表面處理對微通道換熱器濕工況性能及長效特性的影響

劉鹿鳴 施駿業 王 穎 葛方根 汪 峰 魏慶奇 陳江平

(1上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240; 2浙江盾安人工環境股份有限公司 杭州 310000;3天津三電汽車空調有限公司 天津 300385)

微通道換熱器具有重量輕、結構緊湊、換熱效率高、內容積小的優點，在汽車空調領域已經得到廣泛應用[1]。近年來，微通道換熱器開始越來越多的應用在家用和商用空調上面[2]，這就要求其在熱泵工況下穩定運行[3]。當微通道換熱器用作蒸發器時，換熱器翅片表面溫度如果低于入口空氣露點溫度，翅片上面就會產生冷凝水，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。由于改變翅片間距會直接影響換熱器性能，而且新開翅片模具費用昂貴，故相比而言研究表面處理對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排除，疏水處理使得凝水聚成水滴排除。家用空調上多用親水鋁箔作翅片，Xiaokui Ma、Chi-Chuan Wang和楊強等[6-9]研究了析濕工況下親水層對管片式換熱器空氣側性能的影響， 結果說明表面涂層可以大大降低空氣側的壓降，而對換熱器性能的影響取決于換熱器翅片結構參數和實驗工況。Ehsan Moallem等[10]研究了親水和疏水處理對微通道換熱器結霜工況下性能的影響，結果表明在結霜工況下經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蒸發器制冷量有很小的貢獻。現在針對表面處理對微通道換熱器空氣側性能和長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行性能對比，研究了不同表面處理對換熱器的性能影響，并選取性能較好的一種與原換熱器進行長效特性比較。

1恒溫水槽 2截止閥 3過濾器 4三通閥 5水泵 6流量計 7環境艙 8微通道換熱器 9風道 10噴嘴 11環境控制機組 12風機 13加濕盤管 14加熱盤管 15蒸發盤管 16攝像機

1 實驗裝置

實驗裝置系統如圖1所示。該系統主要由放置在封閉的環境艙內的空氣回路，冷水回路、數據采集模塊以及控制終端構成。實驗過程中，樣件安裝于風洞出口，由風洞內的噴嘴控制風量，環境溫、濕度由空調系統和加熱加濕系統控制，冷水回路的水溫由恒溫水槽控制。一個攝像機被放置在換熱器空氣側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，用于儲存換熱器凝水。

系統空氣側和水側進出口狀態由多個溫度壓力傳感器測量并由電腦自動控制，通過計算換熱器的空氣側進出口焓差及水側的進出口焓差來測量樣件的換熱能力，一般認為換熱器單體實驗空氣側換熱能力與水側換熱能力相差在5%之內實驗結果才有效。實驗臺各傳感器精度如表1所示，根據Moffat的誤差分析方法[12]可以計算出實驗臺對于換熱器換熱量測量的不確定度為3.5%。

表1 實驗臺主要傳感器精度

2 實驗對象、工況及數據處理方法

2.1 實驗對象及工況

微通道換熱器由百葉窗翅片和微通道扁管組成，百葉窗翅片的結構如圖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。

研究對象為3個微通道換熱器，其中一個未經表面處理，一個經過親水處理，一個經過疏水處理，三個換熱器的結構相同，具體參數如表2所示。

表2 實驗樣件的結構參數

圖2 百葉窗翅片的結構

換熱器經脫脂、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級別，對翅片厚度和翅片間距影響很小。實驗測試工況見表3。

表3 實驗工況表

2.2 數據處理方法

空氣側壓降通過壓差傳感器直接獲得，換熱器換熱量通過空氣側和水側換熱量取平均數得到：

(1)

式中：Qm為換熱器換熱量；Qa為空氣側換熱量；Qw為水側換熱量。

Qa=ma(ia，in-ia，out)

(2)

Qw=mw(iw，out-iw，in)

(3)

式中：Qa為空氣側換熱量；Qw為水側換熱量；ma為空氣質量流量；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 實驗結果及分析

3.1 換熱器空氣側性能比較

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，采用無量綱數作為衡量標準：

(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速下性能相比原換熱器衰減了14%，但是其性能隨著風速的增大得到改善。這是因為低風速時，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性，使其換熱能力衰減；而原換熱器翅片上的凝水形成一個個小水滴，相當于增大了翅片表面的粗糙度，使其換熱能力增強。

圖4為三種換熱器在不同工況下的壓降比較，同樣采用無量綱數作為衡量標準:

(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，這就是因為換熱器翅片間形成很多水橋。隨著風速的增大，換熱量也同時增大，換熱量增大導致凝水增多水橋變多，故疏水處理換熱器壓降隨著風速的增大先變大。而當風速達到一定值時，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速的升高先上升后下降。由于水膜流動性比水滴好，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速時壓降明顯升高，這是因為濕度較大時凝水變多，翅片表面的水膜厚度增加，此時若風速較低，水膜的流動性就會大大降低，殘留在翅片間的水膜使得換熱器的壓降變大。隨著風速的增大，水膜的流動性大大提升，盡管風速增大凝水也同時增多，但是水膜的流動性起到了主導作用，使得在高濕度高風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速下的空氣側冷凝照片，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 不同風速和不同濕度下親水和疏水表面處理對換熱器傳熱特性的影響

圖4 不同風速和不同濕度下親水和疏水表面處理對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冷凝照片

3.2 換熱器長效特性比較

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

將換熱器置于標準鹽霧實驗箱中，用電導率不大于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，鹽霧箱溫度設定為49 ℃，飽和塔溫度設定為57 ℃。經過260 h酸性鹽霧腐蝕后取出兩個換熱器，分別測試其性能。測試工況與表3工況一致，但僅取47%一個相對濕度進行研究。

圖6 260 h鹽霧腐蝕后不同風速下親水處理對換熱器空氣側性能的影響

可以看到經過鹽霧腐蝕后，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%。這是因為傳統微通道換熱器通常采用噴鋅來調節電位差[14]，在腐蝕環境中鋅的反應產物較多。反應產物會影響翅片的換熱效果，并同時增加空氣側阻力，而親水處理阻礙了酸性環境對換熱器芯體本身的腐蝕，對換熱器起到了保護的作用。

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冷凝照片，可以看出原換熱器表面出現很多反應產物，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冷凝照片

4 結論

通過對翅片間距1.1 mm的微通道換熱器進行不同的表面處理，而后對其在不同工況下的性能進行對比，研究了不同表面處理對微通道換熱器濕工況性能和長效特性的影響。結論如下：

1) 對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，會使得換熱器換熱效率下降，空氣側壓降顯著升高。實驗結果表明：與原換熱器相比，表面疏水處理的換熱器在低風速下性能衰減達14%，衰減隨著風速的變大而減小；而壓降除了高風速高濕度工況，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換熱量衰減2%～8%；壓降僅在高濕度低風速下明顯變大17%，其余大部分工況得到改善，在高濕度高風速下壓降僅為原換熱器的50%。

3) 表面親水處理對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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