，2014，13 (3) : 206－212．)

通信作者简介

陈观生，男，副教授，广东工业大学材料与能源学院，13826496179，E-mail : chengs@ gdut．edu．cn 。研究方向 : 太阳能热利用、制冷空调、热能储存。

About the corresponding author

Chen Guansheng，male ，associate professor ，School of Materials and   Energy ，  Guangdong   University   of   Technology ，  +  86 13826496179，E-mail : chengs @ gdut．edu．cn．Research fields : solar  thermal  utilization ，  refrigeration  and  air  conditioning， thermal energy storage．