文_苏亮

2022年6月16日，由中国家用电器研究院组织举办的第四次“空调行业铝应用研讨会”于线上顺利召开。会上，西安交通大学曾敏教授对“微通道换热器结霜性能研究”做了介绍。

“微通道换热器结霜性能研究”主要基于OpenFOAM开源平台，并通过自编程数值模拟，对湿工况下百叶窗翅片表面综合性能和结霜情况进行了研究，本刊根据演讲对主要内容进行了整理。

我国的资源状况属于“富煤缺气少油”，而经济发展需要消耗大量能源，使用化石能源会带来雾霾等空气污染。同时，随着碳中和、碳达峰目标的确立，近几年我国燃煤改革区域越来越广，用户逐渐转向其他取暖方式，尤其是在农村城镇自建房等供暖需求激增，空气源热泵在冬季供暖时，其具备的节能优势就体现出来。

霜是由冰晶、空气组成的多孔物质，结霜则是一种常见的物理现象，广泛存在于大自然中，对航天、供暖、通风等多个行业领域产生重要的影响。由于热泵的工作原理，热量的传递是由低温环境向高温环境传递，蒸发器在冬天容易结霜，首先是翅片表面出现液滴，然后出现冰晶，最后形成密度越来越高的霜层，并逐渐影响热泵的工作性能。

由于微通道换热器具有紧凑度高、体积小、质量轻、制冷剂侧阻力小、坚固耐用和换热能力强等多个优点，应用领域广泛，尤其是空气源热泵产品上应用很多，因此对微通道换热器的结霜性能研究，具有较高的价值和意义，且已经有了一定的研究进展。

比如郑州大学研究的“一种新型收腰型百叶窗翅片”，可以强化传热、增强霜层均匀性。南京北大工道软件技术有限公司研究的“一种后掠型百叶窗翅片”，具有自清洁能力、抑制霜层生长等特点。还有许多国内外学者从均匀和非均匀排布、几何参数、表面涂层、逆循环除霜、热气旁通除霜、震动除霜等方面进行了研究，但因为霜层的物理结构极其复杂、霜层冰晶形状具有随机性、物性（密度、导热系数等）在不断变化、二维模型向三维模型拓展的处理复杂、翅片内部霜层生长规律难以预测等技术难点，目前的研究现状，仍存在霜层理想化模型的计算式计算霜层物性误差大、霜层物性的非稳态物性的计算问题未解决、缺乏微通道百叶窗翅片的霜层生长预测方法等不足。同时，传统实验方法不能观测微通道百叶窗翅片内部霜层生长情况，而使用放大模型的结霜实验，又与实际情况存在一些差异。

所以，在这样的背景下， 曾敏教授等人开展了基于OpenFOAM平台的三维结霜数值模型。其中，传质模型要解决从湿空气转移至霜层表面的水蒸气质量通量、冷表面上的霜层密度、霜层生长速率等问题。传热模型要解决从湿空气转移至霜层的总热通量、霜层的表面温度等问题，这也是在对微通道换热器结霜性能研究时必不可少的两个模型。同时，在建立三维模型霜层的生长过程中，其关键是CFD模型中对任意三维区域中霜层生长进行描述。

有了基本模型之后，还需要进行验证、试验对比等，验证三维模型的可靠性等等。有了三维模型就可以对微通道百叶窗翅片霜层生长进行较好的研究。最后，还可以基于人工智能预测霜层生长等等。

目前取得的主要研究结论包括，百叶窗间距越小，翅片的紧凑度越高，翅片前半部分的霜层生长更快，在较早时间内就会发生霜层堵塞现象，百叶窗翅片霜层前后均匀性较差。百叶窗高度越大，通道内部的湿空气平均温度更高，翅片各位置发生霜层堵塞的时间较晚，霜层前后区域的均匀性较好。在单一工况变化研究中，湿空气进口速度主要影响翅片表面的霜层堵塞位置，冷壁面温度主要影响翅片表面的局部霜层厚度，湿空气进口温度主要影响翅片前侧的霜层分布，其对结霜率的影响较小。

曾敏认为，在后续的研究中可以考虑扁管中的制冷剂流动分配情况并对完整的微通道百叶窗翅片换热器进行霜层生长模拟；同时，通过大量实验数据，在提高人工智能预测精度的情况下，可以通过给定环境和几何参数预测出结霜情况，可大大节省计算时间和资源。