室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响

1、室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响郭宪民“王冬丽陈轶光汪伟华(天津市制冷技术重点实验室，天津商业人学，300134,天津)摘耍：对不同迎面风速条件下空气源热泵系统室外换热器表面霜层生长特性进行了实验研 究，測量了翅片表面动态霜层厚度、换热器结霜量，显微观察了霜晶生长过程。实验结果表 明，迎面风速的降低使得空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度加速增长，结霜周期随迎 面风速的下降呈近乎线性地减小，而且相对湿度越低，结霜周期下降的速度越快；因此，减 小室外换热器迎面风速将恶化空气源热泵机组结黒餘霜周期中的平均性能。对霜晶形态的显 微观察发现，低迎面风速工况下霜层厚度增长速度加快的原因是由于

2、空气源热泵蒸发器壁面 溫度降低造成的霜晶形态的改变，翅片表面柱状冰晶始终在高度方向快速生长，这种现象与 低环境温度工况下翅片表面霜晶生长形态类似。换热器总结霜量随迎面风速的减小而下降， 造成霜层平均密度降低。关儀词：空气源热泵 迎面风速 霜层生长特性 结霜实验Effects of Face Velocity of Outdoor Heat Exchanger on FrostingChai acteristics of Air Sorn ce Heat Piunp SystemGuo Xian-Min Wang Dong-Li Chen Yi-Guang Wang Wei-Hua(Tianji

3、n Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, 300134,Tianjin)Abstract: The frost growth charactenshcs on tlie outdoor heat exchanger of an air soui'ce heat pump (ASHP) tinder different face velocity conditions were investigated expenmentally. The dynamic fi应用基咄研几计

4、划06YFJMJC05500)资助项LI：通讯仆审：郭宪民.(1962-).授.尺沖市花冷技术就点实Hl 天津商业大学制冷与空调Email mguot)cuedu cnost tluckness on the fins and the fi'ost accumulation mass on the evaporates were measured, and the growth process of the frost layer was obseived through a microscope The expenmental results indicate that the de

5、crease in the face velocity of the outdoor heat exchanger accelerates the growth of the fi*ost layer, the frosting duration reduces almost linearly with tlie decrease in the face velocity, farther moi'e> the lov/er the relative humidity is, the faster the frosting duration decreases Therefore

6、, the decrease in the face velocity of the outdoor heat exchanger will deteriorate the average performance of the ASHP unit in tlie frost/defrost period The observation to the frost layer through a microscope shows that the acceleration of the frost layer growth under low face velocity condition is

7、mainly attributed to the morphological variation of the frost crystal conpanng with that under the high face velocity condition, which is resulted fi'om the decrease in the wall temperature of the evaporator Under the low face velocity condition, the column-shaped ice ciystals grow mainly in its

8、 length in whole fi'ostmg period, which is similar with the form of the fi*ost crystal under the low temperature and high face velocity conditions The total frost accumulation mass reduces with the decrease in the face velocity, therefore, the average fi'ost density is fallen downKeynrds: Ai

9、r source heat pump, Face velocity, Frost growtli characteristics, Frosting expenment1. 前言空气源热泵在冬季运行时在室外换热器表面会产生结霜现象，导致其性能下降，严觅时 会导致热泵不能正常工作。因此，研究室外换热器结箱规律足解决热泵空调器稳定高效工作 问题的关键之一。在诸多影响空气源热泵结霜特性的因素中，室外换热器迎面风速是觅要的参数之一，国 内外的研究者对此进行了大量的研究，但结论并不一致，甚至趋势是相反的；如Kondepudi S N1RiteRWra等人的实验结果表明，空气流量越人，其表面结霜越严觅，S

10、ekei-Dp YaoY 的数值模拟结果也得出了相似的结论：但Senshu T旳及Yan W M阪刀得出的结论与上述作者 却是完全相反的，即通过换热器流量越小，其表面结箱越严觅。究其原因，是上述研究者大 多把换热器作为一个孤立的部件进行研究，即不考虑结霜后热泵系统参数，如蒸发/冷凝压力 的变化及风机工作点的偏移，或只考虑其中一个因素的影响。本文作者考虑了室外换热器的 结霜过程与空气源热泵系统的循环参数及风机流量之间的相互影响，对无霜工况下室外换热 器迎面风速为1 6m/s的空气源热泵样机进行了系列实验研究，实验结果证明，翅片表面箱层 厚度呈分段增长模式，特别是在结霜循环后期霜层增长速度加快，使

11、得热泵机组性能迅速恶 化卩"。上述实验研充足任固定的室外换热益迎面风速条件下进行的，迎面风速对範层生长规 律的影响尚需进行深入的研究。本文在三种不同迎面风速*件下对空气源热泵结番特性进行了系列实验，以研究迎面风 速对空气源热泵蒸发器表面霜层生长的影响。2. 实验装置及实验样机实验在焙差法空调器性能实验台上进行，热泵系统及坏境室如图1所示。室外换热器风 量由均匀布豐在其进I I的风速传感器测量，结霜量采用分别布置在室外换热器进I I及出丨I的 温度/和对湿度传感器测量、计算。采用靠微照相法测量翅片表面霜层厚度，显微镜放人倍 数为90倍。空气源热泵样机额定制冷量为1 llkW,使用RH制

12、冷剂及平翅片管换热器，其 详细参数、实验数据处理方法及仪表精度等详见参考文献9、10。采用减小热泵系统室外 机组出风面积的方法，以改变室外换热器迎面风速。室外坏境实验工况选取在严重结霜温区叨，即环境温度分别为0C、3°C,而相对湿度则分别 为 65%、75%和85%,共対6个室外坏境工况进行了变更迎面风速实验：对每一个室外环境工况，无霜情况下的室外换热器迎面风速分别取为1 6nVs、1 3nVs和1 1 m/s。冷如 电E阳SIfliS： p陌力压花 p功庁 iht凶咚 建啜图1擁泵样机测系统示憲图3实验结果及分析3.1霜层厚度比较实验发现，迎面风速对室外环境温度为0C和3t的两组工

13、况卜结霜性能的影响趋势是相 同的，因此选择其中的一组实验数据进行比较。图2给出了在室外环境温度为0C、相对湿度 为75%工况卜换热器迎面风速分别为16m/s、13m/s和1 1 m/s时的霜层厚度动态増长曲线。从图2可以看出，随着室外换热器迎面风速的减小，翅片表面霜层厚度的增长速度加快, 对于迎面风速为l.lin/s的工况，在霜层厚度曲线上减速生长段己经不太明显。霜层厚度增长 速度的加快减小了结霜循环周期，图3给出了在室外坏境温度为0C、相对湿度分别为65%、 75%和85%时不同室外换热器迎面风速匸况卜翅片表面霸层厚度达到0.8mm时所需的结霜时 间，用以表示整个结霜过程中的平均範层厚度増长

14、速度。选择希层厚度为0 8mm来作为比较 的标准是基丁以下的考偲：当霜层厚度大于0 8mm以后，两翅片间霜晶在局部开始出现交错 现象，而且在结霜循环后期霜层厚度增长非常快，因此造成总结霜时间的测屋对能出现误差。 选择霜层厚度为0 8mm时的结霜时间作为基准进行比较避免了这种误差，同时，保证了不同 工况条件下的霜层均处于加速生长段，其反映的是霜层厚度增长的平均速度。图2迎而风速对帘层用度的影响图3宙层皿度为0 8mm时结希时间比较图3的实验结果表明，在某-室外环境工况条件卜翅片表面结满霜所需的时间随换热器迎面风速的降低近乎呈线性地减小，也就是说在整个结霜过程中平均霜层增长速度随迎面风 速的降低而

15、呈线性增人趋势。刘川等人】的研究结果衷明，空气源热泵机组在结霜工况下的 平均COP与结霜循坏周期的人小近似成线性关系，因此，迎面凤速的减小所引起结霜周期缩 短，这对空气源热泵机组在结霜匸况卜的性能是非常不利的。同时，从图中还町以看出，对 于相对湿度为65%的低湿度工况，结箱时间随换热器迎面风速的减小而卞降的速度比英他两 个高湿度工况更快，而且相对湿度越低，结霜周期下降的速度越快。也就是说，在低湿度工 况条件卜迎面风速对霜层生长速度及空气源热泵机组在结霜工况卜的平均COP的影响更人。3.2结霜量比较图4给出了在室外环境温度为0°C、相对湿度为75%工况卜换热器迎面风速分别为1 6nVs

16、、1 3nVs和1 InVs时的换热器结霜最动态增长曲线，其斜率表示结霸最增长速度。从图中可以 看出，对于各个工况，结霜量随结希时间近乎线性增长，迎面风速对结霜量的影响与对霜层 厚度的影响不同，随着迎面风速的降低结霜量随Z减小，但迎面风速低丁T.3m/s后结霜量增 长速度自回升的趋势。由于结霸最是结霜过程中的累枳最，而对于固定的结霜时间，不同工况条件卜结霜过程 可能处于不同的阶段，不同工况条件下某一时刻的结箱量比较存在明显的不足。因此，仍然 采用箱层厚度达到0.Smni时的总结霜量进行比较，图5给出了在室外环境温度为0C、相对湿度分别为65%、75%和85%时不同室外换热器迎面风速工况卜翅片农

17、面霜层厚度达到0 8 mm 时换热器的总结霜呈。图4迎而风速对结希虽的影响图5希层斥度为0 8mm时结希虽比较如图5所示，対某-规定的室外环境工况，随看换热器迎面风速的降低，其总结霜量呈 减小的趙势，而且对于所有工况，在1 61 3m/s范闱内总结霜最随迎面风速的减小迅速卜降, 而当迎面风速低于1.3 m/s后总结霜最的卜降速度人兴降低。虽然总结霜最的减少对缩短除霜 时间及除霜耗功是冇利的，但影响空气源热泵机组在结霜工况下平均COP的主导因素为结霜 周期的人小卩叫因此，总的说來减小迎面风速对结霜工况卜空'（源热泵机组的性能是不利的。霜层厚度和结霜量的变化趙势在物理意义上是十分明显的：迎

18、面风速的减小恶化了室外 换热器的传热条件，造成空气源热泵系统蒸发压力的降低，如图6所示，室外换热器壁面温 度相应降低，这使得湿空气中水蒸汽分压力与对应于壁面温度的饱和水蒸汽分压力之差玳大,因此其表而霜层厚度增长速度加快：但由于通过换热器的空气流量的降低（图7）.换热器表 而的结霜量増长速度呈下降趋势。当壁面温度低于某一数值时，湿空'（中凝华水蒸汽传质驱 动力的增加占据了主导地位，结霜量增长速度开始呈现回升的趙势。 10« * 12 -14- . 16 Q GV10203040506070结丹时何(min)0乜讯唯,75X oKit 16 m/l -oieifilRii Um*

19、 a迎ifi| 1.1 mA10203040506070佶術町M ：mm>图7不同迎面风速工况下动态迎面风速比较J.0OP 6 1 1 c C -JwMaa0图6不同迎面风速匸况下换热器壁温比较3.3霜晶形态箱层增长速度的改变本质上是由于霜晶形态的变化引起的卩叫图8给出了初始迎面风速 为11 m/s.室外环境温度为0°C、相对湿度为75%工况下结霜过程中不同时刻的霜层照片.初始迎面风速为13 m/s的工况号其类似。图8迎而风速11 m/s工况下结箱过程箱层照片从图中可以看到，在低迎面风速条件下，由于壁而温度的降低（图6）,结寄初始阶段翅 片表面生成的薄冰层并不明显，结希开始后很

20、快形成柱状冰晶，并且始终在高度方向快速生 长，柱状冰晶直径较小，这与16m/s的相应工况下翅片表面霜晶的生长模式有所区别2】，而 与低温工况（环境温度W8°C）卞翅片表而霜晶的生长模式相似。因此町以说低迎面风速* 件卜馮层厚度増长速度提高，其原因是壁面温度降低引起的翅片表面柱状霜晶在高度方向的 快速生长模式造成的。将图8中的霜层照片与迎面风速为1 6m/s工况下的照片比较町以发现，低迎面风速工 况卜翅片表面霜层比较疏松，这与图5所示的结霜帚:变化规律是一致的，低密度霸层的形成 对除霜过程是有利的。如前所述，关于空气流速（或流量）对换热器表面结霸的影响，国内外的研究者得出的 结论并不一

21、致，其至趋势是相反的。这可能是这些研兗者均是针对换热器进行的，他们比较 迎面凤速对结霜过程的影响是基于在结霜过程中壁面温度不变或换热器管内换热条件不变； 而本文以上对不同迎面风速条件卜 换热器表面结霜过程的比较，是对于实际热泵系统中的蒸 发器进行的，结霜过程中系统参数、霸层参数及风机工作点之间的相互彫响己体现在上述实 验结果中。4.结论本文对不同迎面风速条件卜热泵系统中的蒸发器表面结霜过程进行了系列实验研究，得 到如下结论：（1）空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度增长速度随迎面风速的降低而加快，结霜 周期随迎面风速近乎呈线性地减小，而且在低湿度匸况条件卜迎面风速对霜层生长速度的影 响更大，柑

22、对湿度越低，结霜周期卜降的速度越快。迎面风速的减小所引起的结霜周期缩短, 对空气源热泵机组在结霜工况下的性能是非常不利的。（2）对于所有实验工况，在迎面风速为1613m/s范闱内总结霜最随迎面风速的减小迅 速卜降，霜层平均密度降低。而当迎面风速低于1 Srr/s后总结霜最的卜降速度大人降低。（3）对霜晶形态的显微观察发现，由于迎面风速的减小造成空气源热泵蒸发器壁面温度 降低，结霜开始后翅片表面很快形成柱状冰晶，并R始终在高度方向快速生长，其形态类似 于低温工况下翅片表面霸晶的生长模式。（4）总的来说，室外换热器低迎面风速对结霜工况卜空气源热泵机组的平均性能十分不 利，设计者应尽最提高室外换热器

23、迎面风速，以降低箱层増长速度，改善热泵性能。参考文献1 Kondepudi S N, O'Neal D L. Frosting performance of tube heat exchangers witli wavy and coirugated fins J J Experimental Thennal and Fluid Science, 1991,4（5）: 613-6182 Rite R Wt Crawford R R A parametric study of the factors governing the rate of frost accumulation on

24、domestic refi%igei*ator-fi*eezer finned-tube evaporator coils J ASHRAE Trans, 1991, 97 （2）: 438-4463 Seker D, Karatas H, Egncan N Frost fonnation on fin-and tube heat exchanges Part I: Modeling of fiost fomiation on fin-and tube heat exchangers J Int J of Refrigeration. 2004, 27（4）: 367-374.4 Yao Y,

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