微生物污垢对翅片管换热器空气侧换热和压降特性的影响

        小编说：本文摘自2008年3月《上海交通大学学报》第42卷第3期，作者为：浦晖，丁国良，马小魁，高屹峰。

翅片管换热器广泛应用于家庭、商业和工业制冷空调系统中。采用翅片管换热器作为蒸发器和冷凝器的空调系统，使用一定年限后翅片表面会形成灰尘和微生物等空气侧污垢，影响蒸发器的性能。本文通过实验，研究微生物污垢对翅片管换热器换热和压降特性的影响。为了减少亲水层脱落与接触热阻的影响，实验中使用全新的换热器。为了加快实验进程，采用人工加速培养微生物生长的方法模拟翅片表面生长微生物污垢。

由于霉菌生长周期长，故实验采用人工加速霉变的方法使翅片管换热器表面生长霉菌。根据国家标准GB/ T 2423.162-1999，选用无毒且空调中普遍生长的黑曲菌标准菌株(A TCC 16888，第4-5代) 进行人工加速培养。研究选用4个附带亲水层的人字波纹翅片管换热器，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝合金翅片，如图1 所示。图中，s、b、l1 、l2 和θ分别为翅片间距、翅片厚度、翅片投影长度、翅片高度和波纹角。其中3个换热器进行翅片表面霉变处理，处理后霉菌面积分别约占换热器空气侧表面积的10 %、30 %和60 %，经过霉变处理后的照片如图1所示。

图1生长微生物污垢的换热器照片

实验装置由封闭式空气回路和冷却水回路组成。由安装在测试段两侧的压差传感器来测量换热器的压降，喷嘴室测量空气回路的流量，入口空气的干球温度和相对湿度通过加热器和加湿器来调节，如图2所示。实验工况如下: t_a,in = (27 ±0.2)℃，Ha=50±2 %，t_w,in=( 5±0.5)℃，u_a,in = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 m/s。

图2实验系统原理图

图3描述了不同风速下， 微生物污垢面积A_b对空气侧压降Δp_a的影响。由图可见，u_a,in相同时，Δp_a随着A_b的增加逐渐增大。当u_a,in = 0.5 m/ s ，A_b逐渐增大到换热器空气侧面积A_a的60 %时，换热器Δp_a最大衰减43.1 %；而当u_a,in= 2.0 m/ s、污垢面积比A_b /A_a = 60 %时，Δp_a只衰减21.8 %。因此，风速越小，A_b对Δp_a的影响越大。这有可能是因为在风速较大的情况下， 部分微生物污垢被风和冷凝水带走的原因。

图3 微生物污垢面积对空气侧压降的影响

图4描述了不同风速下， A_b对空气侧换热系数h_o的影响。由图可见，当u_a,in=0.5 m/ s 时，随着A_b的增加，h_o先随A_b的增大而增大，当增大到A_a的30 %时达到最大值，A_b继续增大后，h_o有所减小。当u_a,in = 1.0 m/ s 时， h_o的最大值出现在Ab /Aa = 30 %处，但当A_b /A_a从10 %增大到30 %时， h_o仅增大0.4 %，数值在误差范围内， 然后随A_b的增大而逐渐减小。当u_a,in = 1.5 m/ s 时， h_o的最大值出现在A_b/A_a = 10 %处， A_b 继续增大，h_o逐渐减小。

当u_a,in = 2.0 m/ s 时， h_o随A_b的增大而逐渐减小， A_b/A_a =60 %时，h_o最小，比清洁换热器的h_o衰减19.1 %。

图4 微生物污垢面积对空气侧换热系数的影响

描述污垢对换热器性能影响程度的换热污垢因子和压降污垢因子分别定义为

f_h=(h_f – h_c)/h_c×100 %

f_dp=(Δp_f -Δp_c)/Δp_c×100 %

        式中: h_f 和Δp_f 分别为有污垢存在的换热器空气侧换热系数和压降； h_c 和Δp_c 分别为清洁换热器空气侧换热系数和压降。根据上面，污垢因子的数值越大，表明污垢对换热器特性的影响越大。

图5描述了在不同Re_Dc的情况下， 随着A_b 的增加， f_dp的变化情况。由图可见，微生物污垢对Δp_a的影响比换热显著。污垢会使Δp_a 增大2 %～43 %。随着A_b / A_a 的增大， f_dp 的变化越来越明显。

图5 微生物污垢面积对f_dp的影响

        图6 描述了在不同Re_Dc的情况下，随着A_b的增加， f_h的变化情况。

图6 　微生物污垢面积对f_h的影响

　  由图可见，当Re_Dc < 400 时， f_h >0 ，说明微生物垢在Re_Dc较小时对换热器的换热起到强化作用。当A_b / A_a = 10 %， Re_Dc< 1 000 时， f _h 随着ReDc 的增加而增大，最大增大7。6 %； Re_Dc > 1 000 后， f _h 逐渐减小； Re_Dc> 1200 后， f _h≤0 ，对换热起衰减的作用。

        当A_b / A_a = 30 %时， f _h 随着Re_Dc的增加逐渐减小；当Re_Dc > 1 000 后， f _h< 0。当A_b / A_a = 60 %时， f _h 随着Re_Dc的增加逐渐减小，为3.6 %～ - 16.0 %。当Re_Dc > 400 后， f _h< 0。

　　产生上述现象主要是因为微生物污垢黏附在翅片表面，增大了翅片导热热阻，但少量的污垢也会增强换热。另外，由图1(a) 可见，在A_b / A_a = 10 %的换热器上，微生物主要成颗粒状分布于翅片上。稀疏的微生物污垢颗粒可以增大翅片表面的粗糙程度，起到破坏空气流动的边界层，增加气流扰动，增强换热的作用。当Re_Dc 较小时，微生物颗粒增强换热的作用要大于降低翅片导热的能力，但当A_b / A_a 增大到一定数值后，除了微生物颗粒外，还有大量的菌丝黏附在翅片间(见图1 (b) ) ，污垢所起到增大翅片导热热阻、减小空气流量的作用明显强于增加换热的功能，所以使空气侧换热性能降低。随着Re_Dc 的增大，换热器的析湿能力增强，由于污垢的阻挡，冷凝水滞留在翅片之间，使翅片上的水膜增厚，从而增大空气侧换热热阻，减小空气流量。所以，在Re_Dc 较大的情况下，Ab 越大对换热的衰减越严重、增大压降的作用越显著。

1、在Re_Dc <400 的情况下，微生物污垢对换热器空气侧换热有一定的增强作用。但会随着污垢面积的增大，换热污垢因子先增大后减小。随着Re_Dc的增大，污垢对换热的增强作用逐渐减弱，当Re_Dc> 1200 后，污垢对换热只起到衰减的作用，因此应该尽量减少微生物污垢的存在。

2、微生物污垢对压降的影响明显大于对换热的影响。微生物污垢面积越大，压降越大。在Re_Dc相同时，空气侧压降随着微生物污垢面积的增加逐渐增大。但在相同的污垢面积比下，随着Re_Dc的增大，压降污垢因子逐渐减小，并且污垢面积比越大，减小的趋势越明显。