技术：翅片结构对翅片管换热器积灰与压降影响

    目前应用较广的翅片类型包括平直翅片、波纹翅片和开窗翅片，这些翅片类型的换热器表面所受的积尘状况将严重影响换热器的换热效率。因此为了明确不同翅片结构的翅片管换热器的积灰长效性能变化，必须了解不同的翅片结构对翅片管换热器表面积灰特性的影响。

    本文我们就来探讨下翅片换热器表面积灰特性。分析翅片结构对翅片管换热器积灰与压降的影响规律，以及不同翅片结构参数对换热器表面粉尘沉积量与空气侧压降的影响。

1、实验原理与测试样件

1. 1 实验原理及装置

翅片管换热器积灰特性与压降特性测试实验台 

实验台包括三部分:

1) 风道系统，提供并引导特定风速的干空气至测试样件;

2) 粉尘发生系统，可调节粉尘的质量流量以提供特定粉尘浓度的含尘气流;

3) 可视化测试段，用于拍摄测试样 件表面积灰形貌并测量粉尘沉积量与空气侧压降。

    可视化测试段包括透明有机玻璃风道、测试样件、分析天平、压差传感器、垂直升降机、托盘及海绵。样件嵌入至托盘 2 mm 深的凹槽中固定，同时托盘四周刻出15 mm 深的凹槽并填充海绵，透明风道挤压 托盘凹槽中海绵以实现测试段密封。托盘置于分析天平上，升降机用于调节托盘升降高度，以实现积灰 过程中测量样件重量及观察积灰形貌。压差传感器 用于测量积灰过程中样件空气侧压降数据。

1. 2 实验工况及测试样件

    实验工况参数包括翅片类型和翅片间距。翅片类 型选为开窗翅片、波纹翅片和平直翅片，翅片间距选为 1. 5 mm 和 1. 8 mm，覆盖常见的空调室外换热器类型及尺寸。

依据 GB 13270—91 的规定，实验采用的测试粉 尘包含 72% 的白陶土和 28% 的炭黑，粉尘密度为 2. 2 × 103 kg /m3 ，中位径为 10 μm。由于实际室外环境中的粉尘浓度较低，为了加速 积灰的实验进程，同时根据空调室外机中翅片管换热 器的正常迎流风速，选取喷粉浓度 10. 8 g /m3 、风速 1. 5 m / s 进行积灰实验。喷粉时间总长为 255 min， 保证粉尘沉积量达到稳定。风速由空压机、流量计及 流量阀调节，喷粉浓度由螺旋给料机、控制柜、混合箱 实现控制。

2、数据处理方法及误差分析

2. 1 数据处理方法

    压降和风速可分别通过压差传感器、流量计读得，粉尘沉积量与喷粉浓度则由特定关系式得到。

2. 2 误差分析  

    参数包含直接测量参数与间接测量参数，通过实 验仪器精度可得直接测量参数误差，直接测量参数包 括空气侧压降、空气体积流量与样件重量。通过 Ｒ.J.Moffat方法可求得间接测量参数误差，如表 2 所示，间接测量参数包括粉尘沉积量。

3、实验结果与分析

3. 1 粉尘沉积分布特征分析  

    图 3 给出了三种不同翅片类型的样件在喷粉浓 度为 10. 8 g /m3 、风速为 1. 5 m / s、喷粉时长为 255 min 下的粉尘沉积分布特征。由图 3 可知，平直翅片管换热器表面沉积粉尘少，且主要沉积在换热管; 波纹翅片管换热器的换热管和波纹翅片表面均沉积有一定量粉尘，且积尘程度 较平直翅片严重;开窗翅片管换热器表面积尘程度严重，翅片开窗处几乎完全被粉尘堵塞，且换热管表面也容易形成污垢块。

    分析粉尘在这三种类型换热器表面沉积特性可知: 开窗翅片表面突起的间断缝隙正对着含尘气流， 粉尘颗粒物更容易直接撞击并沉积在间断缝隙处，使 开窗翅片表面容易被粉尘堵塞。同时由于开窗翅片 表面各缝隙的间距较小，粉尘容易在各缝隙间形成较 为紧密的污垢团，导致积灰程度较严重。 

    另外，由于平直翅片和波纹翅片的表面结构相对 于开窗翅片更为简单，在相同的换热器横截面积下， 两者与含尘气流的接触面积较小，使粉尘颗粒物与换 热器表面发生碰撞沉积的概率较小。同时由于平直 翅片间距和波纹翅片间距相对于开窗翅片各缝隙的 间距较大，积尘生长到一定厚度时容易在重力的作用 下从翅片表面脱落。

3. 2 翅片类型对粉尘沉积量与压降的影响  

    图 4 给出了喷粉浓度 10. 8 g /m3 、风速 1. 5 m / s、 翅片间距 1. 5 mm、喷粉时长 255 min 时，不同翅片类 型对粉尘沉积量与空气侧压降的影响。粉尘沉积量 是通过可视化测试段中垂直升降机与分析天平测得。

    由图 4( a) 可知，开窗翅片管换热器表面积灰量大，且积灰量达到稳定所需时间少。与平直片相比，波纹片和开窗片表面积灰量分别提高了 25. 6% 和 52. 8% ，积灰量达到稳定所需时间分别减少了 8. 5% 和 25. 5% 。这是因为，波纹片纵向呈波纹形， 相比于平直片，含尘气流在翅片间流道长度增加，在相同喷粉时间内，与翅片表面发生碰撞沉积的颗粒物 数量增多。而对于开窗翅片，表面突起的缝隙增加了迎风面积，在相同的入口风量下提高了迎面风速，使得单位时间内吹向开窗翅片表面的粉尘颗粒物数量增多，减少积灰量达到稳定所需时间。

    由图 4( b) 可知，开窗翅片管换热器积灰后压降大，且压降达到稳定所需时间少。开窗翅片、波 纹翅片和平直翅片样件压降分别增加了 222. 8%、 136. 3% 和 116. 2% ，也即开窗翅片和波纹翅片的压 降增量相比平直翅片分别提高了 165. 6% 和 44. 4% 。

    开窗翅片积灰后压降达到稳定所需时间比波纹翅片 与平直翅片分别减少了 10. 5% 和 27. 9% 。这是由于，翅片表面结构越复杂，换热器表面积尘量越多，不 断堆积的粉尘引起含尘气流流通面积减小，流动阻力 增大，导致空气侧压降增大。

由图 4( c) 可知，相比于平直翅片与波纹翅片，开窗窗口几乎完全被粉尘堵塞，使压降增加显著，其压 降增强因子大; 波纹翅片表面粉尘沉积量较开窗翅 片小，对压降的提升作用没有开窗翅片明显，其压降 增强因子较低; 而平直翅片结构简单，表面积灰量少，压降增加不明显，故其压降增强因子小。

3. 3 翅片间距对粉尘沉积量与压降的影响 

    图 5 给出了喷粉浓度10. 8 g /m3 、风速 1. 5 m / s、 翅片类型开窗翅片、喷粉时长 255 min 时，不同翅片 间距对粉尘沉积量与空气侧压降的影响。

    由图 5( a) 可知，随着翅片间距减小，积灰量逐渐增大，且积灰量达到稳定所需时间逐渐减少。当翅片间距由1. 8 mm逐渐减小1. 3mm时，达到稳定时积灰量提高了26. 2%～43. 2% ，所需时间减少了9. 3%～17. 8% 。

    这是因为，一方面翅片间距越小，含尘气流掠过开窗口时气流边界层越容易遭到破坏，流 场不稳定度增强，导致颗粒物在翅片间发生无规则碰 撞沉积概率提高。另一方面小翅片间距限制了污垢 团在开窗口之间大尺寸，使堵塞在开窗口之间的污 垢团不容易在重力的作用下从翅片表面脱落，提高了积尘量。

    由图 5( b) 可知，随着翅片间距减小，积灰后的空气侧压降逐渐增大，且压降达到稳定时所需时间逐渐减少。翅片间距为 1. 8 mm、1. 5 mm 和1. 3 mm 的样 件压降分别增加了 221. 0% 、205. 3% 和 187. 2% ，即翅片间距为 1. 3 mm 与 1. 5 mm 的样件相比翅片间距 为 1. 8 mm 的样件压降增量分别提高了 49. 4% 与 24. 1% 。翅片间距为 1. 3 mm 的样件压降达到稳定所需时间比翅片间距为 1. 5 mm 与 1. 8 mm 的样件分 别减少了 11. 7% 和 29. 4% 。

    这是因为，翅片间距越 小，换热器表面积尘量越多，堵塞在换热器迎风面的 粉尘导致流通面积减小，含尘气流的流动阻力增大，导致空气侧压降增大。

    由图 5( c) 可知，随着翅片间距减小，压降增强因 子逐渐降低。压降达到稳定时，翅片间距为 1. 8 mm、 1. 5 mm 和1. 3 mm 样件的压降增强因子分别为 3. 21、3. 05 和 2. 87。一方面小翅片间距能够增大积 尘量，使压降增大; 另一方面小翅片间距换热器本身 积灰前的压降就较大。因此通过这两方面的综合作 用，对于小翅片间距的换热器，在喷粉初始阶段其压 降增强因子较大，在喷粉后期其压降增强因子比大翅 片间距样件的有所降低。

3. 4 粉尘沉积量对压降的影响  

    由图 6 给出了喷粉浓度 10. 8 g /m3 、风速 1. 5 m / s、喷粉时长 255 min 时沉积量对压降影响。由图 6( a) 可知，开窗翅片、波纹翅片和平直翅片 三种翅片类型下，随着沉积量增加，空气侧压降均先 增大后保持稳定。在积灰初期，随着含尘气流中粉尘 颗粒在翅片及换热管上不断堆积，污垢层快速生长， 使流通面积不断减小，导致压降增大，此阶段压降与 沉积量基本呈线性关系。当达到积灰临界点( 图中 虚线所示) 时，粉尘颗粒主要沉积在翅片迎风面前缘 并向外延伸，对换热器流通面积基本无影响，导致此 阶段压降基本不变。此外，开窗翅片管换热器的积灰 临界点高于波纹翅片与平直翅片，这是由于开窗翅片表面结构复杂、各缝隙间距较小，更容易粘附粉尘颗 粒，从而使得积灰临界点较高。

    由图 6( b) 可知，对于开窗翅片管换热器，翅片间 距越小，积灰量对压降提升的作用越显著，由图 5( a) 分析可知，由于小翅片间距能够快速增大单位时间内 的积灰量，使压降增加显著。同时，小翅片间距的积 灰临界点较高，原因是翅片间距越小，堵塞在翅片及 换热管上的污垢层越不容易脱落。

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