热泵型空调器具有制冷与制热工况便捷切换以及成本低的特点，广泛应用于房间的空气调节。热泵空调器的室外机在低温制热工况下会结霜，导致室外机的空气流道被霜层堵塞。霜堵会降低室外换热器的换热性能，导致热泵空调器效率衰减，从而成为热泵空调器一个普遍存在的问题。提升室外换热器制热性能的主要方法是提升空气侧的换热，因为热泵空调器室外换热器的主要热阻来自空气侧。翅片管式换热器是热泵空调室外机中应用最广泛的换热器。故而提升热泵室外换热器的重点是开发一款高效换热的翅片。
现有的强化翅片，比如桥缝翅片和百叶窗翅片，均不适用于热泵空调器的室外机，因为桥缝翅片和百叶窗翅片的开缝处容易被霜层堵塞。强化翅片的狭缝，比如桥缝和百叶窗缝，会导致翅片表面的水滴在狭缝处积聚成水桥，并且将水桥冻结成霜桥。霜桥会阻碍空气流动，降低空气侧的风速，从而进一步降低室外换热器的换热性能；风速的降低使得翅片表面的空气温度更低，并加速霜层的堆积速率，从而最终导致换热器表面被箱层完全堵塞。因此使用桥缝翅片和百叶窗翅片的室外机在结箱工况下会迅速被霜层堵塞。
波纹翅片虽然有利于减缓箱层的堵塞，但是具有很低的换热效率：波纹翅片没有开设强化结构，拥有平滑的翅片表面和较宽的空气流道。平滑的翅片表面和较宽的空气流道可以打断水桥并减缓霜层堆积，同时对空气扰动的强化作用也非常的低。波纹翅片表面的边界层在空气流动方向上逐渐增厚，使得波纹翅片与空气的对流换热系数比开缝翅片低20％左右。开发新型室外机翅片的难点在于现有的翅片强化换热的方案均会导致水桥积聚及霜层堵塞。新型的强化翅片应该具有较宽的空气流道来避免水桥的形成；并且新型强化结构应该注意远离箱层堆积和水滴流动，从而避免水桥堵塞和箱层堵塞。但是传统的桥缝翅片和百叶窗翅片均是通过在翅片表面割开狭缝并开设凸起表面。表面凸起会减小空气流道的宽度，使得水滴在狭缝处积聚成水桥。
本文的目的是提出一种新型镂空强化翅片来提升热泵型空调器在非结箱工况和结霜工况下的制热性能
新型镂空强化翅片的开发原理是在波纹翅片表面添加一种镂空结构来实现强化换热和避免箱堵，如图 1 (a）和图(b）所示：镂空结构需要避开箱层堆积区域和水滴排水区域，从而保证镂空结构在结箱工况下不会被箱或水滴堵塞。
箱层堆积区域主要集中在波纹翅片的迎风侧，如图1 ( c）所示。
水滴排水区域主要集中在波纹转角处，如图1 ( d）所示。
因此基于霜层堆积区域和水滴排水区域的综合考虑，波纹翅片表面开设两排镂空孔来强化翅片表面的对流换热系数，如图 1 ( e ）所示。
镂空结构相比桥缝结构的不同之处在于去除了翅片的凸起表面，具有和波纹翅片相同的空气流道宽度，有助于遮免水桥和箱桥在翅片表面的堆积。
每排镂空孔数目 N 和镂空孔的长度 s是影响空气流动的两个主要镂空结构参数，如图 2 (a）所示。每排镂空孔数目N的增大和镂空孔的长度s的增大均会导致空气流动的强化和换热的增强：每排镂空孔数目N的增大和镂空孔的长度：的增大也会降低翅片的换热面积，阻碍换热的进一步提高。镂空翅片可以采用无量纲中镂空率η来表示翅片表面的镂空程度，如式（1) 所示。镂空率越大表明每排镂空孔数目 N 和镂空孔的长度s越大，即镂空的区域越大。
镂空率η对翅片换热量的影响通过建立三维数值模型进行计算。模型采用层流稳态求解器。翅片进风温度280K ，翅片表面温度275K。计算结果表明最佳镂空率是0-3 ，如图2 ( b）所示。当镂空率叮很小时，镂空率叮的增大有利于换热量的增大，因为镂空孔能够强化空气扰动并增强翅片对流换热系数。随着镂空率的增大，换热量能够达到最大值；同时换热面积会随着镂空率的增大而减小。当镂空率进一步增大，换热面积的衰减速率大于换热系数的提升速率，导致换热量降低。计算结果表明最佳镂空结构是两排镂空孔，每排镂空孔数目N是6，如图3所示。考虑到镂空孔加工工艺的可行性，镂空孔的长度设为1mm. 镂空孔等间距地分布在翅片表面，并且镂空孔的宽度和间距分别是1mm和2 mm。波纹翅片的波纹角和波纹高度分别是10° 和 1mm。
波纹翅片表面的平均加数是13.1，如图2(c ) 所示。波纹翅片表面Nu数沿着空气流动方向逐渐减小，因为翅片表面的边界层厚度沿着空气流动方向逐渐变厚。波纹翅片中部区域的 Nu数是7. 7，比镂空翅片相同位置处的Nu数低56一8 %，如图 3 ( d )所示。镂空翅片表面平均Nu数比镂空翅片高12 . 2 % ,表明镂空孔对翅片换热性能有明显的强化。
3.1 试验台与测试段
新型镂空翅片的结霜特性和换热能力通过翅片换热性能试验台进行侧试，如图4所示。
翅片热性能试验台包括空压机、加湿器、加热器、混合腔、体积流量计、温湿度传感器、压差传感器和测试段。测试段包括恒温水箱、换热水箱、半导体制冷片、特氟龙保温层和测试样件，如图5所示。测试样件由铜板、铜柱和翅片组成，其中翅片与铜柱之间紧密配合，并且涂有导热硅脂。
在非结箱工况下，翅片的进风干球温度为7 ℃ ，进风湿球温度为7 ℃ ，进风风速为 1 . 5 m/s 。在结箱工况下，翅片的进风干球温度为7 ℃，进风湿球温度为7 ℃，进风风速为1 . 5 m/s 。测试样件被半导体制冷片冷却到0 ℃ 以下，从而实现结箱工况的模拟。
体积流量计的测试误差是±2 L/mim ，温度和湿度的测试误差分别是±0.1 ℃ 和±1.4 % ，压差的测试误差是±0.18 Pa 。
3 . 2 锁空翅片衰面括层分布特性
镂空翅片表面的霜层分布特性通过结霜实验观察得到，如图6 ( a）所示：在结箱试验开始之前，镂空翅片的表面是干净的，如图6 ( b）所示．当湿空气流过冷的翅片表面，空气中的水蒸气首先在翅片的迎风侧表面冷凝成为水滴，如图6 ( c）所示。
这些水滴逐渐被冷的翅片表面冷却凝结形成细小箱晶，如图6(d）所示。随着运行时间的延长，细小箱晶覆盖在翅片表面，形成一层薄薄的箱层，如图 6 ( e）所示。在结霜试验的后期，翅片表面筱盖了一层厚厚的箱层，并且箱层主要星盖在近迎风侧的翅片，如图 6 ( f）所示。新型镂空翅片在结箱工况下能够避免镂空孔附近形成水桥并且能够避免箱层堵塞镂空孔。因此镂空孔在结箱工况下仍然能够强化空气扰动，并且提升翅片与空气的对流换热系数。
3 . 3 钱空翅片换热性能
镂空翅片在非结箱工况下的换热量比波纹翅片高 46 % ，如图 7 ( a）所示。镂空翅片的换热量比波纹翅片先达到稳定状态，因为镂空翅片的镂空孔能够强化空气扰动，促进空气与翅片充分换热。镂空翅片在结箱工况下的换热量与波纹翅片具有相同的变化趋势，如图 7 (a）所示。镂空翅片在结箱工况初期具有更高的换热量，因为镂空孔在结霜工况下强化了翅片的换热。随着运行时间的延长，箱层形成并附着在翅片表面，便得镂空翅片和波纹翅片均出现换热量衰减的趋势。在结箱试验后期，镂空翅片的换热量比波纹翅片的换热量低。
这是因为翅片的迎风侧在试验后期被箱层堵塞，导致风量衰减：楼空孔对空气扰动的强化作用小于楼空孔本身导致的换热面积衰减。楼空翅片在整个结箱试验的运行过程中的平均换热量比波纹翅片高1.1 %。
镂空翅片在非结霜工况下的压降比波纹翅片高6. 3 % ，如图 7 ( c）所示。镂空孔强化了空气的扰动，导致镂空翅片的压降大。在结霜工况下，镂空翅片和波纹翅片的压降均是先增大、后趋于稳定，如图 7 ( d）所示。在结箱工况的初期和后期，镂空翅片的压降比波纹翅片高 0 . 5Pa左右。在结箱工况中期，镂空翅片的压降比波纹翅片高1Pa左右，如图 7 (d）所示。这是因为在结箱工况的初期和后期，镂空翅片和波纹翅片表面的箱层堆积程度相同，导致镂空翅片和波纹翅片的压降非常接近。在结箱工况的中期，镂空翅片换热量比波纹翅片高，表面堆积的箱层也比波纹翅片的多，使得镂空翅片的压降比波纹翅片高。
1）镂空翅片能够提升热泵型空调器的制热性能。镂空翅片在非结霜工况和结霜工况下的换热量比波纹翅片分别高4.6%和1.1%。
2）镂空翅片在结霜工况下能够避免镂空孔被水滴和霜层堵塞。镂空孔避开了霜层堆积区域和排水区域，使得镂空翅片在结霜工况下仍然具有强化换热的效果。
联系客服
