翅片換熱器熱泵除霜技術(shù)的應(yīng)用研究

孫陸萌 王春敏 賈斌廣

翅片換熱器熱泵除霜技術(shù)的應(yīng)用研究

孫陸萌1王春敏2賈斌廣1

（1.山東建筑大學熱能工程學院 濟南 250101；2.頓漢布什（中國）工業(yè)有限公司濟南分公司 濟南 250101）

熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)，作為熱泵的重要組成部分之一，換熱器的相關(guān)問題備受關(guān)注。熱泵的換熱器結(jié)霜除霜問題一直是熱泵技術(shù)面臨的難題。主要介紹了有關(guān)翅片換熱器熱泵除霜技術(shù)近年來研究的新進展，對翅片換熱器熱泵除霜技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀和新發(fā)展想法作了簡單的闡述，并提出參考性意見。

翅片換熱器；熱泵結(jié)霜除霜技術(shù)；研究進展

0 引言

熱泵的室外機運行需要吸收空氣熱，當室外溫度低于5℃時，室外換熱器的蒸發(fā)溫度就會在0℃以下，室外冷凝器表面結(jié)霜發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。而隨著系統(tǒng)運行，結(jié)霜的厚度初步增加，此時增大換熱面積，短暫的提高換熱量，但隨著厚度的疊加，換熱熱阻增大，蒸發(fā)溫度下降，導(dǎo)致?lián)Q熱器效率下降，熱泵運行效率下降。同時，霜層阻礙了空氣的流動，換熱器的空氣流量減少，從而加大壓縮機的負擔，加重熱泵能效性能和效率的下降，產(chǎn)生嚴重的損失。因此，為了保證熱泵的正常運行，必須進行周期性的除霜。但就目前的情況而言，除霜技術(shù)對熱泵的運行產(chǎn)生一定的不利影響，需要進行科學研究和技術(shù)的發(fā)展革新。

對于結(jié)霜除霜問題的研究，始于國外學者，并作出巨大貢獻?，F(xiàn)如今，換熱器的熱泵除霜問題在國內(nèi)依然是重要的研究課題，每年均有大量的文獻公開發(fā)表[1]。本文主要介紹了有關(guān)翅片換熱器熱泵除霜技術(shù)在近年來研究的新進展，對熱泵除霜技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀以及新發(fā)展動向作了簡單的闡述，并提出參考性意見。

1 結(jié)霜機理

為了提高熱泵機組的效率，需要在室外溫度較低濕度較大的情況下進行除霜。結(jié)霜機理的研究可以從根本上了解霜層形成和生長的過程,從根本上尋找抑制和減弱結(jié)霜現(xiàn)象影響的方法，也可以利用結(jié)霜機理優(yōu)化利用。

Yujiro Hayashid等[2]用顯微鏡攝影的方法研究了霜層的形成過程，將霜層發(fā)展分階段研究。DLO’Neal[3]采用實驗的方法研究了反循環(huán)除霜過程中制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性，獲得了反循環(huán)除霜過程中重要的系統(tǒng)工況參數(shù)以及換熱器表面融霜狀態(tài)隨時間的變化趨勢。Yonko和Sepsy[4]通過假設(shè)空氣導(dǎo)熱系數(shù)，提出了理論霜層導(dǎo)熱系數(shù)的計算模型，展現(xiàn)系數(shù)受多方面因素的影響。Hayashi等[5]提出在高速氣流產(chǎn)生的霜有四種晶體形態(tài)，并分別對形態(tài)結(jié)構(gòu)進行了詳細的研究。Tokura等[6]在空氣自然對流狀態(tài)下霜層的形成過程進行了研究，此時霜層僅有兩種晶體形態(tài)出現(xiàn)。Tao[7]建立了模型，從系統(tǒng)工況特性參數(shù)入手，研究霜層生長過程的動態(tài)分布特性。童鈞耕等[8]進行霜層能量平衡分析，提出霜層綜合導(dǎo)熱系數(shù)的概念。查式彤，連添達等[9]分析了換熱器表面結(jié)霜過程，并從幾種形式和結(jié)構(gòu)的霜入手，分析了不同系統(tǒng)工況參數(shù)與結(jié)霜速率的關(guān)系以及霜層不同形態(tài)形成的條件。在熱、質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，建立了均質(zhì)霜層模型和考慮霜結(jié)構(gòu)的霜層成長模型。邢震等[10]從環(huán)境系統(tǒng)工況參數(shù)以及翅片結(jié)構(gòu)對翅片換熱器霜層生長特性的具體影響，多個角度分析得出結(jié)霜機理可以擇優(yōu)利用的情況。

現(xiàn)如今，結(jié)霜機理的霜層模型已經(jīng)相對穩(wěn)定，但是主要針對自然結(jié)霜的研究，多為理想的模型，結(jié)霜機理的研究發(fā)展需要進一步的結(jié)合實際環(huán)境系統(tǒng)狀況來發(fā)展研究，才有利于熱泵換熱器結(jié)霜除霜的發(fā)展。

2 結(jié)霜模型的研究

隨著對結(jié)霜機理的充分研究和對解決問題的實際需要，諸多的研究者提出了眾多的結(jié)霜模型，并發(fā)表了諸多成果。

Sanders[11]建立了蒸發(fā)器融霜模型，提出霜層的融化分為三個階段，并詳細的表述了霜層轉(zhuǎn)化冰層隨后接受空氣熱的融化過程。

Krakow等[12]建立了分析空氣源熱泵熱氣除霜過程的模型，將除霜過程分為：預(yù)熱、融霜、蒸發(fā)和干熱四個階段。李九如等[13]建立了室外換熱器熱氣除霜動態(tài)模型，通過模型動態(tài)觀測空氣源熱泵除霜時換熱器表面蒸發(fā)水量、耗熱量及翅片管換熱特性。楊明濤等[14]通過研究結(jié)霜除霜過程的系統(tǒng)工況狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律，選出最佳除霜開始時間。

通過結(jié)霜模型的建立與相關(guān)研究，明確結(jié)霜過程的物理變化現(xiàn)象、換熱特性和狀態(tài)參數(shù)的規(guī)律特點，促進結(jié)霜除霜問題的研究和解決是相關(guān)研究重要出發(fā)點。

3 翅片管換熱器表面結(jié)霜特性的研究

由于翅片管式換熱器幾何形狀的復(fù)雜性，因此其結(jié)霜問題較簡單幾何面上的結(jié)霜問題復(fù)雜。翅片多樣的形式使得結(jié)霜過程的影響因素增加，并導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜問題更加突出，空氣流動和風機流量下降現(xiàn)象明顯。

Konde-pudisn（1989—1991）將平片、波紋片及百葉窗片三種翅片形式的換熱器進行風洞實驗，分別研究了不同翅片參數(shù)在結(jié)霜狀態(tài)下對三種翅片管換熱器性能的影響[15]。

Jiankai Dong等[16]搭建了空氣源熱泵逆循環(huán)除霜試驗臺，研究了除霜過程中能量消耗的具體分布情況，實驗結(jié)果表明融霜所消耗的總能量中有71.8%來自于室內(nèi)環(huán)境，其中有59.4%消耗在除霜上面，除霜最高效率能夠達到60.1%。

黃東[17]研究了不同節(jié)流機構(gòu)對逆循環(huán)除霜時間的影響。用旁通銅管及熱力膨脹閥分別作為除霜時的節(jié)流機構(gòu)，利用空氣源熱泵冷熱水機組進行了實驗研究。因為旁通銅管系統(tǒng)比熱力膨脹閥系統(tǒng)有更大的流通面積，所以旁通銅管系統(tǒng)比熱力膨脹閥系統(tǒng)的除霜時間縮短1.5min，其中融霜時間縮短1.3min。分析得知節(jié)流機構(gòu)的進口的制冷劑為過熱氣體或者兩相狀態(tài)，制冷劑的氣相狀態(tài)使節(jié)流機構(gòu)的流量增加緩慢。

郭憲民等[18]通過對空氣源熱泵翅片管蒸發(fā)器表面結(jié)霜特性進行實驗研究，分析了室外環(huán)境溫度和相對濕度對霜層的形態(tài)和各類密度的影響。李臘芳等[19]通過對開孔型翅片的研究比較，進行數(shù)據(jù)模擬和實驗研究，展現(xiàn)出在結(jié)霜條件下更高效的翅片形式。王金龍等[20]通過進行不同溫度的循環(huán)溶液對結(jié)霜融霜過程的實驗研究，分析了循環(huán)溶液的溫度和傳熱系數(shù)對結(jié)霜除霜過程的影響。不少學者應(yīng)用仿真技術(shù)模擬了翅片管式換熱器結(jié)霜工況下運行特性。Sensuh等人[11]基于傳熱傳質(zhì)機理建立熱泵用換熱器結(jié)霜與抑霜的數(shù)值仿真模型，并進行相關(guān)機理的研究。Krakow[12]建立翅片式蒸發(fā)器仿真模型模擬了干工況、濕工況以及結(jié)霜工況下的運行過程，并分析了相應(yīng)的運行特性。丁兵和丁國良等人[21]針對冰箱用翅片管式蒸發(fā)器的特點建立仿真模型，模擬了從開機運行、穩(wěn)定運行到停機這一過程的結(jié)霜特性以及換熱特性。張信安[22]建立翅片管式蒸發(fā)器干工況、濕工況和結(jié)霜工況下的動態(tài)仿真模型。劉志強、湯廣發(fā)等人[23]進行了空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜過程仿真研究。

以翅片換熱器結(jié)霜特性為基礎(chǔ)，結(jié)合熱泵運行的其它組成部分，通過建立實驗研究和數(shù)值模擬的方式，推進結(jié)霜除霜問題的研究，以得出合理處理結(jié)霜除霜問題的方法，對推動除霜技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

4 除霜方法現(xiàn)狀和發(fā)展動向

目前，抑制結(jié)霜和強化除霜技術(shù)還沒有得到完善和廣泛的應(yīng)用，霜的存在依然會給多個領(lǐng)域的發(fā)展帶來困擾。因此，為保持系統(tǒng)高效的運行,除霜是需要重點發(fā)展的研究核心。目前常用的除霜方法。主要有停機自然融霜、水或鹽水噴淋融霜、熱氣旁通除霜、電熱除霜和逆循環(huán)除霜。常用方法隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展不能滿足需求，需要幾種具有良好前景的新方法。

氣動除霜：依靠高速氣流對霜層的動力作用將霜層從設(shè)備壁面上剝離。這種方式耗能小，且不會增加設(shè)備間的熱負荷。

室內(nèi)排風除霜：通過合理利用室內(nèi)排風與環(huán)境空氣混合，經(jīng)除濕處理后進行對結(jié)霜的抑制。

過冷蓄能除霜：通過相變蓄熱，使節(jié)流前制冷劑過冷，以達到目的。同時結(jié)合室外風機換向延緩結(jié)霜。

在此基礎(chǔ)上，除霜方式的優(yōu)化有了進一步的發(fā)展。結(jié)合傳統(tǒng)的和新興的除霜方式，產(chǎn)生了組合式的除霜方式，例如多熱源輔助的除霜方式，結(jié)合熱氣旁通和蓄熱除霜的方式，提高除霜效率；結(jié)合噴氣增焓技術(shù)的系統(tǒng)耦合除霜，降低除霜能耗。同時在換熱器運行過程中的溶液除霜，也是除霜發(fā)展的重要趨勢。

除霜方式的發(fā)展，主要基于傳統(tǒng)的除霜方式以及翅片換熱器本身的換熱過程，可以從中進行新的研究，尋出更高效和合適的方法。

5 霜層生長計算模型

結(jié)霜除霜的研究需要建立相應(yīng)的模型進行研究，霜層的成長模型是研究結(jié)霜除霜的基礎(chǔ)。

5.1 控制方程

控制方程主要包括一套體積分數(shù)控制方程,兩套質(zhì)量守恒方程、一套組分守恒方程、兩套動量守恒方程、兩套能量守恒方程和一套湍流控制方程。并使用相應(yīng)的方程求解相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)。

方程構(gòu)成了霜層的形成與生長數(shù)學模型。此時，霜層為兩相混合物的模型形式，負荷霜層的真實結(jié)構(gòu)。

5.2 數(shù)學模型的建立

微元段的選取一般有如下兩種方法：

根據(jù)換熱管的排列方式，選取一直管段加上與直管段所相鄰的兩則各占一半的彎頭段以及所連接的翅片為一個微元段，則整個換熱器的微元段數(shù)等于換熱管數(shù)。如圖（a）所示的換熱器。

制冷劑在直管段的換熱情況需要著重考慮，所以以制冷劑流向為標準，將換熱管選出的流程段劃分為若干個微元段，每一個微元段上連接的翅片自動劃歸到該微元段內(nèi)。如圖（b）所示。

圖1 翅片換熱器排列及分段

仿真模型對霜層生長過程的模擬采用經(jīng)驗性的集總參數(shù)模型，均假設(shè)霜層的物性在整個霜層中是均勻分布的。仿真模型的經(jīng)驗性的公式較多，需要進行簡化處理。

為了簡化模型，在模擬的過程中，本文做了如下假設(shè)

（1）假設(shè)濕空氣為不可壓的牛頓流體；

（2）濕空氣入口流量在入口處均勻分布；

（3）忽略重力的影響；

（4）相鄰翅片間的溫度場和流場關(guān)于中間界面呈對稱分布；

（5）換熱管外表面溫度恒定，等于制冷劑蒸發(fā)溫度；

（6）翅片根部溫度與換熱管外表面溫度一樣，等于制冷劑蒸發(fā)溫度；

（7）翅片溫度沿垂直于換熱管方向呈二維分布，在翅片厚度的方向呈一維分布。

5.3 邊界條件

邊界條件如圖所示，空氣側(cè)前入口設(shè)置為速度入口邊界，后端入口設(shè)置為自由出流邊界。換熱管內(nèi)表面設(shè)置為無滑移固體壁面，溫度與制冷劑蒸發(fā)溫度相同。前端和后端均設(shè)置為絕熱邊界。兩個計算域共有的界面設(shè)置為內(nèi)部面,在計算過程中,兩個計算域的溫度通過這些界面進行傳遞。其他的界面均設(shè)置為對稱面。

圖2 翅片管式換熱器結(jié)霜工況運行特性數(shù)值模擬邊界條件

5.4 初始條件

初步條件設(shè)置如下：

舉例說明翅片換熱器的基本工況，進行結(jié)霜除霜的模擬仿真研究方法。

分析翅片管結(jié)構(gòu)對結(jié)霜特性的影響,我們使用變參數(shù)正交模擬。其中，保持不變的參數(shù)為換熱管外徑、管壁厚、翅片厚度、管間距和濕空氣進口溫度，其取值見表1。變化的參數(shù)為翅片間距、濕空氣進口流速、濕空氣進口相對濕度和制冷劑蒸發(fā)溫度，其取值見表2。

表1 翅片管式換熱器部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱力參數(shù)

表2 翅片管式換熱器結(jié)霜工況運行特性模擬工況

最后根據(jù)工況的參數(shù)進行模擬計算，得出翅片換熱器結(jié)霜特性結(jié)果，進而用于除霜的分析。

6 除霜模型

除霜模型的建立是基于水平圓管的二維物理模型，采用VOF方法研究霜層融化的特征。

霜層融化過程中，首先是冰晶坍塌，靠近壁面的霜層開始融化，融化水沿著壁面向下流動。在霜層存在孔隙的客觀因素下，融化霜層得到的霜水被未融化的霜層所吸收，并且在室外環(huán)境溫度足夠低的情況下，吸收霜水的霜層會重新凝固，形成新的霜層。

上述實際的融霜過程過于復(fù)雜，用FLUENT現(xiàn)有技術(shù)精確模擬融霜的整個過程目前還做不到，于是借鑒融霜模擬分析的常用假設(shè)，我們使用以下假設(shè)：

所有翅片管在融霜開始階段初始溫度統(tǒng)一；霜層均勻布在換熱器表面；融霜過程為準穩(wěn)態(tài)過程；霜層物理性質(zhì)為傳統(tǒng)結(jié)霜的性質(zhì)；霜的熱導(dǎo)率為固定值；忽略輻射換熱；忽略霜層的自然變化過程；霜層外表面和外界的自然對流傳熱系數(shù)為定值。

結(jié)霜除霜模型是典型的凝固與融化模型，結(jié)合流體基本方程，展開對模型的數(shù)值模擬，即可獲得復(fù)雜流場中各位置的基本狀態(tài)參數(shù)的分布以及隨時間變化情況，明確除霜模型的動態(tài)特性。

從翅片換熱器截截取其中一根單管以及周圍的翅片，并繪制模型圖。

圖3 翅片模型圖

從圖中取下一個翅片。

圖4 翅片截取圖

為簡化分析，做以下假設(shè)：認為溫度僅與肋片高度有關(guān)，肋片的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，肋片頂端中間位置視為絕熱肋片的傳熱簡化為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程：

通過數(shù)值模擬研究翅片間霜層的融化過程，需要定義兩翅片間為一個單元，從一個翅片到另外一個翅片中間的物質(zhì)分別是霜層-空氣-霜層，由于物理模型具有幾何對稱性，因此數(shù)值模型只需要物理模型的一半進行模擬計算。

此處只突出翅片本身對霜層融化的影響，根據(jù)圖5，利用前處理軟件Gambit做出模型圖，根據(jù)物理模型和對稱性，建立的數(shù)值模型如圖6所示，圖6上部圓圈部分的模型如圖7所示。

圖6 數(shù)值模型

圖7 數(shù)值模型（部分）

數(shù)值模型的左邊面為翅片表面，模型分割線的左邊是霜層，模型分割線右邊是空氣層，模型的右邊面為對稱面。網(wǎng)格采用四邊形和三角形網(wǎng)格。

通過以上除霜模型的建立，對除霜模型的有一個基本的概念，為翅片換熱器除霜的具體分析奠定一個基礎(chǔ)，數(shù)值模擬仿真分析皆可從以上過程展開進行。

7 結(jié)論

隨著翅片換熱器熱泵技術(shù)的發(fā)展，除霜問題成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的重點突破口，近年來國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)對做出大量研究。本文主要從結(jié)霜模型入手，同時結(jié)合除霜技術(shù)的發(fā)展，著重介紹了除霜的發(fā)展前景、結(jié)霜除霜數(shù)值分析模型的基本情況。結(jié)合文獻分析和模型的研究，得到參考性的結(jié)論。

（1）結(jié)霜機理的研究。結(jié)霜機理研究已相當充實，但多為理想模型，結(jié)霜機理的研究發(fā)展需要進一步的結(jié)合實際環(huán)境系統(tǒng)狀況來發(fā)展研究，才有利于熱泵換熱器結(jié)霜除霜的發(fā)展。

（2）結(jié)霜模型的相關(guān)研究，已經(jīng)相對穩(wěn)定，作為機理研究的延伸，多為結(jié)霜過程動態(tài)特性分析，是展開結(jié)霜除霜研究的基礎(chǔ)。

（3）翅片換熱器結(jié)霜特性的研究。通過實驗和數(shù)值模擬的方式，從翅片形式、換熱器的基本組成部分的運行特性等角度入手，結(jié)合具體的運行工況，進行結(jié)霜除霜特性的研究。研究多數(shù)為換熱器結(jié)霜除霜特性的研究，少有挑選重點角度進行結(jié)合除霜的優(yōu)化研究，側(cè)重研究相對較少，整體研究精細程度不夠突出，將來的研究可有側(cè)重精細進行結(jié)霜特性的研究，促進除霜的研究。

（4）改進除霜方式的研究。除霜方式的發(fā)展，主要基于傳統(tǒng)的除霜方式以及翅片換熱器本身的換熱過程，結(jié)合熱泵和換熱器的新的研究成果，研究更高效和合適的方法。

（5）結(jié)霜除霜模型建立。本文舉例說明了結(jié)霜除霜的模型建立，為具體研究提供模型基礎(chǔ)。

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Study on Application of Defrosting Technology in Fin Heat Exchanger

Sun Lumeng1Wang Chunmin2Jia Binguang1

( 1.Shandong Jianzhu University, College of Thermal Engineering, Jinan, 250101;2.Dunham Bush (China) Industrial Co., Ltd, Jinan Branch, Jinan, 250101 )

Heat pump technology is a new energy technology which has attracted much attention in the world in recent years. As for one of the important parts of heat pump, the related problems of heat exchanger are very concerned.The frosting and defrosting problem of heat exchanger is always the problem of heat pump technology.The article mainly introduces the related fin heat exchanger and heat pump defrosting technology research in recent years,the new development of the fin heat exchanger defrosting technology research, application status and development of new ideas are made the simple elaboration, and reference opinions are put forward.

Finheatexchanger; Heat pump frosting and defrosting technology; Researchprogress

TK-9

A

1671-6612（2019）03-262-07

孫陸萌（1993-），男，碩士，主要從事暖通空調(diào)方面的研究，E-mail：253952150@qq.com

2018-06-08