空调换热器：长期运行性能衰减研究

    

     一般来说，家用空调器使用  5  年后，能效衰减率处于基本稳定的水平，但其能效水平通常比目前标准所规定的能效限定值低 20%  ～  30% ，最低可达 54% ，空调器能效降低的一个重要原因是空调换热器性能衰减严重。 本文我们就来探讨下这个问题。

 

1、加速积尘测试方法 ?

        

1. 1 加速积尘原理     

 

空调器在室外正常运行时，一定质量流量的含尘 气流通过换热器时粉尘沉积在换热器表面，导致空调 换热器性能衰减。加速积尘测试是指在室外正常运行时通过换热器的粉尘总质量和加速测试过程中通 过换热器的粉尘总质量保持一致的前提下，通过提高测试环境中的粉尘浓度来降低测试时间。当换热器在室外正常运行一段时间后，通过换热器的粉尘总质量为：  

 

因此，当换热器在室外运行一定年限后表面粉尘 沉积量一定时，为达到加速积尘的目的，可通过提高加速测试环境中的粉尘浓度来减少测试时间，即加速积尘测试的基本原理。  

 

1. 2 实际积尘与加速积尘的等效关系     

 

 

 

1. 3 加速测试实验台     

 

基于上述加速测试原理，换热器加速测试技术路 线如图 1 所示。实验包括两部分: 换热器加速积尘测 试和换热性能测试，因此需分别搭建加速积尘测试实 验台和换热性能测试实验台。  

 

 

1.3.1加速积尘测试实验台  

 

加速积尘测试实验台用于提供特定温湿度、粉尘 浓度的积尘环境，使置于其中的换热器样件达到加速 积尘目的，原理如图 2 所示。  

 

实验台包括 4 部分:  

1) 粉尘发生系统，提供具有一定浓度的含纤维粉尘，包括螺旋给料机、控制柜、纤 维发生装置、混合箱、风扇，控制柜用于控制螺旋给料 机给料速度以控制粉尘的质量流量;  

2) 加湿系统，向 含尘气流提供一定的湿度，包括加湿箱、空压机、PID 控温装置、电加热棒、流量调节阀，PID 控温装置利用 温度的负反馈调节机制，通过调节电加热棒的功率来控制湿空气的出口温度;  

3) 风道系统，由不锈钢风管 制成，用于引导含尘含纤维气流进入积尘室;  

4) 加速积尘环境，包括积尘室、粉尘浓度仪、温湿度传感器和除尘装置。  

加速积尘测试过程: 粉尘发生系统通过调节风扇转速和螺旋给料机的控制柜向风道中提供具有一定风速和粉尘浓度的含尘含纤维粉尘，并与加湿系统提供的具有一定温湿度的湿空气混合，由风道通向积尘 室，样件通过推车推进积尘室积尘，并实时检测粉尘浓度和温湿度。  

 

1.3.2换热性能测试实验台  

换热性能测试实验台用于测试换热器积尘前后 的空气侧压降和换热量，研究空调换热器长期运行性 能衰减率。根据家用空调器的工作原理，换热性能测试基本原理为管内走水、管外走空气，原理如图 3 所示。  

 

 

 

实验台包括 4 个部分:  

1) 测试风道，由具有保温层的不锈钢风管制成，用于引导空气流经测试样件并进行换热；  

2) 送风装置，包括电加热棒、整流罩、吸气风扇，电加热棒用于加热入口空气至一定温度；整流罩用于对空气进行整流，吸气风扇通过调节风扇转速 从而控制风道内空气流速；  

3) 水循环装置，用于给换热器测试样件提供水循环，包括恒温水槽、水泵、流量计；  

4) 数据采集系统，包括空气侧温湿度传感器、压差传感器、水侧热电偶。  

 

换热性能测试过程:  

将换热器样件放入测试风道，利用水循环装置为其提供管内水流，通过恒温水槽保持换热管内水温一致。然后启动送风装置， 打开吸气风扇和整流罩，调节风扇转速及整流罩直至气流状态接近空调器正常运行状态，然后使用加 热棒加热气流至一定温度，待整个气流的风速、温 度稳定后，进行换热性能测试并记录稳定状态下的 实验数据。  

 

1. 4 测试工况     

 

1.4.1加速积尘测试工况  

通过分析空调室外机表面积尘成分发现，室外粒径＜10 μm 的可吸入颗粒物( PM10 ) 是换热器表面积尘的重要来源。因此在加速积尘测试中，根据 GB13270—91 的规定，测试粉尘由 28%炭黑和 72%白陶土组成，粉尘密度为 2. 2×103 kg /m3 ，中位径为 10 μm，符合实际环境中的粉尘物性。测试中粉尘浓度与测试时间如表 1 所示。  

此外，在积尘室内，为了加速积尘进程，根据常用空调室外机翅片管换热器的 正常迎流风速，设置风速为1. 5 m / s进行积灰实验。  

 

1.4.2换热性能测试工况  

 

在换热性能测试中，根据空调室外机的日常工作环境，设置空气侧进口温度为35 ℃，进口体积流量为0. 25 m3 / s，水侧进口温度为 21 ℃，进口质量流量为0. 192 kg / s，风道的风速稳定在1. 5 m / s。  

 

1. 5 测试 样件     

 

测试样件选取不同管排数和翅片类型的翅片管换热器整机。管排数为 1～2 排管，翅片类型为波纹和平直翅片，覆盖常见的空调室外换热器尺寸及类型。测试样件结构参数如表 2 所示。  

 

 

1. 6 加速测试实验步骤     

 

换热器加速测试主要包括加速积尘测试和换热性能测试，实验步骤如下:  

1) 将干净的换热器样件置于换热性能测试实验台中进行积尘前的换热性能测试，同时记录换热器样件积尘前的换热性能实验数据;  

2) 调试加速积尘实验台的积尘环境，使积尘环境中风速、温湿度、粉尘浓度达到稳定。然后将样件 用推车推进积尘环境，开始加速积尘测试，同时记录 加速积尘时间及相应的实验数据;  

3) 样件在积尘室内每积尘 2 h 后，取出并放入换热性能测试实验台中进行积尘后的换热性能测试，同时记录换热器积尘 2 h 后的换热性能数据。对一个换热器样件如此循环 5 次，直至完成换热器样件积尘 10 h 后的换热性能测试;  

4) 按照上述循环，对所有换热器样件进行相同的加速积尘测试和积尘前后的换热性能测试，记录整理相应的实验数据并处理分析。  

 

1. 7 加速测试方法可靠性验证     

 

为确保加速测试结果的可靠性，本文调研了4个品牌的换热器整机样件在室外正常积尘 5 年的额定制冷 EEＲ衰减率，并选取了一款常用室外机样件 ( 样件 5) 进行加速实验，对比结果如图 4 所示。  

 

 

由图 4 可知，当房间空调器使用 5 年后，EEＲ衰减率基本达到稳定，不再随使用年限的增加而增大。此外，空调器能效性能衰减率不完全呈线性变化，变化为5%～15%。这与测试样件在喷粉浓度为100 mg /m3 下的加速积尘 10 h 后能效衰减率情况基本吻合。因此这种针对空调换热加速测试方法可行。  

 

1、加速积尘测试方法

        

2. 1 数据处理方法     

 

2. 2 误差分析     

 

本实验涉及参数包括测量参数和计算参数，测量参数误差由仪器精度得到，计算参数包括压降和换热量，由 Moffat方法得到，如表 3所示。  

 

 

3、实验结果与分析

        

3. 1 翅片表面粉尘沉积特征分析      

 

图 5 所示为不同管排数和翅片类型的换热器整机及翅片积尘 5 年后表面粉尘分布实物图。由图 5 可知，粉尘覆盖程度受翅片结构和管排数的影响。对于不同的翅片类型，波纹翅片表面更 容易堆积粉尘颗粒，经过一段时间积尘后，波纹翅 片间粉尘颗粒容易结垢并堵塞翅片，导致换热器性能严重下降。  

 

 

而平直翅片由于表面平整，粉尘颗粒 容易在重力作用下从翅片表面脱落，故其表面粉尘 颗粒的堵塞情况没有波纹翅片严重。对于不同管排数，2 排管换热器比 1 排管表面粉尘堵塞情况严重。一方面，粉尘颗粒容易堆积在换热管与翅片的连接处，随着管排数的增加，翅片与换热管的连接 面积增大; 另一方面，随着管排数的增加，翅片表面 积增大，使粉尘颗粒与换热器表面碰撞沉积的概率变大，导致积尘增多。  

 

3. 2 翅片类型对压降和换热量的影响     

 

图 6 所示为翅片管换热器加速积尘 5年后两种翅片类型对空气侧压降和换热量的影响。由图 6( a) 可知，空调使用5 年后，翅片管换热器的波纹翅片类型比平直翅片更容易沉积粉尘。波纹翅片和平直翅片换热器积尘后压降增幅分别为 29. 5%和 25. 0%，波纹翅片比平直翅片的压降增幅大 4. 5%。  

 

 

这是因为波纹翅片表面积远大于普通平直翅片，经过一段时间的室外工作后，波纹翅片换热器表面更容易沉积大量粉尘并结垢，最终堵塞换热器翅片的迎风面。当空气流经换热器进行换热时，流经波纹翅片受到的阻力大于流经平直翅片受到的阻力，导致波纹翅片换热器的压降更大。  

 

由图 6( b) 可知，空调使用 5 年后，翅片管换热器的波纹翅片换热性能衰减更严重。波纹翅片和 平直翅片换热器的换热衰减率分别为19. 3%和18. 0%，波纹翅片比平直翅片的换热衰减率大1. 3%。这是因为，与平直翅片相比，波纹翅片表面凹凸状波纹使翅片表面积增大，因此波纹翅片换热 器长期的室外工作使表面的粉尘覆盖程度远高于平直翅片换热器，导致波纹翅片的导热系数大幅降低，严重影响其与空气之间的换热。但因波纹翅片综合换热性能较好，故积尘后的总换热量仍高于平直翅片。  

 

3. 3 管排数对压降和换热量的影响     

 

图 7 所示为翅片管换热器加速积尘 5年后两种管排数对空气侧压降和换热量的影响。由图 7( a) 可知，空调使用 5 年后，波纹翅片管换热器的 2 排管比 1 排管压降增幅更显著。1、2 排管换热器积尘后压降增幅分别为21. 8%和 29. 5%，2 排管比 1 排管的压降增幅大 7. 7%。随着管排数的增加，翅片表面积增大，翅片表面的粉尘覆盖程度更高，空气流动阻力增大。  

 

 

此外，当空气流经换热器时，2 排管换热器的空气流道长度是 1 排管的 2 倍，含尘气 流中的粉尘颗粒更容易碰撞沉积，进一步增大空气流动阻力。同时，2 排管由于空气流程长使其积尘前后的压降均远高于 1 排管。由图 7( b) 可知，空调使用 5 年后，波纹翅片管换 热器的 2 排管比 1 排管的换热量衰减更大。1 排管和2 排管换热器积尘后换热衰减率分别为 11. 2%和 19.3%，2 排管比 1 排管的换热衰减率大 8. 1%。当管排数从 1 排增至 2排时，传热面积变为原来的 2 倍，积尘量也随传热面积的增大而显著增加。  

 

此外， 长时间的室外运行使 2 排管的翅片间粉尘堵塞情况 更严重，换热量衰减幅度更大。但 2 排管由于传热面积大的绝对优势使其积尘后的总换热量仍远高于平直翅片。     

 

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