目前應(yīng)用較廣的翅片類型包括平直翅片、波紋翅片和開窗翅片，這些翅片類型的換熱器表面所受的積塵狀況將嚴(yán)重影響換熱器的換熱效率。因此為了明確不同翅片結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的積灰長效性能變化，必須了解不同的翅片結(jié)構(gòu)對翅片管換熱器表面積灰特性的影響。

    本文我們就來探討下翅片換熱器表面積灰特性。分析翅片結(jié)構(gòu)對翅片管換熱器積灰與壓降的影響規(guī)律，以及不同翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器表面粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。

1、實(shí)驗(yàn)原理與測試樣件

1. 1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

翅片管換熱器積灰特性與壓降特性測試實(shí)驗(yàn)臺 

實(shí)驗(yàn)臺包括三部分:

1) 風(fēng)道系統(tǒng)，提供并引導(dǎo)特定風(fēng)速的干空氣至測試樣件;

2) 粉塵發(fā)生系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)粉塵的質(zhì)量流量以提供特定粉塵濃度的含塵氣流;

3) 可視化測試段，用于拍攝測試樣 件表面積灰形貌并測量粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降。

    可視化測試段包括透明有機(jī)玻璃風(fēng)道、測試樣件、分析天平、壓差傳感器、垂直升降機(jī)、托盤及海綿。樣件嵌入至托盤 2 mm 深的凹槽中固定，同時(shí)托盤四周刻出15 mm 深的凹槽并填充海綿，透明風(fēng)道擠壓 托盤凹槽中海綿以實(shí)現(xiàn)測試段密封。托盤置于分析天平上，升降機(jī)用于調(diào)節(jié)托盤升降高度，以實(shí)現(xiàn)積灰 過程中測量樣件重量及觀察積灰形貌。壓差傳感器 用于測量積灰過程中樣件空氣側(cè)壓降數(shù)據(jù)。

1. 2 實(shí)驗(yàn)工況及測試樣件

    實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)包括翅片類型和翅片間距。翅片類 型選為開窗翅片、波紋翅片和平直翅片，翅片間距選為 1. 5 mm 和 1. 8 mm，覆蓋常見的空調(diào)室外換熱器類型及尺寸。

依據(jù) GB 13270—91 的規(guī)定，實(shí)驗(yàn)采用的測試粉 塵包含 72% 的白陶土和 28% 的炭黑，粉塵密度為 2. 2 × 103 kg /m3 ，中位徑為 10 μm。由于實(shí)際室外環(huán)境中的粉塵濃度較低，為了加速 積灰的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)根據(jù)空調(diào)室外機(jī)中翅片管換熱 器的正常迎流風(fēng)速，選取噴粉濃度 10. 8 g /m3 、風(fēng)速 1. 5 m / s 進(jìn)行積灰實(shí)驗(yàn)。噴粉時(shí)間總長為 255 min， 保證粉塵沉積量達(dá)到穩(wěn)定。風(fēng)速由空壓機(jī)、流量計(jì)及 流量閥調(diào)節(jié)，噴粉濃度由螺旋給料機(jī)、控制柜、混合箱 實(shí)現(xiàn)控制。

2、數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

2. 1 數(shù)據(jù)處理方法

    壓降和風(fēng)速可分別通過壓差傳感器、流量計(jì)讀得，粉塵沉積量與噴粉濃度則由特定關(guān)系式得到。

2. 2 誤差分析  

    參數(shù)包含直接測量參數(shù)與間接測量參數(shù)，通過實(shí) 驗(yàn)儀器精度可得直接測量參數(shù)誤差，直接測量參數(shù)包 括空氣側(cè)壓降、空氣體積流量與樣件重量。通過 Ｒ.J.Moffat方法可求得間接測量參數(shù)誤差，如表 2 所示，間接測量參數(shù)包括粉塵沉積量。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3. 1 粉塵沉積分布特征分析  

    圖 3 給出了三種不同翅片類型的樣件在噴粉濃 度為 10. 8 g /m3 、風(fēng)速為 1. 5 m / s、噴粉時(shí)長為 255 min 下的粉塵沉積分布特征。由圖 3 可知，平直翅片管換熱器表面沉積粉塵少，且主要沉積在換熱管; 波紋翅片管換熱器的換熱管和波紋翅片表面均沉積有一定量粉塵，且積塵程度 較平直翅片嚴(yán)重;開窗翅片管換熱器表面積塵程度嚴(yán)重，翅片開窗處幾乎完全被粉塵堵塞，且換熱管表面也容易形成污垢塊。

    分析粉塵在這三種類型換熱器表面沉積特性可知: 開窗翅片表面突起的間斷縫隙正對著含塵氣流， 粉塵顆粒物更容易直接撞擊并沉積在間斷縫隙處，使 開窗翅片表面容易被粉塵堵塞。同時(shí)由于開窗翅片 表面各縫隙的間距較小，粉塵容易在各縫隙間形成較 為緊密的污垢團(tuán)，導(dǎo)致積灰程度較嚴(yán)重。 

    另外，由于平直翅片和波紋翅片的表面結(jié)構(gòu)相對 于開窗翅片更為簡單，在相同的換熱器橫截面積下， 兩者與含塵氣流的接觸面積較小，使粉塵顆粒物與換 熱器表面發(fā)生碰撞沉積的概率較小。同時(shí)由于平直 翅片間距和波紋翅片間距相對于開窗翅片各縫隙的 間距較大，積塵生長到一定厚度時(shí)容易在重力的作用 下從翅片表面脫落。

3. 2 翅片類型對粉塵沉積量與壓降的影響  

    圖 4 給出了噴粉濃度 10. 8 g /m3 、風(fēng)速 1. 5 m / s、 翅片間距 1. 5 mm、噴粉時(shí)長 255 min 時(shí)，不同翅片類 型對粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。粉塵沉積量 是通過可視化測試段中垂直升降機(jī)與分析天平測得。

    由圖 4( a) 可知，開窗翅片管換熱器表面積灰量大，且積灰量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間少。與平直片相比，波紋片和開窗片表面積灰量分別提高了 25. 6% 和 52. 8% ，積灰量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間分別減少了 8. 5% 和 25. 5% 。這是因?yàn)?，波紋片縱向呈波紋形， 相比于平直片，含塵氣流在翅片間流道長度增加，在相同噴粉時(shí)間內(nèi)，與翅片表面發(fā)生碰撞沉積的顆粒物 數(shù)量增多。而對于開窗翅片，表面突起的縫隙增加了迎風(fēng)面積，在相同的入口風(fēng)量下提高了迎面風(fēng)速，使得單位時(shí)間內(nèi)吹向開窗翅片表面的粉塵顆粒物數(shù)量增多，減少積灰量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間。

    由圖 4( b) 可知，開窗翅片管換熱器積灰后壓降大，且壓降達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間少。開窗翅片、波 紋翅片和平直翅片樣件壓降分別增加了 222. 8%、 136. 3% 和 116. 2% ，也即開窗翅片和波紋翅片的壓 降增量相比平直翅片分別提高了 165. 6% 和 44. 4% 。

    開窗翅片積灰后壓降達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間比波紋翅片 與平直翅片分別減少了 10. 5% 和 27. 9% 。這是由于，翅片表面結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，換熱器表面積塵量越多，不 斷堆積的粉塵引起含塵氣流流通面積減小，流動(dòng)阻力 增大，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增大。

由圖 4( c) 可知，相比于平直翅片與波紋翅片，開窗窗口幾乎完全被粉塵堵塞，使壓降增加顯著，其壓 降增強(qiáng)因子大; 波紋翅片表面粉塵沉積量較開窗翅 片小，對壓降的提升作用沒有開窗翅片明顯，其壓降 增強(qiáng)因子較低; 而平直翅片結(jié)構(gòu)簡單，表面積灰量少，壓降增加不明顯，故其壓降增強(qiáng)因子小。

3. 3 翅片間距對粉塵沉積量與壓降的影響 

    圖 5 給出了噴粉濃度10. 8 g /m3 、風(fēng)速 1. 5 m / s、 翅片類型開窗翅片、噴粉時(shí)長 255 min 時(shí)，不同翅片 間距對粉塵沉積量與空氣側(cè)壓降的影響。

    由圖 5( a) 可知，隨著翅片間距減小，積灰量逐漸增大，且積灰量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間逐漸減少。當(dāng)翅片間距由1. 8 mm逐漸減小1. 3mm時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)積灰量提高了26. 2%～43. 2% ，所需時(shí)間減少了9. 3%～17. 8% 。

    這是因?yàn)?，一方面翅片間距越小，含塵氣流掠過開窗口時(shí)氣流邊界層越容易遭到破壞，流 場不穩(wěn)定度增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒物在翅片間發(fā)生無規(guī)則碰 撞沉積概率提高。另一方面小翅片間距限制了污垢 團(tuán)在開窗口之間大尺寸，使堵塞在開窗口之間的污 垢團(tuán)不容易在重力的作用下從翅片表面脫落，提高了積塵量。

    由圖 5( b) 可知，隨著翅片間距減小，積灰后的空氣側(cè)壓降逐漸增大，且壓降達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸減少。翅片間距為 1. 8 mm、1. 5 mm 和1. 3 mm 的樣 件壓降分別增加了 221. 0% 、205. 3% 和 187. 2% ，即翅片間距為 1. 3 mm 與 1. 5 mm 的樣件相比翅片間距 為 1. 8 mm 的樣件壓降增量分別提高了 49. 4% 與 24. 1% 。翅片間距為 1. 3 mm 的樣件壓降達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間比翅片間距為 1. 5 mm 與 1. 8 mm 的樣件分 別減少了 11. 7% 和 29. 4% 。

    這是因?yàn)?，翅片間距越 小，換熱器表面積塵量越多，堵塞在換熱器迎風(fēng)面的 粉塵導(dǎo)致流通面積減小，含塵氣流的流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增大。

    由圖 5( c) 可知，隨著翅片間距減小，壓降增強(qiáng)因 子逐漸降低。壓降達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，翅片間距為 1. 8 mm、 1. 5 mm 和1. 3 mm 樣件的壓降增強(qiáng)因子分別為 3. 21、3. 05 和 2. 87。一方面小翅片間距能夠增大積 塵量，使壓降增大; 另一方面小翅片間距換熱器本身 積灰前的壓降就較大。因此通過這兩方面的綜合作 用，對于小翅片間距的換熱器，在噴粉初始階段其壓 降增強(qiáng)因子較大，在噴粉后期其壓降增強(qiáng)因子比大翅 片間距樣件的有所降低。

3. 4 粉塵沉積量對壓降的影響  

    由圖 6 給出了噴粉濃度 10. 8 g /m3 、風(fēng)速 1. 5 m / s、噴粉時(shí)長 255 min 時(shí)沉積量對壓降影響。由圖 6( a) 可知，開窗翅片、波紋翅片和平直翅片 三種翅片類型下，隨著沉積量增加，空氣側(cè)壓降均先 增大后保持穩(wěn)定。在積灰初期，隨著含塵氣流中粉塵 顆粒在翅片及換熱管上不斷堆積，污垢層快速生長， 使流通面積不斷減小，導(dǎo)致壓降增大，此階段壓降與 沉積量基本呈線性關(guān)系。當(dāng)達(dá)到積灰臨界點(diǎn)( 圖中 虛線所示) 時(shí)，粉塵顆粒主要沉積在翅片迎風(fēng)面前緣 并向外延伸，對換熱器流通面積基本無影響，導(dǎo)致此 階段壓降基本不變。此外，開窗翅片管換熱器的積灰 臨界點(diǎn)高于波紋翅片與平直翅片，這是由于開窗翅片表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各縫隙間距較小，更容易粘附粉塵顆 粒，從而使得積灰臨界點(diǎn)較高。

    由圖 6( b) 可知，對于開窗翅片管換熱器，翅片間 距越小，積灰量對壓降提升的作用越顯著，由圖 5( a) 分析可知，由于小翅片間距能夠快速增大單位時(shí)間內(nèi) 的積灰量，使壓降增加顯著。同時(shí)，小翅片間距的積 灰臨界點(diǎn)較高，原因是翅片間距越小，堵塞在翅片及 換熱管上的污垢層越不容易脫落。

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