(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術(shù)中心 上海 200240)

近年來(lái)，大氣顆粒物污染引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，繼煤煙型污染、光化學(xué)污染之后，人類正在進(jìn)入以室內(nèi)空氣污染為標(biāo)志的第三污染時(shí)期。在我國(guó)，問(wèn)題愈加明顯，室內(nèi)外PM2.5和TSP濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的35 μg/m3[1]。室內(nèi)空氣顆粒物污染不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生影響，對(duì)所有暴露于其中的設(shè)備均具有一定的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大氣顆粒物進(jìn)行了較多研究，多是針對(duì)室外環(huán)境，本文研究了室內(nèi)冰箱的微通道換熱器(MHE)積灰機(jī)理。冰箱使用一定期限后，位于冰箱底部的MHE表面形成大量污垢，增大了空氣側(cè)熱阻且減小了空氣流通面積，造成MHE空氣側(cè)壓降增大、換熱能力衰減。Y. J. Chang等[2-3]研究了沉積結(jié)垢物質(zhì)特性及分布特點(diǎn)，結(jié)果表明沉積結(jié)垢主要成分為粉塵顆粒及纖維等。Y. C. Ahn等[4]實(shí)驗(yàn)研究了翅片管換熱器積灰機(jī)理，發(fā)現(xiàn)顯著影響因素為室內(nèi)污染物尺寸和濃度、過(guò)濾器效率、翅片材料親水性、翅片結(jié)構(gòu)和片距。Pu Hui等[5]研究了管片式換熱器空氣側(cè)微生物污染的問(wèn)題，結(jié)果表明微生物污染最多可造成換熱器空氣側(cè)壓降升高41.3%。梁欣等[6]研究了百葉窗波紋翅片換熱器在有灰塵的環(huán)境中加速積灰過(guò)程，結(jié)果表明，翅片密度越大，風(fēng)速和換熱量衰減越快。Yan Zhibin等[7]研究了微通道換熱器灰塵積累速率與換熱器內(nèi)流體溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)微通道換熱器內(nèi)流體溫度越高積灰速率越快，且脈動(dòng)來(lái)流會(huì)減少積灰。R. Lankinen等[8]研究了管片式換熱器積灰對(duì)壓降及換熱效率的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)換熱效率減小8%～18%，空氣側(cè)壓降增大200%。唐家俊等[9]搭建了積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，觀測(cè)粉塵的分布特征并測(cè)定沉積量，研究波紋翅片管換熱器表面的粉塵沉積特性，結(jié)果表明，粉塵主要沉積在換熱器迎風(fēng)面的翅片前緣及換熱管的迎風(fēng)面上，高風(fēng)速能夠抑制灰塵沉積。I. H. Bell等[10]對(duì)比了不同灰塵對(duì)換熱器積灰的影響，研究了ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵和Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵對(duì)微通道換熱器空氣側(cè)壓降和傳熱性能的影響，結(jié)果表明，ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生較大影響，1 612.5 g/m2的粉塵使壓降增大200%；Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵使壓降無(wú)明顯變化，但傳熱量降低了10%。Li Yang等[11]使用ASHREA標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)粉塵，研究噴射換熱器性能的衰減，得到與I. H. Bell等[10]類似的結(jié)論，并定義1 612 g/m2粉塵通過(guò)量近似為換熱器實(shí)際工作一年后的污染物通過(guò)量。I. H. Bell等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)翅片密度對(duì)積灰狀況有明顯影響。徐博[13]研究了微通道換熱器表面積灰成核和堆積過(guò)程的特點(diǎn)，總結(jié)了減少快速成核區(qū)域和減緩成核速度的防積灰原則，提出波紋翅片加風(fēng)機(jī)反吹的長(zhǎng)效解決方案。D. Mason等[14]研究得出固體顆粒的沉積分為兩個(gè)階段：一是核狀顆粒物中的大顆粒物在換熱器表面沉積；二是大顆粒物沉積達(dá)到一定程度，顆粒物大量沉積，空氣側(cè)壓降急劇上升。M. G. Mwaba等[15]依據(jù)logistic函數(shù)研究得出半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式用以預(yù)測(cè)積灰情況，并提出換熱器清潔的有效性可以用成核時(shí)間來(lái)評(píng)定。J. A. Siegel等[16]研究了顆粒污垢沉積機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污垢的影響導(dǎo)致空氣流量減少5%～6%，系統(tǒng)效率降低2%～4%。施駿業(yè)等[17]研究了顆粒物污染室外換熱器對(duì)家用空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，定量分析了積灰對(duì)功耗的影響，發(fā)現(xiàn)采用微通道換熱器的機(jī)組性能衰減明顯高于原機(jī)，制冷量衰減23.2%，功耗增加34.6%，能效衰減43.1%，指出微通道換熱器更易受顆粒物污染的影響。

目前大多數(shù)學(xué)者研究的是換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)積灰的影響，以及積灰對(duì)換熱器性能的影響和粉塵的沉積特性。本文研究了冰箱微通道換熱器(MHE，micro-channel heat exchanger)積灰的外部影響因素，即灰塵種類、風(fēng)速、相對(duì)濕度、是否帶電4個(gè)因素對(duì)MHE積灰的影響。將MHE樣件置于換熱器積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，模擬積灰過(guò)程，用壓差傳感器記錄MHE兩側(cè)壓差的變化情況，并用高清工業(yè)相機(jī)記錄MHE表面積灰情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與工況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為MHE積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括風(fēng)道系統(tǒng)和粉塵發(fā)生裝置兩部分。風(fēng)道系統(tǒng)主體材質(zhì)為亞克力板，總長(zhǎng)度為7 m，由離心風(fēng)機(jī)、氣流準(zhǔn)直器、孔板流量計(jì)、氣體入口傳感器、MHE試樣、氣體出口傳感器和過(guò)濾器組成。離心風(fēng)機(jī)向風(fēng)道送風(fēng)，經(jīng)氣流準(zhǔn)直器后經(jīng)過(guò)噴嘴流量計(jì)，其前后設(shè)置壓差傳感器1，用以監(jiān)測(cè)流量，與灰塵混合后流經(jīng)MHE試樣，MHE試樣前后也設(shè)置壓差傳感器2，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得積灰前后壓降數(shù)據(jù)。粉塵發(fā)生裝置由軸流風(fēng)機(jī)、高壓氣泵、灰塵混合器和灰塵給料器組成。進(jìn)土灰速度控制器可實(shí)現(xiàn)勻速加灰，加灰速度設(shè)定為200 g/h，通過(guò)高壓氣泵將灰塵吹入灰塵混合區(qū)。MHE試樣尺寸為13.5 cm×14.5 cm，片間距為2 mm，片高為12 mm，片寬為32 mm。實(shí)驗(yàn)中所用各傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 The parameters of sensor

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

積灰的工況參數(shù)包括：氣流速度、灰塵種類、氣流相對(duì)濕度和MHE所帶電壓。實(shí)驗(yàn)中采用控制變量的方法，分別研究各參數(shù)變化對(duì)積灰的影響，其中電壓工況點(diǎn)的選取，在實(shí)際測(cè)量中讀取。實(shí)驗(yàn)工況分組如表2所示。

通過(guò)A2組中不同風(fēng)速條件下實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出風(fēng)速對(duì)MHE積灰的影響；對(duì)比A1、A2和A3得出灰塵種類對(duì)MHE積灰的影響；對(duì)比A2和A4得出相對(duì)濕度對(duì)MHE積灰的影響；對(duì)比A4和A5得出有/無(wú)電壓對(duì)MHE積灰的影響。

圖1 MHE積灰可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Visualization test bench for ash accumulation of the MHE

測(cè)試風(fēng)速/(m/s)灰塵種類相對(duì)濕度/%是否帶電A11.0100%顆粒45否A21.0、3.0、4.595%顆粒+5%纖維45否A31.092%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維45否A41.095%顆粒+5%纖維65否A51.095%顆粒+5%纖維65直流5 V

圖2所示為某品牌對(duì)開(kāi)門家用冰箱MHE相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化。

圖2 MHE相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化Fig.2 The relative humidity changes with time in the MHE

由圖2可知，MHE相對(duì)濕度變化范圍為60%～70%，相對(duì)濕度驟降時(shí)為打開(kāi)冰箱門以模擬家庭使用情況，每小時(shí)打開(kāi)冰箱門15 min。實(shí)驗(yàn)中，選擇高濕度環(huán)境下的相對(duì)濕度為65%。

圖3所示為該冰箱MHE上所帶電壓隨時(shí)間的變化。由圖3可知，電壓的變化范圍為1～5 V，為了準(zhǔn)確顯示電壓對(duì)MHE積灰是否有影響，實(shí)驗(yàn)中選擇直流電壓為5 V。

圖3 MHE電壓隨時(shí)間的變化Fig.3 Voltage of the MHE changes with time

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)速對(duì)MHE積灰的影響

圖4所示為灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對(duì)濕度為45%，MHE不帶電的情況下，風(fēng)速分別為1.0、4.5 m/s時(shí)MHE試樣空氣側(cè)壓降、風(fēng)量與f因子(范寧摩擦系數(shù))隨時(shí)間的變化，以及風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)MHE空氣側(cè)壓降隨時(shí)間的變化。

圖4 不同風(fēng)速下MHE空氣側(cè)風(fēng)量、壓降和f因子隨時(shí)間的變化Fig.4 Air-side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time at different wind speeds

由圖4(a)可知，A2(1.0 m/s)工況下，風(fēng)量衰減率為31.7%，空氣側(cè)壓降穩(wěn)定在50 Pa以內(nèi)；A2(4.5 m/s)工況下，風(fēng)量衰減率為14.2%，空氣側(cè)壓降先緩慢增大，然后急速增大至208 Pa；A2(3.0 m/s)工況下，空氣側(cè)壓降約為100 Pa。風(fēng)速?gòu)?.0 m/s增大至3.0 m/s，再增大至4.5 m/s時(shí)，壓降增長(zhǎng)率從451.4%增至910.4%，再減小至353.3%。由圖4(b)知，積灰時(shí)間相同時(shí)，f因子低風(fēng)速時(shí)比高風(fēng)速時(shí)更大，隨著時(shí)間的增加，低速工況下的f因子增大的速度更快。

圖5所示為灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對(duì)濕度為45%，MHE不帶電的情況下，風(fēng)速分別為1.0、4.5 m/s時(shí)MHE表面積灰情況對(duì)比。

由圖5可知，A2(1.0 m/s)工況下，灰塵大量沉積在翅片迎風(fēng)表面；A2(4.5 m/s)工況下，積灰開(kāi)始向內(nèi)擴(kuò)展。

分析灰塵在不同風(fēng)速下的沉積特性可知，低風(fēng)速下風(fēng)量衰減更大，翅片前緣正對(duì)含塵氣流，此時(shí)氣流對(duì)附著灰塵的沖擊較小，灰塵會(huì)首先沉積在翅片前緣，然后在迎風(fēng)表面漸漸沉積；高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)量衰減較小，含塵氣流沖刷MHE迎風(fēng)表面，將較多灰塵吹入翅片后緣背風(fēng)處。

2.2 灰塵種類對(duì)MHE積灰的影響

圖6所示為風(fēng)速為1.0 m/s，相對(duì)濕度為45%，MHE不帶電的情況下，灰塵組成分別為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維和92%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維時(shí)，MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量和f因子隨時(shí)間的變化。

圖5 不同風(fēng)速下MHE翅片表面積灰情況對(duì)比Fig.5 Comparison of air-side fouling on the MHE at different wind speeds

圖6不同灰塵種類時(shí)MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量和f因子隨時(shí)間的變化Fig.6 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE change with time under different kinds of dust

由圖6(a)可知，A1、A2(1.0 m/s)和A3這3種工況下，空氣側(cè)壓降增長(zhǎng)率分別為8.8%、451.4%和524.9%。A2(1.0 m/s)和A3工況下風(fēng)量衰減率分別為31.6%和48.7%。由圖6(b)可知，A3工況下的f因子增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于A2(1.0 m/s)工況。

圖7所示為風(fēng)速為1.0 m/s，相對(duì)濕度為45%，MHE不帶電的情況下，灰塵組成分別為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維和92%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維時(shí)MHE試樣表面積灰情況。

圖7 不同灰塵種類時(shí)MHE翅片表面積灰情況對(duì)比Fig.7 Comparison of air-side fouling on the MHE with different kinds of dust

由圖7可知，灰塵特質(zhì)顯著影響MHE表面積灰狀況。粉末狀灰塵基本不能沉積，隨著纖維所占比例增加，積灰速度越來(lái)越快，灰塵成分中加入長(zhǎng)纖維后，積灰量在很短時(shí)間內(nèi)便可達(dá)到最大值。

粉末狀灰塵附著在MHE表面，易于被氣流沖刷帶走，故難以在MHE表面沉積。由于纖維成分不容易被氣流沖刷帶走，更易附著于MHE表面，含纖維的灰塵中纖維成分之間相互交織，形成灰塵附著面，利于粉末狀灰塵的富集，使MHE表面出現(xiàn)灰塵沉積。長(zhǎng)纖維更難以通過(guò)翅片之間的間隙，被氣流沖刷脫落，因此灰塵更容易附著和沉積，很快便充滿整個(gè)MHE表面。

2.3 相對(duì)濕度對(duì)MHE積灰的影響

圖8所示為風(fēng)速為1.0 m/s，灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，MHE不帶電情況下，相對(duì)濕度分別為45%和65%時(shí)MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量與f因子隨時(shí)間的變化。

圖8不同相對(duì)濕度時(shí)MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量與f因子隨時(shí)間的變化Fig.8 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time at different relative humidity

由圖8可知，A2(1.0 m/s)和A4工況下的空氣側(cè)壓降增長(zhǎng)率分別為451.4%和385.6%，風(fēng)量衰減率分別為31.7%和26.4%。隨著時(shí)間變化，A2(1.0 m/s)工況的f因子始終高于A4工況。當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)，灰塵更容易產(chǎn)生靜電，相對(duì)濕度為45%時(shí)灰塵比65%時(shí)更容易沉積。

2.4 電壓對(duì)MHE積灰的影響

圖9所示為風(fēng)速為1.0 m/s，灰塵組成為95%顆粒+5%纖維，相對(duì)濕度為65%時(shí)，有/無(wú)電壓時(shí)，MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量與f因子隨時(shí)間的變化。

圖9 有/無(wú)電壓時(shí)MHE空氣側(cè)壓降、風(fēng)量與f因子隨時(shí)間的變化Fig.9 Air side air volume, pressure drop and f factor in the MHE with time with/without voltage

由圖9(a)可知，在積灰前期階段，A5工況下風(fēng)量衰減速度大于A4工況。隨著積灰過(guò)程的進(jìn)行，A4工況的風(fēng)量衰減速度超過(guò)A5工況，最終風(fēng)量衰減量也超過(guò)A5工況。積灰過(guò)程進(jìn)行60 min后，A4和A5工況的空氣側(cè)壓降增加率分別為385.6%和278.3%，風(fēng)量衰減率分別為26.4%和18.4%，因此帶電與否對(duì)積灰的影響相比其他因素較小。由圖9(b)可知，A4工況f因子初始時(shí)小于A5工況，隨著積灰過(guò)程的進(jìn)行，超過(guò)A5工況。

在積灰初期，MHE帶電情況下更利于纖維狀灰塵的附著，因此帶電情況下積灰更快，隨著積灰過(guò)程的進(jìn)行，帶電工況下積累了更多的纖維狀灰塵，而纖維狀灰塵較顆?；覊m更為疏松，故最后帶電工況下空氣側(cè)壓降更小，風(fēng)量的衰減也較少。

2.5 f因子的一階導(dǎo)數(shù)

圖10所示為A2(1.0 m/s)、A2(4.5 m/s)、A4和A5 4種工況下MHE的f因子隨時(shí)間的變化。

圖10 不同工況下MHE的f因子隨時(shí)間的變化Fig.10 f factor in the MHE changes with time under different conditions

由圖10可知，f因子在最初15 min變化不大，而在15～40 min期間，f因子逐漸變大，且變化速度加快，40 min后f因子迅速增大且f因子的一階導(dǎo)數(shù)發(fā)生階躍。原因是潔凈MHE上積灰初期處于潛伏期，積灰較為困難；而后處于發(fā)展期，灰塵積累緩慢但積灰量不斷增加，灰塵附著點(diǎn)也不斷增多；最后進(jìn)入積累期，覆蓋有一定量灰塵的MHE翅片上積灰較容易，灰塵積累速度迅速增大，積灰量增多。故除灰要在積累期之前進(jìn)行，避免灰塵大量沉積，嚴(yán)重影響MHE的性能。

3 結(jié)論

本文搭建了微通道換熱器(MHE)積灰模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了風(fēng)速、灰塵種類、相對(duì)濕度、是否帶電等因素對(duì)MHE積灰的影響。其中，風(fēng)速分別為1.0、3.0、4.5 m/s 3個(gè)工況；灰塵種類分為100%顆粒、95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維3個(gè)工況；相對(duì)濕度分別為45%、65%兩個(gè)工況；是否帶電分為無(wú)電壓和直流電壓5 V兩個(gè)工況，得到如下結(jié)論：

1)風(fēng)速越高，風(fēng)量衰減及衰減速度越受抑制。當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，風(fēng)量衰減率為31.7%；當(dāng)風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)，風(fēng)量衰減率為14.2%。較低風(fēng)速下，灰塵沉積在MHE翅片迎風(fēng)表面；較高風(fēng)速下，積灰向MHE翅片后緣擴(kuò)展。

2)粉末狀灰塵基本不能沉積，加入纖維成分后，積灰量和積灰速度顯著增大，空氣側(cè)壓降急劇上升。在100%顆粒、95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維3種工況空氣側(cè)壓降增長(zhǎng)率分別為8.8%、451.4%、524.9%。95%顆粒+5%纖維、92%顆粒+5%纖維+3%長(zhǎng)纖維工況下風(fēng)量衰減率分別為31.6%和48.7%。

3)高相對(duì)濕度抑制了風(fēng)量衰減。當(dāng)相對(duì)濕度為45%、65%時(shí)，空氣側(cè)壓降增長(zhǎng)率分別為451.4%、385.6%，風(fēng)量衰減率分別為31.7%、26.4%。

4)有電壓時(shí)，在積灰初期能夠加快風(fēng)量衰減速度，隨著積灰的進(jìn)行，電壓的影響逐漸消失，降低了MHE翅片的最大衰減風(fēng)量。在無(wú)電壓和直流電壓5 V工況下的空氣側(cè)壓降增加率分別為385.6%和278.3%，風(fēng)量衰減率分別為26.4%和18.4%。

5)在覆蓋有灰塵的MHE翅片上積灰比在潔凈的翅片上容易。潔凈MHE積灰過(guò)程經(jīng)歷潛伏期、發(fā)展期和積累期，后趨于平穩(wěn)。潛伏期灰塵難以積累，發(fā)展期積灰緩慢，積累期灰塵迅速大量積累，最后積灰量趨于不變。