两排变片距翅片盘管蒸发器结霜特性研究

发布时间：2023.08.17

肖宏新¹，赵密升²，李建国²，陈观生¹，刘良德¹，刘湘云¹，罗超鸿¹

（1.广东工业大学材料与能源学院，广州市番禺区 510006；2.澳门十大电子正规游戏网站，广州市增城区 511340）

Study on Frosting Characteristics of Two Rows Finned Coils Evaporator in different Fin Pitches Xiao Hongxin1, Zhao Misheng2, Li Jianguo2, Chen Guansheng1,Liu Liangde1, Liu Xiangyun1, Luo Chaohong1

(1. School of Materials & Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006; 2. Guangdong New Energy Technology Development Co. Ltd, Guangzhou, 511340)

ABSTRACT: Finned coils in fixed fin pitches are mainly used in the outdoor heat exchangers of air source heat pumps (ASHP) at present. There are some problems such as more serious frosting and nonuniform frosting in the windward tube than in the rear tube under low temperature conditions. In order to solve the problems of heating capacity decline and defrost interval shorten caused by frost blockage in the fixed fin pitch, two rows finned coil evaporators in different fin pitches are numerically simulated under low temperature conditions, which is used to explore the influence of evaporators in different fin pitches combinations on frost mass, frost thickness, heat capacity and defrost interval, providing a reference to design the outdoor heat exchangers of ASHP.

Key words: air source heat pump; fin pitch; frosting; defrosting; evaporator

摘要：当前空气源热泵室外换热器主要采用固定片距的翅片盘管，存在低温工况下迎风面管排结霜较后排严重、结霜不均匀等问题。为了改善固定片距蒸发器前排结霜堵塞造成制热量下降、除霜间隔短等问题。本文对两排变片距翅片盘管蒸发器在低温工况下运行和结霜的情况进行数值模拟，探寻低温工况下不同翅片片距组合的变片距蒸发器对结霜量、结霜厚度、制热量及除霜间隔等的影响，为低温工况下空气源热泵蒸发器的设计提供参考依据。

关键词：空气源热泵；片距；结霜；除霜；蒸发器

引言

建筑能耗是全球人类总能耗占比最大的部分，约占30%-40%，同时也造成大量的碳排放[1-2]。空气源热泵作为一种环保高效的供暖技术，改变了传统供暖格局，有利于降低建筑能耗及其碳排放量。近年来在我国“煤改电”政策推动下空气源热泵得到了快速的发展[3-4]。热泵机组在我国长江中下游、西南和华南地区得到广泛应用，但是在冬季气温较低的地方，热泵机组供暖容易出现制热量下降、制热不稳定等问题。当环境温度在-7~5℃、相对湿度大于65%时，热泵机组室外蒸发器翅片盘管容易出现结霜问题[5]。霜层不仅会增加传热热阻，降低机组的制热量，当霜层积累过多还容易堵塞翅片，造成空气流动阻力增加，影响热泵系统的正常运行，严重时还会造成机组非正常停机[6]。

为了减少霜层的影响，国内外学者进行了许多实验及仿真研究。黄康[7]研究翅片管换热器结构对霜层生长的影响，比较不同翅片类型及翅片间距发现1.9mm的翅片管换热器平均传热性能最好。Zhang[8]研究两种翅片间距蒸发器在低温地区的结霜差异，结果表明3.2mm翅片间距的室外蒸发器更有利于热泵机组供热稳定。这些研究表明翅片间距对热泵蒸发器性能有一定的影响，合理的片距设计可以提高热泵机组供热性能，减少材料的浪费和成本，但没有将不同翅片间距的翅片换热管组合起来进行研究。本文进行了变片距蒸发器在低温工况下运行的仿真研究，探讨两排不同间距组合的蒸发器的结霜特性差异。

1、数值模拟方案设计

本文采用NIST的换热器仿真设计AppEVAP-COND对两排不同片距组合的翅片盘管蒸发器在结霜工况下进行数值模拟。选用的制冷剂为R410A，除翅片间距外各组蒸发器的结构参数相同，具体参数如表1所示。将固定2mm翅片间距的两排蒸发器作为参考组（A组），通过前后两排不同的翅片间距组合的蒸发器与A组作对比，各组的翅片间距组合如表2所示。

各组蒸发器的管路连接采用顺排并联连接，风速均匀分布，如图1所示:

其中，制冷剂侧和空气侧的参数如表3所示。

各组蒸发器在以上结构参数和工况下模拟运行60分钟，为了简化计算假设：

1)翅片换热管结霜过程在一个时间步长内是准稳态的；

2)忽略重力对制冷剂和空气的影响；

3)忽略辐射传热和管壁导热系数的影响；

4)霜层的导热系数只与霜层密度相关；

5)翅片表面和铜管、霜层温度分布均匀；

6)霜层厚度和密度平均分布于控制容积内，物性参数一致。

2 结果及讨论

2.1换热量

图2为各组蒸发器换热量示意图，可以看到除了D组外其余各组的换热量都高于固定片距A组。从B、C两组可以看出减少第二排的翅片间距可以明显提高蒸发器换热量，因翅片间距减小在相同管长的情况下可以提高翅片的数量，增加翅片管的换热能力，D组换热量小于A组，E组的换热量略高于A组，可以看出如果第一排的翅片间距增加过多容易造成蒸发器换热量下降，为了不降低原有换热量可以适当减小第二排的翅片间距。

2.2结霜量

图3为各组蒸发器60分钟后的总结霜量。从B组和C组可以看出减小第二排的翅片间距在提高换热量同时也会增加结霜量。由B、D两组可以看出，第二排翅片间距一样的情况下增加第一排的翅片间距结霜量提高了一些，第一排的翅片会影响翅片结霜量、气流阻力和第二排的进风量等因素，相对B组，D组提高了翅片间距后增加了整体的结霜量，换热量反而减小，可见在低温工况下，改变单一管排翅片间距与蒸发器总体性能并非线性关系，存在一个最优的翅片间距组合使得蒸发器低温工况下综合性能最优。