表面處理對(duì)微通道換熱器濕工況性能及長(zhǎng)效特性的影響

劉鹿鳴 施駿業(yè) 王 穎 葛方根 汪 峰 魏慶奇 陳江平

(1上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240; 2浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 杭州 310000;3天津三電汽車空調(diào)有限公司 天津 300385)

微通道換熱器具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、內(nèi)容積小的優(yōu)點(diǎn)，在汽車空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來，微通道換熱器開始越來越多的應(yīng)用在家用和商用空調(diào)上面[2]，這就要求其在熱泵工況下穩(wěn)定運(yùn)行[3]。當(dāng)微通道換熱器用作蒸發(fā)器時(shí)，換熱器翅片表面溫度如果低于入口空氣露點(diǎn)溫度，翅片上面就會(huì)產(chǎn)生冷凝水，而微通道換熱器翅片多為百葉窗翅片，極容易被水滴堵塞惡化換熱。微通道換熱器排水問題亟需解決。

換熱器的排水特性主要與其翅片形式、間距[4]以及翅片材料表面接觸角[5]有關(guān)。由于改變翅片間距會(huì)直接影響換熱器性能，而且新開翅片模具費(fèi)用昂貴，故相比而言研究表面處理對(duì)換熱器排水性能的影響比較有意義。表面處理分為親水表面處理和疏水表面處理，親水處理使得凝水以薄水膜的形態(tài)排除，疏水處理使得凝水聚成水滴排除。家用空調(diào)上多用親水鋁箔作翅片，Xiaokui Ma、Chi-Chuan Wang和楊強(qiáng)等[6-9]研究了析濕工況下親水層對(duì)管片式換熱器空氣側(cè)性能的影響， 結(jié)果說明表面涂層可以大大降低空氣側(cè)的壓降，而對(duì)換熱器性能的影響取決于換熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)工況。Ehsan Moallem等[10]研究了親水和疏水處理對(duì)微通道換熱器結(jié)霜工況下性能的影響，結(jié)果表明在結(jié)霜工況下經(jīng)過表面處理的換熱器換熱量提升最多15%。Honggi Cho等[11]研究表明親水處理對(duì)蒸發(fā)器制冷量有很小的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在針對(duì)表面處理對(duì)微通道換熱器空氣側(cè)性能和長(zhǎng)效特性影響的研究并不多，也并沒有定論是親水還是疏水處理對(duì)微通道換熱器性能更有利。

通過將親水表面處理和疏水表面處理的微通道換熱器在不同工況下與原換熱器進(jìn)行性能對(duì)比，研究了不同表面處理對(duì)換熱器的性能影響，并選取性能較好的一種與原換熱器進(jìn)行長(zhǎng)效特性比較。

1恒溫水槽 2截止閥 3過濾器 4三通閥 5水泵 6流量計(jì) 7環(huán)境艙 8微通道換熱器 9風(fēng)道 10噴嘴 11環(huán)境控制機(jī)組 12風(fēng)機(jī) 13加濕盤管 14加熱盤管 15蒸發(fā)盤管 16攝像機(jī)

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由放置在封閉的環(huán)境艙內(nèi)的空氣回路，冷水回路、數(shù)據(jù)采集模塊以及控制終端構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)過程中，樣件安裝于風(fēng)洞出口，由風(fēng)洞內(nèi)的噴嘴控制風(fēng)量，環(huán)境溫、濕度由空調(diào)系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)控制，冷水回路的水溫由恒溫水槽控制。一個(gè)攝像機(jī)被放置在換熱器空氣側(cè)出口用于拍攝換熱器表面凝水的情況，換熱器下部放置有接水槽，用于儲(chǔ)存換熱器凝水。

系統(tǒng)空氣側(cè)和水側(cè)進(jìn)出口狀態(tài)由多個(gè)溫度壓力傳感器測(cè)量并由電腦自動(dòng)控制，通過計(jì)算換熱器的空氣側(cè)進(jìn)出口焓差及水側(cè)的進(jìn)出口焓差來測(cè)量樣件的換熱能力，一般認(rèn)為換熱器單體實(shí)驗(yàn)空氣側(cè)換熱能力與水側(cè)換熱能力相差在5%之內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果才有效。實(shí)驗(yàn)臺(tái)各傳感器精度如表1所示，根據(jù)Moffat的誤差分析方法[12]可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)于換熱器換熱量測(cè)量的不確定度為3.5%。

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要傳感器精度

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象、工況及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及工況

微通道換熱器由百葉窗翅片和微通道扁管組成，百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)如圖2所示。微通道扁管兩端分別連接上下集流管，冷媒從集流管一端流入另一端流出。

研究對(duì)象為3個(gè)微通道換熱器，其中一個(gè)未經(jīng)表面處理，一個(gè)經(jīng)過親水處理，一個(gè)經(jīng)過疏水處理，三個(gè)換熱器的結(jié)構(gòu)相同，具體參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)

換熱器經(jīng)脫脂、浸泡、甩干、烘干等步驟得到均勻致密的表面膜層，所得到的親水或者疏水膜厚度均為100 nm級(jí)別，對(duì)翅片厚度和翅片間距影響很小。實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)工況表

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

空氣側(cè)壓降通過壓差傳感器直接獲得，換熱器換熱量通過空氣側(cè)和水側(cè)換熱量取平均數(shù)得到：

(1)

式中：Qm為換熱器換熱量；Qa為空氣側(cè)換熱量；Qw為水側(cè)換熱量。

Qa=ma(ia，in-ia，out)

(2)

Qw=mw(iw，out-iw，in)

(3)

式中：Qa為空氣側(cè)換熱量；Qw為水側(cè)換熱量；ma為空氣質(zhì)量流量；ia，in為空氣入口焓；ia，out為空氣出口焓；mw為水流量；iw，out為水出口焓；iw，in為水入口焓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 換熱器空氣側(cè)性能比較

圖3為不同工況下原換熱器、親水處理換熱器和疏水處理換熱器換熱量比較，采用無量綱數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)：

(4)

式中：kQ為換熱量比；Qcoated為表面處理換熱器換熱量；Quncoated為原換熱器換熱量。

可以看到疏水處理換熱器在低風(fēng)速下性能相比原換熱器衰減了14%，但是其性能隨著風(fēng)速的增大得到改善。這是因?yàn)榈惋L(fēng)速時(shí)，疏水處理換熱器翅片間堵塞了很多水珠形成很多水橋，造成換熱面積減小，而隨著風(fēng)速的增大，一些堵塞在翅片間的水珠被吹出，因而換熱器性能得到改善。親水處理換熱器在不同工況下相比原換熱器性能衰減2%～8%，這是由于百葉窗翅片開縫大大降低了水膜的流動(dòng)性，使其換熱能力衰減；而原換熱器翅片上的凝水形成一個(gè)個(gè)小水滴，相當(dāng)于增大了翅片表面的粗糙度，使其換熱能力增強(qiáng)。

圖4為三種換熱器在不同工況下的壓降比較，同樣采用無量綱數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn):

(5)

式中：kΔp為壓降比；pcoated為表面處理換熱器壓降；puncoated為原換熱器壓降。

可以看到疏水處理換熱器壓降大大提高，這就是因?yàn)閾Q熱器翅片間形成很多水橋。隨著風(fēng)速的增大，換熱量也同時(shí)增大，換熱量增大導(dǎo)致凝水增多水橋變多，故疏水處理換熱器壓降隨著風(fēng)速的增大先變大。而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，翅片間的水珠被吹出，使得壓降下降。這就造成了疏水換熱器壓降隨著風(fēng)速的升高先上升后下降。由于水膜流動(dòng)性比水滴好，所以親水處理換熱器在大部分工況下壓降比原換熱器低。但親水處理換熱器在高濕度低風(fēng)速時(shí)壓降明顯升高，這是因?yàn)闈穸容^大時(shí)凝水變多，翅片表面的水膜厚度增加，此時(shí)若風(fēng)速較低，水膜的流動(dòng)性就會(huì)大大降低，殘留在翅片間的水膜使得換熱器的壓降變大。隨著風(fēng)速的增大，水膜的流動(dòng)性大大提升，盡管風(fēng)速增大凝水也同時(shí)增多，但是水膜的流動(dòng)性起到了主導(dǎo)作用，使得在高濕度高風(fēng)速下親水處理換熱器比原換熱器壓降降低50%。

圖5為三種換熱器在不同風(fēng)速下的空氣側(cè)冷凝照片，可以明顯的看出疏水處理換熱器翅片中間形成很多水橋，親水處理換熱器表面形成水膜，而原換熱器表面形成一些分散的小水珠。

圖3 不同風(fēng)速和不同濕度下親水和疏水表面處理對(duì)換熱器傳熱特性的影響

圖4 不同風(fēng)速和不同濕度下親水和疏水表面處理對(duì)換熱器壓降特性的影響

圖5 原換熱器、親水處理換熱器和疏水處理換熱器空氣側(cè)冷凝照片

3.2 換熱器長(zhǎng)效特性比較

由于疏水處理換熱器在低風(fēng)速下性能衰減較多，得到應(yīng)用的難度較大，故只考察親水處理換熱器和原換熱器的長(zhǎng)效特性。

將換熱器置于標(biāo)準(zhǔn)鹽霧實(shí)驗(yàn)箱中，用電導(dǎo)率不大于20 Ω/m的蒸餾水配制鹽溶液，每升鹽溶液中含42 g符合 GB/T 15748—1995[13]的人造海水，在每升溶液里添加10 mL冰醋酸，保證鹽溶液pH值在2.8～3.0之間，鹽霧箱溫度設(shè)定為49 ℃，飽和塔溫度設(shè)定為57 ℃。經(jīng)過260 h酸性鹽霧腐蝕后取出兩個(gè)換熱器，分別測(cè)試其性能。測(cè)試工況與表3工況一致，但僅取47%一個(gè)相對(duì)濕度進(jìn)行研究。

圖6 260 h鹽霧腐蝕后不同風(fēng)速下親水處理對(duì)換熱器空氣側(cè)性能的影響

可以看到經(jīng)過鹽霧腐蝕后，在不同的工況下親水處理換熱器相比原換熱器性能得到改善，壓降降低了14%～16%，換熱量提高了4%～6%。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)微通道換熱器通常采用噴鋅來調(diào)節(jié)電位差[14]，在腐蝕環(huán)境中鋅的反應(yīng)產(chǎn)物較多。反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)影響翅片的換熱效果，并同時(shí)增加空氣側(cè)阻力，而親水處理阻礙了酸性環(huán)境對(duì)換熱器芯體本身的腐蝕，對(duì)換熱器起到了保護(hù)的作用。

圖7為原換熱器和親水處理換熱器在260 h鹽霧腐蝕后的空氣側(cè)冷凝照片，可以看出原換熱器表面出現(xiàn)很多反應(yīng)產(chǎn)物，而親水處理換熱器表面仍然較為光潔。

圖7 鹽霧腐蝕260 h后原換熱器和親水處理換熱器空氣側(cè)冷凝照片

4 結(jié)論

通過對(duì)翅片間距1.1 mm的微通道換熱器進(jìn)行不同的表面處理，而后對(duì)其在不同工況下的性能進(jìn)行對(duì)比，研究了不同表面處理對(duì)微通道換熱器濕工況性能和長(zhǎng)效特性的影響。結(jié)論如下：

1) 對(duì)于表面疏水處理的微通道換熱器，由于冷凝水聚成水滴后堵塞在翅片之間形成水橋，會(huì)使得換熱器換熱效率下降，空氣側(cè)壓降顯著升高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與原換熱器相比，表面疏水處理的換熱器在低風(fēng)速下性能衰減達(dá)14%，衰減隨著風(fēng)速的變大而減?。欢鴫航党烁唢L(fēng)速高濕度工況，其余工況下均升高130%以上。

2) 表面親水處理對(duì)微通道換熱器性能影響較小。與原換熱器相比，表面親水處理的換熱器在不同工況下?lián)Q熱量衰減2%～8%；壓降僅在高濕度低風(fēng)速下明顯變大17%，其余大部分工況得到改善，在高濕度高風(fēng)速下壓降僅為原換熱器的50%。

3) 表面親水處理對(duì)換熱器防腐蝕有一定作用，260 h鹽霧腐蝕后，親水處理換熱器相比原換熱器換熱量提升4%～6%，壓降降低14%～16%。

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