摘要：条缝型翅片、百叶窗型翅片和槽型翅片等矩形间断型翅片已成为干、湿工况下翅片管式换热器的主流片型，与平翅片相比，其优越的换热性能已被大量试验研究所证实。
关键词：制冷换热器；翅片；变间距；节能
冷藏室和冰箱作为食品的存储地，室内或箱体内空气温度较低，蒸发器换热面容易结霜。目前，积霜工况下工作的翅片管式制冷换热器的翅片结构主要是以平翅片为主要片型，且换热器机构多为非变间距换热器，这在冷库里的冷风机上较常见。但当换热器运行一段时间时，翅片表面积满霜层，前排翅片管被霜层严重堵塞，导致换热效果变差，需频繁除霜，耗电量大。因此，在变翅片间距制冷换热器中，采用高效翅片来增强换热，有重要的节能意义。本文作者利用风洞试验台，对结霜工况下空气外掠三排变间距圆孔翅片管式换热器的对比性实验进行研究。
一、试验测试
1、实验原理。实验装置由风系统、制冷系统和测量装置部分组成，风系统由混合箱、实验风洞、风机和循环管道组成。空气由混合箱内的双扭线吸风口进入，经蜂窝器、均流器后进入实验段。实验段截面面积为300mm×300mm，蒸发器试件安装于实验段中。空气在实验段被冷却后经均流器进入测速段，然后被风机吸入，经风阀后送入循环管道、混合箱，完成循环。循环管道内安装有主加热器、精加热器和加湿器，以控制湿空气的入口参数。制冷系统由压缩机、水冷式冷凝器、热力膨胀阀和翅片管式蒸发器组成。风系统和制冷系统外表面均采用双层橡塑严格保温，热损失可忽略不计。试件前后空气干球温度由实验段前后测温热电偶网上均布的热电偶测定，湿球温度测量装置测定，试件基管外表面温度由每根基管外表面间周向等距嵌置的热电偶测定。试件阻力由试件前后的静压环配合倾斜式微压计测定，风速由毕托管配合倾斜式微压计测定。毕托管置于测速段，测速段截面积仅为实验段的1/3，因此，流速较高，测量准确。冷凝器进、出口水温由标准水银温度计测量，流量采用称量法测量，压缩机耗电量采用功率表测量。在实验过程中，同时采用大气压力表测量大气压力。整个实验装置经严格标定，风道截面温度的不均匀性在?0.1-0.1 K 之内，风、水系统的热平衡相对误差在?5%-5%之内。
2、实验样件。三排管圆孔翅片管式蒸发器实验试件，结构为铜管套铝片。试件蒸发器采用对称圆孔翅片管制成，变间距换热器翅片管组成：第1 排换热器的翅片间距为16 mm，第2 排换热器的翅片间距为13 mm，第3 排换热器的翅片间距为10 mm。非变间距换热器同样由3 排翅片管组成，每排管翅片数都是28 片，翅片间距均为10 mm。所有翅片基本尺寸如下：基管外径D0=25 mm，翅片厚度δ=0.5 mm，管间距Y=76 mm，翅片宽度W=61 mm，高度H=296mm，圆孔直径D=14mm。圆孔的开设位置基管前后各对称开设2 个圆孔，孔管距e=26 mm，孔管中心距l=21.5 mm。实验试件由专业厂家精加工制成，翅片与基管采用胀管工艺连接，接触紧密，实验结果整理时不考虑接触热阻。
二、实验数据处理
（1）制冷量。制冷量采用焓差法计算。由实验试件前后测量得到空气进口和出口的干、湿球温度，大气压力已知，从相关焓?湿图中查得湿空气对应状态点的焓。制冷量采用下式计算：
（2）蒸发器平均当量表面传热系数。采用平均当量表面传热系数来说明和综合比较2种换热器换热效果的优劣性。平均当量表面传热系数采用传热学基本公式：
三、实验结果分析比较
1、平均当量表面传热系数。从表可知：当翅片迎面风速从1.87 m/s 变为4.30 m/s 时，换热器当量表面传热系数均发生变化，非变间距换热器当量表面传热系数略有所增加，而变间接换热器有所下降。主要原因是：在高风速下，由于风速增大，且非变间距换热器翅片数明显比变间距换热器的多，导致高分速下其换热量增大，当量表面传热系数略有所增多，但仍比非变间距换热器的小；在风速变间距翅片管式换热器表面传热系数平均比非变间距换热器分别提高18.3%和10%，平均提高了14.15%，且平均表面传热系数提高较大的风速是1.87 m/s。可见：风速不太高时，变间距技术对强化传热是有利的。
2、换热器阻力。不同风速下曲线的变化趋势基本一致，非变间距换热器的阻力明显要大于变间距换热器的阻力，且Δp 随着速度的增大而增大，且随时间的延长而增大。这是由于变间距换热器的翅片间距较大，阻力较小，同时，当第1 排翅片结霜时，非变间距换热器霜层对空气阻力的影响更加明显。
3、制冷量比较。变间距翅片管式换热器在小风速下的制冷量明显比非变间距翅片管式换热器大。计算表明：当um=1.87 m/s 时，变间距翅片管式换热器制冷量比非变间距翅片管式换热器的制冷量高7.6%；但随着风速的增大，制冷量均有所下降。其原因主要是开始随着风速的增大，翅片表面传热系数增大，翅片表面容易布满霜层，导致换热量减少；当风速um=4.3 m/s 时，两者的制冷量基本相同。因此，在低风速下使用变间距翅片管式换热器，不但能够满足制冷量的要求，同时还可以减小换热器的换热面积，节省金属材料。
4、换热器耗材量及低风速下的节能性能比较。非变间距换热器由3 排翅片管组成，每排管套片28 片，总计套片84 片。变间距换热器同样由3 排翅片管组成，各排翅片的套片数分别是17，21 和28 片，总计66 片。两者相比，后者节省21.4%的翅片金属材料。以风速um=1.87 m/s 为例，比较变间距换热器与非变间距换热器的换热与流阻性能，变间距换热器当量表面传热系数提高18.26%，阻力减小48.85%，节省21.43%的翅片金属材料。
结论
(1) 在较低风速下(um＜4.3 m/s)采用圆孔翅片代替平翅片和变间距技术能产生明显的节能效果，当um=1.87 m/s 时，换热量提高7.6%，变间距换热器当量表面传热系数提高18.26%，阻力减小48.85%，节省21.43%的翅片金属材料。但在低风速下，换热效果明显，其原因有待深入研究。
(2) 当时间τ＜130 min 时，当量表面传热系数随运行时间的延长而增大；当τ＞130 min 后，当量表面传热系数随运行时间的延长而减小，表明在结霜初期，在翅片表面霜层增大换热面积和表面粗糙度，增强气流扰动，起到强化传热的效果，但随着霜层的增厚，换热效果恶化，换热量下降。
(3) 变间距对称圆孔翅片管式换器，在低风速下，阻力明显比非变间距圆孔翅片管式换热器的小，这可有效降低系统风机的压头，减少系统的耗电功率，从而提高系统的能效比。
参考文献：
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论文作者:王书慧
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/9
标签：换热器论文; 间距论文; 翅片论文; 风速论文; 圆孔论文; 当量论文; 系数论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;