余柯憶 余南陽

疏水表面改性在換熱器抑霜上的實驗研究

余柯憶 余南陽

（西南交通大學機械工程學院 成都 610036）

對分體式空調(diào)室外換熱器翅片管表面進行了疏水改性處理并搭建了可視化的結(jié)霜測試平臺，在干、濕球2℃/1℃環(huán)境工況下測試了改性后和常規(guī)換熱器翅片表面結(jié)霜、除霜及融霜過程的性能。實驗表明疏水納米涂層翅片表現(xiàn)出一定的抑霜效果：其液滴凍結(jié)時間延后、霜層薄且疏松、除霜周期延長、化霜時間縮短，但抑霜效果會在結(jié)霜后期減弱且融霜后翅片上存在殘留液滴。而對于未處理的親水裸鋁翅片：其霜層凍結(jié)快、霜層較為致密、結(jié)霜程度較嚴重，但融霜后排液效果好。

空氣源熱泵；翅片管換熱器；疏水涂層；抑霜

0 引言

空氣源熱泵因為其冷暖兩用、高效環(huán)保的特點，在我國得到了廣泛使用。但在冬季氣候特點表現(xiàn)為低溫高濕的地區(qū)制熱運行時，室外換熱器表面將出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象。長時間結(jié)霜運行會導致翅片間的換熱通道堵塞，換熱器無法與環(huán)境空氣進行正常換熱，從而機組功耗增加、供熱能力降低，甚至將造成機組出現(xiàn)停機保護的惡性事故[1]。由此可見結(jié)霜將會嚴重影響到空氣源熱泵機組的運行性能，而傳統(tǒng)的除霜方法不僅會使機組運行的能耗增加，而且除霜運行過程中室內(nèi)的舒適度反而會降低。因此本文從抑霜的角度出發(fā)，利用抑霜的手段從源頭上去抑制霜層的形成，從而達到減輕換熱器結(jié)霜或避免除霜的效果。

近年來許多學者在抑制結(jié)霜的方法上展開了大量的研究[2]，其中表面改性抑霜的方式具有效率高、實用性強的優(yōu)點，在空氣源熱泵抑霜的應用上具有一定的前景。楊劍[3]通過實驗研究指出親水表面在低溫低濕的環(huán)境下具有明顯的抑霜效果，而疏水表面的抑霜更適宜相對高溫和高濕的環(huán)境；Liu等[4]在自然對流下對垂直板上的結(jié)霜過程的研究得到疏水表面能在一定程度上抑制霜層的形成并產(chǎn)生疏松的霜層，但其在霜層生長后期的影響較?。籏IM[5]研究了不同特性表面的結(jié)霜情況，得到親水表面霜層密度最大但融霜后殘留水最少，疏水表面霜層較薄、結(jié)霜延遲且融霜較快；Jing[6]制備了不同特性表面并測試了結(jié)霜和融霜過程，得到剛性超疏水表面防結(jié)霜和除霜上最有效；周艷艷[7]制備不同接觸角的疏水鋁表面，實驗表明在時間增長和溫度下降的過程中接觸角越大的疏水表面霜層增長速度和結(jié)霜量最低；吳曉敏[8]等研究得到疏水角越大的疏水表面結(jié)霜量越少，融霜后殘留的液量也最少；狄浩[9]制備了超疏水的鋁片并搭建半導體制冷實驗平臺，測試對比得到超疏水鋁表面在-1～-15℃下較普通鋁表面呈現(xiàn)出更好的抑霜效果。

從以上學者的研究中可以知道，目前實驗測試的對象多為冷平板且工況多為室內(nèi)環(huán)境條件下自然對流傳熱傳質(zhì)的過程，冷平板與環(huán)境的換熱溫差高達30～40℃[4,9]。而空氣源熱泵翅片管換熱器結(jié)構(gòu)較復雜，實際運行時室外為冬季工況參數(shù)，室外換熱器與環(huán)境間為強迫對流換熱、換熱溫差范圍在8～12℃[10]?？梢娎浔砻嫔系慕Y(jié)霜研究與空氣源熱泵實際應用運行的情況嚴重偏離，所以有必要研究表面改性后翅片管換熱器結(jié)霜實際運行的情況。本文針對空氣源熱泵在低溫高濕地區(qū)下的制熱運行，考慮到對換熱器翅片管整體改性的實際操作性，選擇了納米無機疏水涂層材料作為表面改性材料，展開了翅片管表面的結(jié)霜和除霜過程對比實驗測試。

1 實驗方案設計

1.1 實驗測試平臺的建立

空氣源熱泵結(jié)霜測試實驗平臺主要由焓差試驗室、空氣源熱泵分體空調(diào)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)組成。如1圖所示：焓差實驗室為測試提供相對穩(wěn)定的模擬室外和室內(nèi)參數(shù)的測試環(huán)境，其包括室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)實驗室，兩側(cè)空間內(nèi)空氣參數(shù)由各自的空氣調(diào)節(jié)機組進行控制；被測熱泵機組選擇2臺同型號的機組進行對比實驗，其參數(shù)如表1；實驗中各數(shù)據(jù)的采集由實驗室匹配的機房空調(diào)性能測試系統(tǒng)完成，其溫濕度傳感器監(jiān)測控制室內(nèi)、外側(cè)的溫濕度，熱電偶布置在被測機組室內(nèi)、室外機出風口處；攝像系統(tǒng)采用SONY數(shù)碼單反相機和SUPEREYES顯微數(shù)碼攝像機以實現(xiàn)結(jié)霜的可視化過程。

①測試機室內(nèi)機；②測試機室外機；③攝像系統(tǒng)；④溫濕度測定器；⑤空氣調(diào)節(jié)處理裝置；⑥室內(nèi)側(cè)測試室；⑦室外側(cè)測試室；

表1 測試機換熱器組件參數(shù)

1.2 翅片表面改性處理

應用在換熱器翅片管表面上的涂層材料，不僅要具有較高的疏水性且厚度要薄，還需具有良好的熱傳導性和穩(wěn)定性。本實驗選擇了一種透明的納米無機疏水性涂料，根據(jù)生產(chǎn)商提供的性能參數(shù)其接觸角可達130°。表面的改性處理的方法如下：將室外換熱器鋁翅片和銅管進行清潔后，采用毛刷將疏水涂料均勻涂布在其表面；由于該無機納米涂料與金屬材料結(jié)合強度大，涂層可直接在處理后的翅片表面進行刷涂。涂布完成后自然實干，完成表面疏水改性處理，裸鋁與疏水表面改性后的換熱器如圖2。

圖2 改性后室外側(cè)換熱器對比

1.3 實驗工況及方法

針對低溫高濕地區(qū)冬季的氣候特點，其月平均氣溫和平均相對濕度在5℃、80%左右變化。同時考慮到國標除霜工況[11]，將運行環(huán)境參數(shù)設置為：室外側(cè)干球溫度2℃、濕球溫度1℃（相對濕度83%）；室內(nèi)側(cè)空調(diào)采暖溫度20℃、相對濕度50%[12]。啟動焓差實驗室控制系統(tǒng)，待焓差實驗室室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定（溫/濕度波動≤±0.2℃/2%）至設定值后，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及攝像系統(tǒng)，同時讓兩臺空調(diào)機組在室外側(cè)實驗室內(nèi)以制熱模式連續(xù)運行，并重復對上述過程測試以減小測試誤差，每次重復實驗之前需保證翅片表面無冷凝或化霜后的殘留水。

2 實驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 涂層對表面結(jié)霜的影響

為探究不同表面特性對翅片管表面結(jié)霜的影響，圖3和圖4為室外側(cè)入口風速為1m/s、溫度為2℃、相對濕度為83%下，翅片管表面在一個除霜周期中10min和45min的局部和整體結(jié)霜的情況。從局部放大圖中可以看到：結(jié)霜前期，裸鋁翅片管表面無明顯的冷凝現(xiàn)象，霜層形成的時間較快，其上的霜層也較為致密；而納米涂層疏水表面因其低表面能和較大的接觸角，液滴在表面上成核困難同時難于凍結(jié)且能在一段時間的保持過冷狀態(tài)，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)構(gòu)其延緩凍結(jié)的時間可達503s；結(jié)霜后期45min時，裸鋁表面布滿霜層、霜層致密，而疏水表面霜晶大、霜層疏松。由圖4換熱器整體結(jié)霜的樣貌：從結(jié)霜區(qū)域的顏色上觀察，疏水翅片結(jié)霜前期相較于裸鋁翅片，其疏水涂層抑霜效果明顯；但在運行后期疏水翅片表面同樣存在較大面積結(jié)霜，抑霜效果有所減弱，但其結(jié)霜的區(qū)域相對較少、程度較輕。

圖3 結(jié)霜局部放大圖

圖4 結(jié)霜整體樣貌

2.2 換熱過程的影響

機組制熱運行過程霜層不斷累積導致?lián)Q熱效果差、制熱效率降低，當達到除霜的控制條件后，機組將自動進入除霜模式。除霜過程機組制冷劑逆向運行，通過熱電偶監(jiān)測三臺機組室內(nèi)、外換熱器進出風口的溫度隨時間變化如圖5。

為了探究涂層的使用對翅片管換熱的影響，對比不同翅片其進出口溫度變化曲線可知：正常制熱時室外側(cè)換熱器（蒸發(fā)器）進口濕空氣與出口間的換熱溫度差在2～4℃范圍內(nèi)，且在結(jié)霜運行工況下，疏水涂層改性后的室外換熱器出口與環(huán)境的溫差大于裸鋁換熱器，這表明涂層不但沒有增加傳熱熱阻還在一定程度上強化了換熱器與環(huán)境間的換熱過程。還可以看到由于裸鋁翅片機組室外側(cè)結(jié)霜嚴重導致其壓縮比增加、排氣溫度升高，所以其室內(nèi)側(cè)換熱器出口與環(huán)境間的溫差大于疏水涂層機組。

圖5 室內(nèi)、外換熱器出風口溫度隨時間的變化

2.3 結(jié)霜和融霜過程的影響

圖6 除霜周期和化霜時間的統(tǒng)計

從圖5可以看到每進行一次除霜，室內(nèi)/外換熱器出風口溫度都將規(guī)律的波動一次，但不同翅片表面機組結(jié)霜和除霜過程所需的時間不同。截取三個結(jié)/除霜循環(huán)，統(tǒng)計得到的結(jié)霜和除霜過程的時間如圖6所示。除霜循環(huán)周期越長、融霜過程時間越短，意味著相同時間內(nèi)機組制熱的時間越長。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，在環(huán)境溫度為2℃、相對濕度為83%時，疏水涂層機組通過延長結(jié)霜運行的時間和縮短除霜的時間增加了其連續(xù)制熱運行的時間，在第一個除霜循環(huán)中較裸鋁機組多制熱運行了12min，占一個循環(huán)內(nèi)制熱時長的20%，表明涂層有利于與換熱器在結(jié)霜工況下連續(xù)制熱運行。但隨著除霜循環(huán)的多次進行，機組的除霜周期都會有所縮短。在融霜的耗時上，由于疏水表面結(jié)霜量少、霜層疏松，從除霜開始到恢復制熱花費的時間相較于裸鋁表面縮短了近一半，這在一定程度上也提高了機組的制熱性能。

2.4 融霜后排液過程的影響

若霜融化后化霜水不能及時排走而滯留一部分在換熱器翅片管上，可能會導致“二次結(jié)霜”甚至“永凍區(qū)”的形成，嚴重時會導致室外換熱器無法進行正常換熱。不同特性的表面其“掛水”能力不一樣，從兩種翅片表面融霜的過程圖7可以看到：裸鋁表面化霜完成后，由于其表面較為親水、接觸角小，融化后的水會迅速在翅片上鋪開形成水膜順勢排出，表面上無明顯的液滴殘留；而疏水涂層翅片間雖然大部分的化霜水由于重力作用排出，但殘留的小液滴會因為涂層表面能小，而以較大疏水角的形式穩(wěn)定地黏附在壁面上，其排液性能不如裸鋁表面，但無“水橋現(xiàn)象”的出現(xiàn)。

圖7 翅片融霜后的排液過程

3 結(jié)論

本文通過室外換熱器翅片表面的疏水改性處理，并利用焓差實驗室模擬低溫高濕地區(qū)典型冬季的室外環(huán)境工況，實驗對比測試了空氣源熱泵機組在制熱模式下重復結(jié)霜、除霜和融霜過程，得到以下結(jié)論：

（1）環(huán)境溫度為2℃、相對濕度為83%時，納米疏水涂層翅片相較于裸鋁翅片，其霜層凍結(jié)時間延后、霜層疏松且結(jié)霜區(qū)域小，表現(xiàn)出一定的抑霜效果。

（2）疏水涂層表面改性不僅強化了換熱過程、延長了除霜循環(huán)周期，而且還減少了融霜的時間，某種程度上提高了機組的制熱的性能。

（3）但疏水翅片表面的抑霜效果在結(jié)霜運行后期有所減弱，且其融霜后的排液性能較親水裸鋁翅片差，化霜后會滯留部分液滴。

本文利用納米無機涂料對換熱器翅片表面疏水改性處理的方式，雖然表現(xiàn)出了一定的抑霜效果，但在抑霜持續(xù)效果以及排液性能上還存在不足。因此還需要對表面改性抑霜技術(shù)的工藝和材料進一步探索和優(yōu)化，以更好地滿足于空氣源熱泵抑霜上的應用。

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Experimental Study of Modification with Hydrophobic Surface on frost restraint of Heat Exchangers

Yu Keyi Yu Nanyang

( Southwest Jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu, 610031 )

In this paper, the finned tube of the air conditioner’s outdoor heat exchanger was modified with hydrophobic surface and, a visualized frosting test platform was established. The effect of modified surface on frosting and defrosting process was tested under working condition of 2°C/1°C dry/wet bulb temperature. The results showed that the nano-coating hydrophobic surface had an anti-frosting effect that the frosting of the droplets was delayed, the frost layer was thinner and looser. The coating also extended the frosting cycle time and shortened the defrosting time. However, the effect of anti-frosting would decrease with the running time and there would be residual droplets on the coating after frost melting. For the hydrophilic surface of the unmodified bare aluminum, droplets froze more quickly, the frost layer was denser, and the frosting was server, whereas its drainage performance was better.

Air source heat pump; Fined tube heat exchanger; Hydrophobic surface; Anti-frosting

TU83

A

1671-6612（2020）01-010-05

余柯憶（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：yukeyi2016@163.com

余南陽（1961-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2019-03-28