空气源热泵室外换热器翅片管的融霜过程研究

郭心　常灵

摘 要：文章围绕空气源热泵室外换热器翅片管的融霜试验装置以及试验过程进行阐述，详细分析具体的传热模型，并对试验结果进行分析，坚持实事求是的基本原则，旨在为日后研究工作的顺利进行奠定基础。

关键词：空气源热泵;换热器;融霜过程

空气热源泵已经被广泛应用于社会的各个领域，并取得了一定的成效，针对空气热源泵室外置换器翅片管的结霜过程中对成热效率造成的影响进行分析，通过试验的方式对结霜以及融霜进行阐述，以此为依据掌握融霜速率的变化规律。

1    空气源热泵室外换热器翅片管的融霜试验装置及试验过程

此次试验所选择的空气源热泵室外换热器翅片管中的翅片材料为铝制，管材料为铜制，管外径、管内径、翅片间距、翅片厚度、翅片长、翅片宽、分别为10.00 mm，8.80 mm，1.6 0mm，0.15 mm，33.00 mm，19.00 mm，其中，翅片类型为平，翅片总数为360个，冷热源主要是恒温槽，在试验设备连接的过程中，左侧从上到下依次为接水托盘、手动三通阀、硅胶软管，右侧分别为热敏电阻线、数据采集器以及手动三通阀，其中两侧各有两个手动三通阀。

此次试验主要在北方的1月份进行，控制好室外空气干球温度以及湿度，分别为﹣3～0 ℃，60%，并对融霜、结霜过程中循环液的温度进行控制，前者分别为40 ℃，30 ℃，20 ℃，10 ℃，5 ℃，后者为﹣20 ℃，对融霜时间进行精准记录。将手动三通阀从上到下依次设定为1，2，将恒温槽从上到下依次设定为3，4，开展结霜试验，此时，对1进行控制，保证3与翅片管相互连接，并对循环液温度进行控制，将其控制在﹣20 ℃，结霜5 h后需要控制2，保证4与下侧的管路处于连接的状态，并对4中循环液进行预热处理，直至维持在一定的温度，关注采集器与电子秤的状态并开启，需要将3关闭，对1，2进行控制，保证4与翅片管处于连接的状态，此时进入到融霜过程，并做好记录。

2    空气源热泵室外换热器翅片管的融霜过程传热模型

融霜过程中，过冷加热与霜层融化阶段的变化状态通过构建传热模型的方式进行分析。

第一种模型，主要是在室外温度不够低的环境下操作。第一阶段，将流经壁面的溶液温度、溶液与换热系数分别设定为ti，hi，二者之间处于固定的状态。对霜层以及壁面之间的间隙进行控制，关注霜层与壁面的温度变化状态，将温度设定为ts，将壁面温度、霜层温度设定为tw，tf，T=0时，二者的温度均为ts，而当tw，tf为0 ℃时，融霜的第一个阶段结束。进入到第二阶段时，霜层贴着壁面开始融化，壁面的温度逐渐升高[1]。

第二种模型，与第一种不同的是霜层与壁面之间存在一定的空气间隙，其中，融霜的第一阶段与第一种方式相同，在融霜的第二个阶段，关注壁面的霜层状态，呈现出融化的状态，并会产生一定数量的水，外层的霜层并未融化，将水吸收，水将会凝固。在融霜的第三阶段，冰层没有发生变化，要使冰层融化，需要将壁面的温度上升到一定的区间，并关注与壁面之间的空间传热数值以及自由对流传递到室外空气的热量数值，当前者大于后者，方可实现融化。

3    空气源热泵室外换热器翅片管的融霜过程试验结果分析

对融霜的过程进行分析，对霜融化时翅片管的温度进行控制，在0 ℃时开始出现融化现象，霜融化速度与冰晶融化坍塌有关，后者出现坍塌时，前者的融化速度减慢，对霜层的融化顺序进行分析靠近壁面的霜层融化效果较为显著，未融化的霜层将会吸收水分。在對加热翅片管的消耗数值进行计算时，需要切实掌握翅片的比热、翅片的质量、单管的比热、单管的质量以及翅片与盘管的温升，并将其分别设定为cfun，mfun，ccoil，Δt1，按照公式：

Q1=（cfunmfun+ccoilmcoil）Δt1

对加热翅片管的消耗进行计算。在对循环液提供的热量进行计算时，需要掌握循环液的比热容、Δπ时间段通过的循环溶液量、每个时间段内进出单管的循环溶液温度差、数据采集仪记录的次数，将其分别设定为cs、ms、Δt1、n，并按照公式进行计算：

对融霜速率对循环溶液温度的变化曲线分析，融霜的速率与循环液温度之间呈现出正相关，融霜速率随着循环液温度的升高而增大。当融霜速率的差距较大时，循环液温度处于最低值;当循环溶液的温度在10 ℃时，融霜速率最大，主要是由于在实际融霜的过程中，壁面向霜层的热传导会随着铜管以及翅片表面温度的升高而增大，所接收到的热量也呈现出上升的趋势。对融化单位质量霜的总耗热量随循环溶液温度的变化而变化的曲线进行分析，发现与循环液温度的升高有关，总耗热量出现先下降后上升的趋势，并对循环液的温度在5～10 ℃以及10～40 ℃中能耗的变化进行分析，可以发现前者能耗逐渐降低，而后者能耗将逐渐升高，其中，低于10 ℃时，受到翅片表面温度的影响所需要消耗的融霜时间较长，消耗的热量并没有下降，在高于10 ℃时，融化时间较短，但是从散热角度分析，散热量逐渐增加，消耗的热量也随之增加。为此，可以得出，当将循环液的温度控制在10 ℃时，消耗量处于最佳范围[2]。

4    结语

上述试验分析可以得出，融霜速率在一定程度上与循环液的温度有关，而且二者之间呈现正相关。当循环液的温度在10 ℃时，所消耗的能耗最低，有助于降低空气源热泵外换热器管能量的消耗。

[参考文献]

[1]余柯憶.翅片表面疏水改性在空气源热泵抑霜上的应用研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2]黄剑锋.空气源热泵室外换热器翅片管的融霜过程分析[J].科技经济导刊，2018（21）：117.

作者简介：郭心（1985— ），男，汉族，辽宁鞍山人，学士;研究方向：制冷设备，热泵研发。