超疏水涂層應(yīng)用于空調(diào)換熱器的實(shí)驗(yàn)研究

葉向陽(yáng)　武滔　劉奕燎

廣東美的制冷設(shè)備有限公司　廣東佛山　528311

0　引言

室外翅片管換熱器結(jié)霜會(huì)引起空氣源熱泵機(jī)組制熱性能下降，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。延緩空氣源熱泵機(jī)組室外換熱器結(jié)霜，對(duì)提升機(jī)組的低溫制熱性能，改善室內(nèi)的熱舒適性，保證機(jī)組的可靠運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。超疏水涂層仿生荷葉效應(yīng)，在抑制冷表面結(jié)霜方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是空調(diào)熱泵領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。日本學(xué)者Yoshihiko和Norihisa[2]對(duì)使用不同涂層處理的翅片換熱器進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明使用疏水涂層的換熱器其結(jié)霜周期是未經(jīng)涂層處理?yè)Q熱器的3倍。梁彩華、汪峰[3]等對(duì)超疏水翅片表面的抑霜機(jī)理和融霜特性做了大量可視化實(shí)驗(yàn)研究工作，提出增大疏水表面的接觸角和減小滾動(dòng)角有利于抑霜和化霜過(guò)程。劉清江[4]等對(duì)自然對(duì)流條件下疏水涂層和普通親水表面的結(jié)霜過(guò)程做了對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，使用疏水涂層有效延長(zhǎng)了表面結(jié)霜的速度，減少了霜層的厚度。余新泉[5]等制備了微納米復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)的的超疏水表面，并在低溫環(huán)境中進(jìn)行了抑霜實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其表面結(jié)霜速度明顯降低，霜晶高度減小，顯示出較好的抗結(jié)霜性能；徐文驥[6]等用氟化處理的方法獲得鋁基體超疏水表面，并與普通鋁表面相比，發(fā)現(xiàn)其表面結(jié)霜量明顯降低。薛利平、郭憲民等[7]對(duì)不同迎面風(fēng)速、空氣溫度及相對(duì)濕度情況下對(duì)翅片管換熱器霜層生長(zhǎng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同環(huán)境參數(shù)下結(jié)霜量和霜層厚度的變化規(guī)律。黃康[8]等研究了翅片管換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)霜層生長(zhǎng)特性的影響，得到了結(jié)霜工況下最優(yōu)的翅片間距和翅片片型；姚楊、姜益強(qiáng)[9]等人分析了結(jié)霜工況下?lián)Q熱器的傳熱與阻力特性，得到不同工況下的融霜間隔變化規(guī)律。

以上研究主要針對(duì)超疏水涂層在翅片單體上結(jié)霜和化霜的微觀實(shí)驗(yàn)，或者針對(duì)不同環(huán)境參數(shù)條件、不同翅片結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)換熱器結(jié)霜的影響，較少涉及超疏水涂層應(yīng)用在翅片管換熱器結(jié)霜/化霜過(guò)程的探究。本文在典型低溫高濕工況下，對(duì)應(yīng)用超疏水涂層的換熱器和普通親水涂層的換熱器結(jié)霜/化霜過(guò)程風(fēng)量、空氣阻力、換熱能力以及結(jié)霜周期等參數(shù)的變化規(guī)律作了詳細(xì)對(duì)比研究，對(duì)空氣源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有參考和指導(dǎo)價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

為更好控制翅片管換熱器表面溫度，避免系統(tǒng)其他因素影響，單純對(duì)比親水涂層和超疏水涂層對(duì)換熱器結(jié)霜和化霜的影響，本實(shí)驗(yàn)以換熱器單體作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用乙二醇溶液作為制冷劑。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由乙二醇溶液高、低溫恒溫水槽組成的制冷劑供給和切換系統(tǒng)，被測(cè)試換熱器樣件，工況調(diào)節(jié)室和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)原理圖如圖1（1-工況室，2-換熱器樣件，3-高低溫恒溫水槽，4-風(fēng)洞，5-變頻風(fēng)機(jī)，6-干濕球溫度計(jì)）所示，被測(cè)換熱器樣品參數(shù)如表1所示，換熱器樣件實(shí)物圖如圖2所示，水滴在超疏水涂層換熱器上的效果圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

在工況調(diào)節(jié)穩(wěn)定的條件下，工況室中的空氣按設(shè)定流量流經(jīng)換熱器表面，與換熱器管內(nèi)低溫乙二醇溶液進(jìn)行熱量交換，空氣流量由變頻風(fēng)機(jī)控制。換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)分別安裝有干濕球溫度計(jì)，根據(jù)換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的干濕球溫度和風(fēng)量計(jì)算換熱器空氣側(cè)的換熱量。乙二醇溶液進(jìn)出口分別安裝有熱電偶，根據(jù)乙二醇制冷劑進(jìn)出口溫差以及流量計(jì)算制冷劑的制熱量。

Ql=clml×（To-Ti）（1）

式中：

Ql——乙二醇溶液制熱量，kW；

cl——乙二醇溶液比熱容，kj/(kg.k)；

ml——乙二醇溶液質(zhì)量流量，kg/s；

To——乙二醇溶液進(jìn)口溫度，℃；

Ti——乙二醇溶液出口溫度，℃。

隨著換熱過(guò)程進(jìn)行，換熱器表面的霜層越來(lái)越厚，風(fēng)阻增大，風(fēng)量衰減，換熱器換熱量也逐漸衰減，當(dāng)換熱量衰減至最大換熱量的70%時(shí)，將此條件作為換熱器化霜的判定條件，此時(shí)由低溫恒溫水槽進(jìn)入換熱器的低溫溶液切換至高溫恒溫水槽，高溫溶液進(jìn)入換熱器中進(jìn)行化霜，化霜時(shí)間設(shè)定為300s，化霜溫度設(shè)定為40℃，化霜時(shí)風(fēng)機(jī)關(guān)閉。化霜結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)切換進(jìn)入低溫恒溫水槽，進(jìn)入下一個(gè)結(jié)霜過(guò)程，如此形成不間斷的結(jié)霜和化霜過(guò)程。

2　結(jié)果與討論

2.1　結(jié)霜/化霜效果對(duì)比

2/1℃干濕球溫度是典型低溫高濕結(jié)霜工況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)工況室內(nèi)的干濕球溫度進(jìn)行控制，其波動(dòng)變化范圍如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的工況趨于穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍較小，保證了換熱器在設(shè)定工況下進(jìn)行結(jié)霜/化霜對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從圖5的對(duì)比可以看出，超疏涂層的結(jié)霜形態(tài)與親水涂層的明顯不同。結(jié)霜45min后，使用親水涂層的換熱器表面結(jié)滿了細(xì)密連續(xù)的霜層，而超疏水涂層換熱器表面則是生成不連續(xù)的珠狀的固態(tài)小液滴，結(jié)霜量明顯降低，抑霜效果明顯?；笥H水涂層表面幾乎沒(méi)有殘留水，而超疏水涂層表面翅片間會(huì)出現(xiàn)少數(shù)的“水橋”，“水橋”的存在影響了超疏水涂層的化霜效果。

圖1　換熱器單體結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2　換熱器樣件實(shí)物圖

圖3　超疏水涂層水滴效果圖

圖4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程工況變化曲線

圖5　不同涂層結(jié)霜和化霜效果對(duì)比

圖6　不同涂層風(fēng)量變化規(guī)律

圖7　不同涂層空氣側(cè)壓降變化規(guī)律

表1　換熱器參數(shù)

表2　實(shí)驗(yàn)工況

2.2　風(fēng)量衰減與壓損損失

圖6、圖7顯示了親水涂層和超疏水涂層在結(jié)霜/化霜過(guò)程中風(fēng)量和空氣側(cè)壓降的變化規(guī)律。由圖7可以看出，隨著結(jié)霜過(guò)程的進(jìn)行，換熱器空氣側(cè)的壓降也越來(lái)越大，由初始的13Pa逐漸增加到100Pa，相應(yīng)的風(fēng)量也由初始的480m3/h逐漸下降到300m3/h。這是由于隨著結(jié)霜過(guò)程的進(jìn)行，換熱器表面的結(jié)霜量增加，流經(jīng)換熱器表面的空隙變小，因而阻力增大，風(fēng)量衰減。與親水涂層換熱器相比，超疏水涂層換熱器空氣側(cè)阻力增加到100Pa時(shí)，其所需的時(shí)間大約是親水涂層換熱器的兩倍，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量衰減時(shí)間也延長(zhǎng)了一倍。即在相同的結(jié)霜運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，超疏涂層的阻力損失遠(yuǎn)小于親水涂層的阻力損失，說(shuō)明超疏水涂層有效抑制了霜層的生長(zhǎng)。這主要是由于親水涂層的換熱器表面結(jié)滿了細(xì)密連續(xù)的霜層，堵住了換熱器表面空氣流通的通道，而超疏水涂層換熱器表面則是生成不連續(xù)的珠狀的固態(tài)小液滴，結(jié)霜工況下氣流仍能夠在珠狀液滴之間流通，因而能夠有效降低空氣側(cè)的阻力損失和風(fēng)量衰減，延長(zhǎng)其結(jié)霜周期。

圖8　不同涂層換熱能力和結(jié)霜周期變化規(guī)律

2.3　結(jié)霜周期與換熱能力對(duì)比

圖8為親水涂層和超疏水涂層換熱器換熱能力和結(jié)霜周期對(duì)比曲線。如圖8所示，與親水涂層換熱器相比，超疏水涂層換熱器的結(jié)霜穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了將近一倍，由40min延長(zhǎng)至75min，延長(zhǎng)了87.5%；一個(gè)周期內(nèi)的平均低溫制熱量由558W提升至605W，低溫制熱能力提高了8.4%。結(jié)霜周期的延長(zhǎng)主要是由于超疏涂層抑制了霜層生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了風(fēng)量衰減。表明了超疏水涂層能夠有效抑制換熱器表面霜層生成，延緩結(jié)霜周期，提升低溫制熱量。由圖8還可以看出，在相同的150min內(nèi)，親水涂層換熱器經(jīng)過(guò)了3次化霜，而超疏涂層換熱器只化霜一次，極大的減少了化霜次數(shù)，這對(duì)提高熱泵機(jī)組的室內(nèi)熱舒適性和系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性具有積極意義。

3　結(jié)論

本文以乙二醇溶液作為制冷劑，基于空氣焓差實(shí)驗(yàn)原理，在2/1℃干濕球工況條件下，對(duì)使用親水涂層和超疏水涂層的換熱器進(jìn)行了結(jié)霜和化霜過(guò)程的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。得到以下結(jié)論：

（1）超疏水涂層應(yīng)用于空調(diào)換熱器可以有效抑制霜層的生長(zhǎng)，延緩結(jié)霜周期，提升低溫制熱性能。與親水涂層相比，其結(jié)霜周期延長(zhǎng)87.5%，低溫制熱量提高8.4%。

（2）風(fēng)量衰減是是造成換熱器能力衰減的主要因素。超疏水涂層與親水涂層相比延長(zhǎng)結(jié)霜周期的主要原因在于超疏水涂層上形成珠狀的液滴，與親水涂層密集層狀的霜層相比，大大降低了風(fēng)阻，風(fēng)量衰減變緩慢，因而延長(zhǎng)了結(jié)霜的周期。

（3）超疏水涂層在化霜過(guò)程中在翅片間存在“水橋”現(xiàn)象，影響其化霜效果和下一個(gè)結(jié)霜，后續(xù)應(yīng)加以研究和改進(jìn)。

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