空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜過程研究

郭心　常靈

摘 要：文章圍繞空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜試驗裝置以及試驗過程進行闡述，詳細分析具體的傳熱模型，并對試驗結(jié)果進行分析，堅持實事求是的基本原則，旨在為日后研究工作的順利進行奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;換熱器;融霜過程

空氣熱源泵已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域，并取得了一定的成效，針對空氣熱源泵室外置換器翅片管的結(jié)霜過程中對成熱效率造成的影響進行分析，通過試驗的方式對結(jié)霜以及融霜進行闡述，以此為依據(jù)掌握融霜速率的變化規(guī)律。

1 ? ?空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜試驗裝置及試驗過程

此次試驗所選擇的空氣源熱泵室外換熱器翅片管中的翅片材料為鋁制，管材料為銅制，管外徑、管內(nèi)徑、翅片間距、翅片厚度、翅片長、翅片寬、分別為10.00 mm，8.80 mm，1.6 0mm，0.15 mm，33.00 mm，19.00 mm，其中，翅片類型為平，翅片總數(shù)為360個，冷熱源主要是恒溫槽，在試驗設(shè)備連接的過程中，左側(cè)從上到下依次為接水托盤、手動三通閥、硅膠軟管，右側(cè)分別為熱敏電阻線、數(shù)據(jù)采集器以及手動三通閥，其中兩側(cè)各有兩個手動三通閥。

此次試驗主要在北方的1月份進行，控制好室外空氣干球溫度以及濕度，分別為﹣3～0 ℃，60%，并對融霜、結(jié)霜過程中循環(huán)液的溫度進行控制，前者分別為40 ℃，30 ℃，20 ℃，10 ℃，5 ℃，后者為﹣20 ℃，對融霜時間進行精準(zhǔn)記錄。將手動三通閥從上到下依次設(shè)定為1，2，將恒溫槽從上到下依次設(shè)定為3，4，開展結(jié)霜試驗，此時，對1進行控制，保證3與翅片管相互連接，并對循環(huán)液溫度進行控制，將其控制在﹣20 ℃，結(jié)霜5 h后需要控制2，保證4與下側(cè)的管路處于連接的狀態(tài)，并對4中循環(huán)液進行預(yù)熱處理，直至維持在一定的溫度，關(guān)注采集器與電子秤的狀態(tài)并開啟，需要將3關(guān)閉，對1，2進行控制，保證4與翅片管處于連接的狀態(tài)，此時進入到融霜過程，并做好記錄。

2 ? ?空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜過程傳熱模型

融霜過程中，過冷加熱與霜層融化階段的變化狀態(tài)通過構(gòu)建傳熱模型的方式進行分析。

第一種模型，主要是在室外溫度不夠低的環(huán)境下操作。第一階段，將流經(jīng)壁面的溶液溫度、溶液與換熱系數(shù)分別設(shè)定為ti，hi，二者之間處于固定的狀態(tài)。對霜層以及壁面之間的間隙進行控制，關(guān)注霜層與壁面的溫度變化狀態(tài)，將溫度設(shè)定為ts，將壁面溫度、霜層溫度設(shè)定為tw，tf，T=0時，二者的溫度均為ts，而當(dāng)tw，tf為0 ℃時，融霜的第一個階段結(jié)束。進入到第二階段時，霜層貼著壁面開始融化，壁面的溫度逐漸升高[1]。

第二種模型，與第一種不同的是霜層與壁面之間存在一定的空氣間隙，其中，融霜的第一階段與第一種方式相同，在融霜的第二個階段，關(guān)注壁面的霜層狀態(tài)，呈現(xiàn)出融化的狀態(tài)，并會產(chǎn)生一定數(shù)量的水，外層的霜層并未融化，將水吸收，水將會凝固。在融霜的第三階段，冰層沒有發(fā)生變化，要使冰層融化，需要將壁面的溫度上升到一定的區(qū)間，并關(guān)注與壁面之間的空間傳熱數(shù)值以及自由對流傳遞到室外空氣的熱量數(shù)值，當(dāng)前者大于后者，方可實現(xiàn)融化。

3 ? ?空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜過程試驗結(jié)果分析

對融霜的過程進行分析，對霜融化時翅片管的溫度進行控制，在0 ℃時開始出現(xiàn)融化現(xiàn)象，霜融化速度與冰晶融化坍塌有關(guān)，后者出現(xiàn)坍塌時，前者的融化速度減慢，對霜層的融化順序進行分析靠近壁面的霜層融化效果較為顯著，未融化的霜層將會吸收水分。在對加熱翅片管的消耗數(shù)值進行計算時，需要切實掌握翅片的比熱、翅片的質(zhì)量、單管的比熱、單管的質(zhì)量以及翅片與盤管的溫升，并將其分別設(shè)定為cfun，mfun，ccoil，Δt1，按照公式：

Q1=（cfunmfun+ccoilmcoil）Δt1

對加熱翅片管的消耗進行計算。在對循環(huán)液提供的熱量進行計算時，需要掌握循環(huán)液的比熱容、Δπ時間段通過的循環(huán)溶液量、每個時間段內(nèi)進出單管的循環(huán)溶液溫度差、數(shù)據(jù)采集儀記錄的次數(shù)，將其分別設(shè)定為cs、ms、Δt1、n，并按照公式進行計算：

對融霜速率對循環(huán)溶液溫度的變化曲線分析，融霜的速率與循環(huán)液溫度之間呈現(xiàn)出正相關(guān)，融霜速率隨著循環(huán)液溫度的升高而增大。當(dāng)融霜速率的差距較大時，循環(huán)液溫度處于最低值;當(dāng)循環(huán)溶液的溫度在10 ℃時，融霜速率最大，主要是由于在實際融霜的過程中，壁面向霜層的熱傳導(dǎo)會隨著銅管以及翅片表面溫度的升高而增大，所接收到的熱量也呈現(xiàn)出上升的趨勢。對融化單位質(zhì)量霜的總耗熱量隨循環(huán)溶液溫度的變化而變化的曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)與循環(huán)液溫度的升高有關(guān)，總耗熱量出現(xiàn)先下降后上升的趨勢，并對循環(huán)液的溫度在5～10 ℃以及10～40 ℃中能耗的變化進行分析，可以發(fā)現(xiàn)前者能耗逐漸降低，而后者能耗將逐漸升高，其中，低于10 ℃時，受到翅片表面溫度的影響所需要消耗的融霜時間較長，消耗的熱量并沒有下降，在高于10 ℃時，融化時間較短，但是從散熱角度分析，散熱量逐漸增加，消耗的熱量也隨之增加。為此，可以得出，當(dāng)將循環(huán)液的溫度控制在10 ℃時，消耗量處于最佳范圍[2]。

4 ? ?結(jié)語

上述試驗分析可以得出，融霜速率在一定程度上與循環(huán)液的溫度有關(guān)，而且二者之間呈現(xiàn)正相關(guān)。當(dāng)循環(huán)液的溫度在10 ℃時，所消耗的能耗最低，有助于降低空氣源熱泵外換熱器管能量的消耗。

[參考文獻]

[1]余柯憶.翅片表面疏水改性在空氣源熱泵抑霜上的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[2]黃劍鋒.空氣源熱泵室外換熱器翅片管的融霜過程分析[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2018（21）：117.

作者簡介：郭心（1985— ），男，漢族，遼寧鞍山人，學(xué)士;研究方向：制冷設(shè)備，熱泵研發(fā)。