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技术:析湿工况下翅片管换热器的积灰特性!

2022-06-16 17:38:05

  翅片管换热器是空调系统中常用的换热器类型,减小其空气侧流动阻力能够有效降低空调器功耗并提升整体能效。目前,换热器流动阻力增大的一个重要原因是长期积尘导致换热器翅片表面严重堵塞。因此,本文我们将通过实验来探讨翅片管换热器在析湿工况下的积灰特性及对换热器空气侧压降的影响。


1、实验原理与测试样件


1.1实验原理及装置

为了研究析湿工况下翅片管换热器表面的积灰特性及其对空气侧压降的影响,本实验设计了换热器积灰可视化实验台。

该实验台由 3 个系统和连接风道组成:

1) 湿空气系统,用于提供特定湿度、风速、温度的湿空气;

2) 粉尘系统,用于提供特定质量流量的粉尘;

3) 可视化测试段,用于定时观测并拍摄翅片表面积灰形貌,实时测量翅片积灰后的压降。连接风道用于将湿空气系统提供的湿蒸汽与粉尘系统提供的粉尘混合形成含尘气流并送入可视化测试段。

此外,为称量粉尘质量,设计了独立的称重系统。记录不同时间段的粉尘沉积量数据。直到样件积灰量达到稳定,实验结束。可视化测试段用于实时观测样件表面粉尘沉积形貌并测量积灰过程中的压降。


1.2测试样件及实验工况

本文选取的测试样件覆盖了常见空调换热器的翅片类型及翅片间距。翅片类型为空调室内机常用 的波纹翅片和开窗翅片,为了更深入地对比翅片类型的影响,选取平直翅片作为对比实验。翅片间距范围选为空调器中常用的1. 5~2. 2 mm。


3 种翅片类型的测试样件相同的结构参数为: 宽 × 高 × 长( x × y × z) = 20 mm × 84 mm × 25. 4 mm; 管径dt = 7 mm; 管间距( Pt × Pl ) 21 mm × 12. 7 mm; 管排数为2。各类型的翅片间距如表1所示。

5.png

实验工况包括测试段进口温度 25 ℃、进口相对湿度 80% ,进口风速 1. 5 m / s。由于实际大气中粉尘浓度低,实验中需要高粉尘浓度才能加速粉尘沉积进程,因此本文的喷粉浓度选为 10. 8 g /m3 。粉尘成分按照 GB 13270—91 规定,由包含 72% 的白陶土和 28% 的炭黑组成,平均粒径为 15 μm。


2、实验结果和分析


2.1 翅片表面液滴分布 

下图所示为 3 种不同翅片类型换热器样件表面析湿液滴分布实物图。

111.jpg

由( a) 可知,平直翅片表面光滑平整,湿空气流经时形成均匀流场,液滴分布均匀; 波纹翅片表面 的波纹凹凸结构使得流场分布不均,导致液滴呈团聚分散状; 开窗翅片表面的开缝有扰流作用,液滴多凝 聚在开缝处且体积较大。

由( b) 可知,液滴在翅片间会生长凝聚成液桥。平直翅片表面平滑,液滴受到重力作用易滑落,翅片间液桥较少。波纹翅片表面的波纹凹凸增大了液滴的附着面积,使液桥较多。开窗翅片表面开缝前后对称,液桥受到的对称表面张力使得液桥数目多、体积大,多分布在开缝处。


2. 2 翅片表面湿粉尘沉积分布 

下图所示为3种不同翅片类型的换热器样件表面湿粉尘沉积分布实物图。

222.jpg

析湿工况下积灰情况受翅片结构的影响,粉尘覆盖程度由高到低依次为开窗翅片、波纹 翅片、平直翅片。平直翅片与含尘气流的接触面积小、翅片间液桥少,降低了含尘气流中粉尘颗粒碰撞沉积的概率。波纹翅片的波纹状表面增大了液滴的接触面积,从而形成更多液桥,增大了粉尘颗粒碰撞沉积的概率。开窗翅片对称的开缝结构使翅片间形成大量的大体积液桥,严重阻碍了含尘气流的通过,极大地增加了含尘气流中粉尘颗粒碰撞沉积的概率。


2. 3 翅片类型对粉尘沉积量及压降的影响  

在相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时,翅片表面的粉尘沉积量和单位面 积粉尘沉积量由大到小依次为开窗翅片、波纹翅片和平直翅片。与波纹翅片和平直翅片相比,开窗翅片表面粉尘沉积量分别增加了 29. 6% 和 62. 8% ,单位面积粉尘沉积量分别增加了 35. 8% 和 58. 9% 。

开窗翅片表面开缝处更易形成大体积液滴与液桥,极大增加了粉尘颗粒碰撞沉积的概率,导致翅片几乎被完全堵塞。而平直翅片在析湿工况下形成较少的液滴与液桥,粉尘碰撞沉积的概率明显小于开窗翅片。

相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时,与波纹翅片和平直翅片相比,开窗翅片的空气侧压降分别增大了 19. 4% 和 54. 7% 。这是因为积 灰后压降与翅片堵塞情况呈正相关,粉尘堵塞情况越 严重,则流经翅片的含尘气流受到的空气阻力越大,导致空气侧压降越大。


2.4 翅片间距对粉尘沉积量及压降的影响

相同积灰环境下粉尘沉积达到稳定时,翅片表面的粉尘沉积量和单位面积粉尘沉积量均随片距的减小而增大。与 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比,1. 5 mm 片距样件表面粉尘沉积量分别增加了 17. 4% 和 40. 7% ,单位面积粉尘沉积量增加了 6. 2% 和 17. 2% 。这是因为换热器尺寸一定时,总换热面积随翅片间距的减小而增大,又由于小片距在翅片间更易形成液桥,从而增大粉尘颗粒碰撞 沉积的概率。

相同积灰环境下粉尘沉积达到 稳定时,翅片空气侧压降随翅片间距的减小而增大。与 1. 8 mm 和 2. 2 mm 片距相比,1. 5 mm 片距样件的 空气侧压降分别增加了 16. 0% 和 32. 1% 。这是因为翅片空气侧压降与翅片迎风面的堵塞情况呈正相关,翅片间距越小的翅片其粉尘堵塞情况越严重,导致空 气侧压降越大。


2.5 粉尘沉积量对压降的影响

不同种翅片类型下,随着粉尘沉积量的增加,空气侧压降先增大后达到临界点( 图中虚 线所示) ,开窗翅片的临界点高。在积灰的初始阶段,粉尘与翅片及液桥发生碰撞而不断沉积,导致空 气的流动阻力不断增加,空气侧压降增大。当粉尘沉 积稳定时,此时空气流道的堵塞情况基本稳定,空气侧压降变化达到稳定。又因开窗翅片间液桥多,导 致粉尘堵塞严重,空气侧压降大,临界点达到高。

不同种翅片间距下,随着粉尘沉积量的增加,空气侧压降先增大后达到临界点,翅片间距越小的翅片临界点越高。这是因为在相同的积灰环境下,翅片间距越小的翅片其换热面积越大,翅片 间液桥越多,使得粉尘更易碰撞沉积且不易脱落,导 致粉尘完全堵塞翅片,空气侧压降增大明显,临界点达到高。


3、过滤网和冷凝水对积尘的影响


3.1 过滤网对积尘的影响 

过滤网的设置会对积尘成分和积尘分布形态产生影响。没有过滤网时,含尘气流将直接吹向换热器 表面,使得空气中的颗粒物容易沉积在换热器迎风面。此外,大气中的纤维也容易粘附在换热器表面,由于纤维对颗粒物具有捕集效应,从而有可能加剧换热器表面的积尘程度。而有过滤网时,过滤网的孔径大小会对积尘成分和积尘形态产生影响。

当过滤网的孔径足够小时,一方面,含尘气流在吹向换热器表面之前,气流中的部分颗粒物会预先沉积在过滤网上,减少颗粒物在换热器表面的沉积量; 另一方面,过 滤网会阻隔纤维进入换热器,进一步降低了换热器表 面的积尘风险。本文针对不设置过滤网时析湿工况下的积尘特性进行研究,针对过滤网对积尘影响的研 究将在后续工作中展开。


3.2 冷凝水对积尘的影响  

冷凝水对积尘具有加速沉积和清洁两种作用,由凝水量的大小决定。

凝水量小时,由于水对颗粒物具有粘附作用,且颗粒物间的液体饱和度不高,积尘形态主要为黏糊状的粉尘污垢层,会起到加速积尘的效果。

凝水量大时,水对颗粒物的粘附作用会达到饱和,颗粒物间的液体饱和度较高,积尘形态主要为液滴状的粉尘污垢,液滴的聚集滑落会起到清洁的效果。

因此,当积灰量较小且凝水量足够大时,冷凝水对积灰会起到冲刷清洁的作用。本文研究发现, 平直翅片在析湿时积灰速度慢且积尘量小,表明 冷凝水对表面平整的平直翅片的清洁效果比对波纹翅片和开窗翅片更加明显。


4、结论


1) 当换热器处于析湿工况下运行时,翅片表面的析湿量决定其积灰程度,析湿液滴分布越密集、液桥数量越多,翅片迎风面的堵塞程度越严重且空气侧压降越大。

2) 开窗翅片表面积灰多,积灰后压降增加明显。与波纹翅片和平直翅片相比,开窗翅片表面粉尘沉积量分别增加了29. 6%和 62. 8% ,空气侧压降分别增大了 19. 4% 和 54. 7% 。因此降低翅片结构复杂度能够减少翅片表面析湿,从而减轻积尘程度并降低空气流动阻力。

3) 小片距的换热器表面更易沉积粉尘,积灰后压降更大。翅片间距为 1. 5 mm 的翅片比 1. 8 mm 和 2. 2 mm 的翅片表面粉尘沉积量分别增加了 17. 4% 和 40. 7% ,积灰后压降分别增加了 16. 0% 和 32. 1% 。 因此适当增大翅片间距能够降低粉尘沉积量并降低空气侧压降。

4) 在积灰过程中,随着换热器表面粉尘沉积量的增加,空气侧压降先增大后趋于稳定。

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