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空调室外换热器表面积尘特征的实验研究点击：1851 日期：[ 2014-04-26 21:14:15 ] |
| 空调室外换热器表面积尘特征的实验研究 樊越胜 白宝 司鹏飞 赵向伟 西安建筑科技大学 摘要：利用现场采样和实验分析的方法，对空调室外换热器表面不同部位的积尘进行了粒径分布测定。结果表明：空调室外换热器表面积尘的平均粒径介于8μm~17μm之间；换热器表面积尘的粒径分布曲线呈现双峰或者三峰特征，峰值均出现在约8μm、32μm和120μm处；在空调室外换热器表面的不同部位，粉尘的沉积规律不同，粉尘主要沉积在翅片前端。 关键词：空调；换热器；粉尘沉积；粒径分布 0·引言 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调在全国各地民用建筑和公共建筑中得以广泛应用，而换热器又是空调系统末端设备中量大面广的应用产品，其工作性能在很大程度上影响着空调系统的整体性能。Steinhagen对新西兰1100家企业的3000台各种类型换热器的调查结果表明，90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题，结垢使系统能耗增高，用电量增大[1]。换热器上的污垢主要包括两部分，盘管内部的结垢和盘管外部翅片表面的积尘，盘管内部的结垢问题及其对换热效果影响的研究较成熟[2-3]，而对换热器翅片表面积尘的研究还较少。 换热器翅片表面积尘造成空气流通截面积减小，增大了空气流通阻力，减小了流过换热器的空气流量；而且污垢热阻使总的传热系数减小，导致换热器的换热效率降低[4]。文献[5]指出，家用空调换热器上污垢厚度达到0.30 mm时，压缩机工作时间将延长1倍，耗电量将增加到正常情况下的2.4倍；美国工程基金会估计由于换热器污垢造成能耗的增加费用将占到全球GDP的0.4%[6]。 尽管技术报告、行业期刊和厂家资料都讨论暖通空调中换热器的清洁和维护，但是，几乎没有提到暖通空调系统中换热器表面颗粒物沉积的控制因素[7]，因此，这方面的研究有待进一步的深入。研究换热器表面积尘的性质，分析换热器表面粉尘沉积的机理，可为优化换热器的结构设计以及运行提供理论依据。 1·实验方法 1.1样品采集 选取西安市南郊某高校综合教学楼楼顶的空调系统换热器作为采样标本，该建筑距交通主干道约100 m。换热器翅片类型为开缝翅片，该组室外机成一字排开放置于楼顶，距地面约30 m，室外机维修面间距约为150 mm。空调系统已运行4年，但室外机从未清洗过，换热器表面积尘状况如图1所示。样本采集严格按照人工刮拭法[8]进行，将采集样本存于广口瓶中避光保存。对编号为K1-K6的6台室外机分别采样得6组样本S1-S6。 1.2实验仪器 实验采用美国贝克曼公司生产的LS200激光粒度分析仪对采集样本进行粒度分析，其工作原理为利用颗粒散射光分析技术得到颗粒的粒度分布。该仪器的最大特点是粒度分析动态范围宽，可以分析0.4μm~2000μm范围内的粉尘。 2·实验结果 2.1采样位置 室外换热器表面不同部位的积尘分布差异较大，将采样点分别布置于换热器的不同部位。采样点1、2和3分别布于换热器侧表面的顶部、底部和中间位置，采样点4、5和6分别布于换热器正表面的底部、顶部和中间位置，见图2。 2.2积灰特征 在换热器表面的上部位置，呈现出粉尘的搭桥现象，距离顶部越近，搭桥现象越明显。换热器迎风面翅片边缘粉尘的沉积现象要比翅片壁面上的严重，且在进风气流方向上粉尘的沉积现象呈减弱趋势。 换热器不同部位积尘的粒径分布见表1。从中可看出，6个采样点积尘的平均粒径介于8μm~17μm之间，而中位径介于8μm~14μm之间。图3和图4显示了6个采样点的粒径分布情况，图中给出的是不同粒径的颗粒物在总积尘量中所占的体积百分比。样本3、样本4和样本6的粒径分布规律相似，呈现双峰特征，峰值大约出现在8μm和32μm处；样本1、样本2和样本5的粒径分布规律相似，呈现三峰特征，峰值大约出现在8μm、32μm和120μm处。从图3和图4可以看出，在采样点1、2、5处出现了较大粒子的沉积。 3·分析讨论 3.1各采样点积尘粒度分布特征及原因分析 由表1可见，各个样本的累计体积百分数在F10、F25和F50处对应的粒径值变化不大，而在F75和F90处对应的粒径值差别较大，说明小粒子在换热器不同部位的沉积状况相似，而大颗粒物的沉积状况存在较大差异。 颗粒物沉积的主要机理有拦截效应、惯性碰撞、重力沉降和扩散等，这些机理的捕集效率都与颗粒物的粒径分布有关。文献[7]指出：换热器表面1μm~10μm的颗粒物的主要沉积机理是翅片边缘的惯性碰撞，而大于10μm的颗粒物，重力沉降、惯性碰撞和空气紊流是主要的沉积机理。 样本1和样本5在F75和F90处对应的粒径值较大，其原因是采样点所在位置有粉尘的搭桥现象，如图1所示。粉尘的搭桥现象使得大颗粒粉尘不易随进风穿过换热器表面，拦截效应对粉尘的沉积起了主导作用，使得大颗粒粉尘在换热器翅片前端大量沉积。且粉尘的搭桥现象会对换热器性能产生较大影响，应及时清扫室外换热器，消除粉尘的搭桥现象。搭桥的原因可能是空气中纤维状粒子的沉积引起。 样本2和样本4在累计体积百分数F75和F90处对应的粒径值分别比样本3和样本6对应的粒径值大，主要原因可能是采样点2和采样点4所在的换热器底部距离地面比较近，地面的大颗粒物容易被换热器底部的进风卷起，在惯性碰撞、重力沉降等作用下沉积于该部位，此外，由于换热器的风机设于顶部，换热面离地面越近，表面风速相对越小，重力沉降作用加强，导致大颗粒物的沉积较多。 综合以上原因，样本1、样本2和样本5中大颗粒物的沉积量较多，从而使粒径分布出现了三峰的特征。粉尘具体的沉积机理还有待进一步的实验和理论研究。 在换热器换热面相同高度处，侧面采样点在累计体积百分数F75和F90处对应的粒径值要比正面采样点对应的粒径值大，如样本1、样本2和样本3在F75和F90处对应的粒径值分别大于样本5、样本4和样本6对应的粒径值，原因在于空调室外换热器呈一字排开放置，相邻放置的换热器影响了采样换热器两侧换热面上的进风气流方向和气流速度大小，气流方向的变动使大颗粒物在惯性的作用下不易随流线绕过翅片边缘，进而使大颗粒物的惯性碰撞沉积加剧，而气流速度的减小使大颗粒物的重力沉降作用加剧，最后导致大颗粒物在换热器侧表面的沉积量大于同高度处正表面的沉积量。 室外换热器表面的积尘直接来自于大气，大气中颗粒物的粒度分布与沉积在换热器表面粉尘的粒度分布有着直接的关系，因此，大气中TSP的粒度分布变化可能是换热器表面积尘粒度分布变化的主要原因。文献[9]研究冬夏两季大气中TSP的粒度分布情况，结果表明，室外大气TSP的粒度分布呈现出双峰状态，夏季大约在9μm与30μm处出现两个峰值，冬季大约在7μm与20μm处出现两个峰值。而大气中TSP的粒度分布随区域的不同、季节的不同和气象条件的不同而有较大差异，本次实验采集的积尘是历年累积所形成，其粒度分布的峰值与文献[9]中大气TSP粒度分布的峰值稍有不同。 3.2空调室外换热器所在位置及翅片结构形式对粉尘沉积的影响 文献[10]指出机动车排放的颗粒物主要集中在粒径较小的粒子中，而道路扬尘则主要存在于粒径较大的粒子中。即大气中颗粒物粒度分布受交通情况和道路扬尘等的影响，而室外换热器所在的位置不同，其大气环境受交通情况和道路扬尘等的影响就不同，因此，空调室外换热器所在的位置对换热器表面粉尘的沉积将产生间接的影响。 翅片类型对粉尘的沉积也有着很大的影响。目前国内外空调制冷行业中普遍采用的翅片类型有平直翅片、波纹形翅片、开缝形翅片和百叶窗形翅片。本次测试的翅片类型为开缝翅片，开缝翅片与平直翅片对比，换热面积虽有所增加，但其结构增大了粉尘沉积的附着面，使粉尘更易于沉积。对所有粒径的颗粒物，积尘量会随着翅片密度的增大而增大[7]，含尘量越高,需要的翅片间距越大[11]。因此，在确定换热器结构尺寸和选用翅片类型时应综合考虑换热系数、换热面积、压降和积尘等因素。 4·结论 上述分析可得以下结论： （1）空调室外换热器表面积尘的平均粒径介于8μm~17μm之间，中位径介于8μm~14μm之间。 （2）在采样点3、4、6处积尘的粒径分布曲线呈现双峰特征，而在采样点1、2、5处积尘的粒径分布曲线呈现出三峰特征，但前两个峰值的位置基本相同，峰值约出现在8μm、32μm和120μm处。 （3）在空调室外换热器表面的不同部位，粉尘的沉积规律不同，粉尘主要沉积在翅片前端，而且换热器换热面顶部存在严重的搭桥现象，对换热器的性能影响较大。在确定换热器结构尺寸和选用翅片类型时应综合考虑换热系数、换热面积、压降和积尘等因素。 参考文献 [1]李红.换热器表面防垢技术的研究与应用进展[J].化学工程师，2008，150（03） [2]方书起,祝春进,吴勇,等.强化传热技术与新型高效换热器研究进展[J].化工机械,2004,31(4) [3]李洁,侯来灵,李多民,等.换热器结垢与清洗[J].广东化工,2009,36(189) [4]刘锦,刘燕敏,龙惟定,等.空调换热器清洗与节能效果的分析[J].暖通空调,2007,37（1） [5]王斌.空调清洗市场分析[J].洁净技术,2003(8) [6]Jeffrey Alexander Siegel.Particulate Fouling of HVAC HeatExchangers. [D]The University of California,2002[7]Jeffrey A.Siegel,William W Nazaroff. Predicting particledeposition on HVAC heat exchangers[J].AtmosphericEnvironment,37(2003) [8]公共场所集中空调通风系统卫生规范[S（]2006） [9]常乐.TSP的粒度分级研究[J].环境科学与管理,2009,34(3) [10]陈建华,王玮,刘红杰等.北京市交通路口大气颗粒物污染特征研究(Ⅰ)——大气颗粒物污染特征及其影响因素[J].环境科学与研究,2005,18(2) [11]何维.民用建筑中央空调系统的污染对室内空气品质（IAQ）的影响和控制措施[J].室内环境,2007,10（48） |
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