親水涂層翅片應用于風冷冰箱的性能研究

劉忠寶 高嘉陽 李婧祎 李 斌

親水涂層翅片應用于風冷冰箱的性能研究

劉忠寶 高嘉陽 李婧祎 李 斌

（北京工業大學環能學院 北京 100124）

在制冷領域結霜現象不可避免，霜層通常會對制冷性能造成影響。由于親水性涂層可以起到一定的抑制結霜的效果，通過搭建模擬風冷冰箱的實驗臺，在蒸發器翅片表面涂覆親水材料，設計合理的實驗方案，建立對照實驗組，分析比較親水涂層抑霜延緩結霜的能力、耗電量和功率的變化，對蒸發器換熱能力的影響，并對涂層的穩定性進行初步研究，討論了技術可行性和經濟可行性。通過實驗對比發現：親水性翅片應用于風冷冰箱可有效延緩結霜，而且提升了蒸發器的換熱性能從而提升了制冷效率。相同的工況下系統的耗電量和功率都有所降低，連續運行多個循環涂層穩定性較好，且該親水性翅片適用范圍廣，經濟效益好。但仍需合理控制融霜的時長和退出時間點，以保證其親水特性。

親水性涂層；風冷冰箱；蒸發器；延緩結霜；節能

0 研究背景

風冷冰箱因其溫度波動小，容量大的特點被認為是今后冰箱行業的發展趨勢，然而在實際運行中仍會出現蒸氣在蒸發器表面凝結成霜的情況，并且過厚的霜層使得熱阻增加、空氣阻力增大、氣體流量減小進而使得蒸發器的換熱性能受到影響。傳統冰箱融霜方式為電加熱融霜，化霜的同時會消耗大量能源，在節能減排的環境下，抑制結霜顯得尤為重要[1,2]。

利用表面處理技術進行延緩結霜的研究是提高換熱器換熱效率方法之一，國內外學者也做了較多的理論和實驗研究，主要集中在制作親水性表面和疏水性表面。對于親水性涂層抑制結霜的機理目前還存在爭議，但大多數人認為是由于親水涂料含有強吸水性物質，能夠在結霜初期把凝結在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的親水涂層內部，而且涂層內含有能降低水的冰點的物質，使得吸附到涂層內部的水珠不發生凍結，從而延緩形成初始霜晶[3]。

Okoroafor[4]在高聚物的親水表面進行了抑霜試驗，試驗進行了兩個多小時并在表面取得了較好的抑制結霜效果，高聚物親水表面結霜速率及霜層厚度減少了10%～30%，然而親水表面涂層的厚度較厚，通常大于0.7mm以上。所以涂層材料雖然起一定的防霜抑霜作用，涂層厚度的增加導致在實際使用過程中換熱器表面的熱阻增加，同時也會減少了空氣流通面積，Okoroafor并沒有指出這種親水表面涂層在重復的使用之后抑制結霜效果。

Christian J L等人[5]研究了在強迫對流條件下親水表面結霜的特性，提出了霜的厚度隨時間、過冷度和表面接觸角變化的半經驗全代數表達式。對于在親水表面結霜的不同參數（接觸角、風速、過冷度、溫濕度）進行了比較分析，從理論上進行一定研究，其代數表達式在能夠在誤差為±15%的范圍內再現90%的數據，并得到：表面溫度和過冷度對親水涂層表面結霜影響較大。

東南大學的楊劍[6]研究對比了普通金屬表面以及親水性表面結霜的過程發現吸水性涂層的表面結霜結霜時間晚，晶體稀疏且成倒立狀，霜柱在短時間內還起到翅片的作用增強換熱。在顯微鏡下觀察可以看到空氣中的水分子吸附到親水性表面后直接溶入涂層。實驗表明，表面涂親水性涂層后結霜的時間延遲，結霜量以及霜層厚度都比未處理的表面要小。研究可以看出親水性涂層在低溫低濕的工況延緩結霜，涂層越厚效果越好。

北京工業大學劉中良[7]在2004年開發了一種新型的親水涂料，在空氣的相對濕度比較低、冷壁面溫度較高的情況下抑霜的效果較好，但涂料的成膜厚度較厚。在濕度高、壁溫低的條件下，其抑霜的作用不明顯，此外表面比較柔軟，抗沖擊能力差。之后勾昱君[8]等人在之前配方的基礎上對工藝和配方加以改進，使用該涂層后使得融霜的周期比之前延長60min，并在冰箱的內壁涂上并且實際運行了六個月發現涂層形成的霜晶非常稀薄，抑制結霜的效果明顯。

付德剛等[9]對超親水性納米二氧化鈦光催化復合膜及其制備方法和應用進行了探究，制備出了一種復合膜在無光條件下仍保持超親水性。

目前國內外的一些學者針對蒸發器的結霜導致能耗增加的問題提出了許多改進方案，親水涂層的研究開展較早，在熱泵和房間空調器上應用較多，然而在冰箱蒸發器翅片應用還較少。涂層在實際應用的過程中較為簡便，根據風冷冰箱蒸發器的特點選擇合適的涂層及涂層工藝，研究涂層在實際冰箱的應用是十分必要的。本文通過搭建模擬風冷冰箱的實驗臺，結合實際換熱器的形狀和特點，選擇合適的親水涂層，通過對比試驗，研究親水涂層對于蒸發器延緩結霜及對系統冷卻能力、功耗的影響，分析其技術可行性與經濟可行性。

1 實驗裝置及實驗方案

1.1 實驗裝置

1.1.1 親水涂層蒸發器

表1 涂層的物理性質

親水涂層材料種類多，不同種材料之間加工的工藝流程不同，部分親水涂層加工難度大，成本高，最終實驗選用的親水涂料為子西萊環保科技有限公司生產的ZXL-CQS超親水型納米自清潔涂料，該涂料為無色透明液體，操作簡單，牢固度高，無毒無污染，常溫干燥固化即可，涂層經測試2000h耐老化，耐沖刷，涂料可在經處理的物體表面形成一層高密度穩固的全透明隱形納米超親水透明薄膜，水滴與納米涂層的接觸角小于5°，涂層成膜厚度1到2μm。納米薄膜超親水性可以吸附空氣中的水分，形成薄薄的水膜，而且當水珠落在薄膜表面會迅速鋪開形成水膜，該涂料相關物理測試性能如表1所示。

使用無水乙醇及去離子水對蒸發器進行清潔處理，選用0.3mm以下口徑的高壓噴槍，流量調低，均勻噴涂于清潔后的蒸發器表面，剛好噴濕潤而不流掛，以涂層形成均勻水膜為準，待納米自清潔涂料薄膜風干24h后，完成親水涂層蒸發器的制作。

1.1.2 模擬風冷冰箱試驗臺的搭建

圖1 模擬風冷冰箱箱體內部結構

本實驗臺系統包括制冷四大部件：壓縮機、冷凝器、蒸發器及節流裝置。為模擬風冷冰箱外部保溫結構，采用比重輕、耐沖擊、保溫性能較好、耐水、價低且容易加工的泡沫塑料制作本實驗臺的箱體及箱蓋。實驗用的箱體長53cm，寬51cm，高24cm，箱壁厚2.5cm。為便于觀察，在箱蓋上設置兩個與蒸發器位置對應的方形窗口并加蓋透明玻璃蓋板。箱體內將空間平均分為兩個部分，中間用保溫泡沫塑料隔板隔開，兩邊分別放置一個蒸發器及一個風扇。兩側蒸發器及風扇的大小、規格、布置位置完全一致。蒸發器距箱體外壁面15.5cm，風扇放置在換熱器的同一橫向位置，且距離右壁面22cm，距離箱頂高4cm，整個箱體內部結構如圖1所示，啟動風扇使得箱內空氣不斷循環，氣流均勻的通過蒸發器翅片表面，實現模擬風冷冰箱的強迫對流換熱。其中風扇規格為12cm×12cm，高24cm，功率為20w，蒸發器選用優質純鋁翅片式換熱器（科威力公司生產），型號為FAN-0.38/1.2，換熱面積1.2m2，長205mm，寬45mm，高210mm，鋁箔0.2mm厚，鋁箔間隙3mm，蒸發器傳熱系數高、防腐性能好。

1.1.3 溫度測量系統

在溫度的測量上實驗選擇多個單一測點數字顯示電子測溫度計，溫度測量誤差±1℃，溫度計測量范圍-50℃～110℃。溫度計測點布置在：蒸發器的出口、蒸發器的入口、蒸發器壁面、負載。溫度測點的布置具體位置如圖2所示。

圖2 溫度測量系統的測點分布

1.1.4 其他裝置

實驗采用PF9830三相智能電量測量儀，測量實驗系統耗電量以及功率智能功率測量儀的參數如表2所示。

使用高清工業內窺鏡對霜層實時觀測，鏡頭直徑8mm，焦距：3～10cm，鏡頭處帶有可調節亮度的LED燈。將內窺鏡正對翅片固定放置在箱體內，外連電腦。

為維持高濕度的實驗條件，箱體內放置一個小型的空氣加濕器，加濕器功率為2W，大小為78mm×78mm×105mm，可加水200ml，噴霧量約25～30ml/L。為了防止加濕器內的水結冰，在加濕器外加保溫棉，經實際使用驗證，系統運行3h，加濕器內部的水未凍結，仍可以正常使用。

表2 PF9830三相智能電量測量儀的參數

1.2 實驗方案

實驗臺準備有兩套完全相同的普通鋁翅片蒸發器，選擇其中一套作為備用組。實驗組內需放置4個溫度傳感器、1個內窺鏡、1個加濕器及實驗負載。開機前打開箱體使得箱體內溫度與室溫相同，通過溫度傳感器記錄該溫度，箱體內初始設定濕度80%至90%。

1.2.1 冷卻速度試驗

步驟一：為延遲負載結霜，配制800ml濃度為15%的鹽水，在開機運行前將鹽水與外部溫度傳感器相連，待示數穩定后讀取數據并記錄。步驟二：將鹽水放入箱體并開機運行。步驟三：每隔5min記錄鹽水溫度，直到鹽水溫度降到-10℃。

蒸發器表面涂附親水涂層后，保證鹽水配比、容積及初始溫度不變，重復步驟二至步驟三，將上述數據整理制成表格。

1.2.2 結霜實驗

步驟一：選擇箱體某一位置固定安裝內窺鏡，并外接電腦。步驟二：開機運行并持續觀測蒸發器表面的結霜情況，待出現明顯霜晶后拍照截取此時霜晶形態及記錄運行時間，此后每10分鐘拍照截取圖像一次。持續實驗3小時。

蒸發器表面涂附親水涂層后，重復上述實驗，并整理圖像數據。

1.2.3 功耗實驗

步驟一：在箱體內放入兩瓶規格為550mL瓶裝，溫度為常溫自來水作為實驗負荷。將實驗臺接入功率計，打開加濕器。步驟二：記錄下初始的蒸發器的進口溫度、出口溫度、壁面溫度，之后每隔5min記錄一次所有測點的溫度以及功率計讀數。步驟三：累計運行90min后停機除霜，使用電吹風強制化霜，至翅片表面溫度為15℃時停止融霜，記錄下除霜所用的時間以及除霜功率。步驟四：累計停機5min后，再次開機運行，并取出原負荷放入新負荷，并按照之前方式記錄溫度和功率，仍運行90min，共運行三個制冷—融霜的循環。

蒸發器表面涂附親水涂層后，保證實驗負載初始數據相同重復上述實驗，并整理數據。

1.2.4 涂層穩定性實驗

涂覆親水涂層后，開機運行90min，使用內窺鏡截取蒸發器表面結霜圖像一次。關閉制冷循環，使用電吹風強制對流融霜，蒸發器表面溫度為15℃時停止強制融霜。再次開機運行，比較每個循環的結霜情況及功耗。進行3次重復實驗，整理并分析實驗數據。

2 實驗結果及分析

2.1 冷卻速度實驗結果

按照1.2.1中描述的冷卻速度實驗操作步驟進行實驗，整理實驗數據得到圖3。

圖3 鹽水冷卻速度

通過實驗對比發現新機（裝備親水性翅片的機組）水溫下降的速度更快。將800mL濃度為15%的鹽水冷卻至-10℃，原機（裝備普通翅片的機組）需要80～85min，新機需要70～75min，新機冷卻速度是原機冷卻速度的115%。從曲線的曲率來看新機溫度下降呈現先快后慢的趨勢，原機曲率平緩，在運行至50min時兩者溫差達到最大，之后新機冷卻速度放緩二者溫差逐步減小。

2.2 結霜效果及分析

為比較親水性翅片延緩結霜的效果，選擇工況：環境溫度17℃，初始相對濕度80%，兩種翅片選擇同一加濕器，實驗連續運行3個小時每隔10min拍照一次，翅片表面霜層部分照片如圖4所示。

圖4 翅片表面結霜情況對比

由圖4所示，實驗臺運行30min時，普通翅片表面形成連續均勻的薄膜狀霜層，翅片迎風側頂部出現細小冰晶；親水性翅片表面形成不連續的薄膜狀霜層。實驗臺運行60min時，普通翅片表面被霜層完全覆蓋，迎風側翅片頂部形成形狀緊密的枝狀冰晶；親水翅片形成連續均勻的薄膜狀霜層，迎風側親水翅片頂部開始出現形狀松散的枝狀冰晶。實驗臺運行90min時，普通翅片表面形成較厚的霜層，氣流通道減少約50%，制冷效果受到較大影響；親水性翅片表面霜層較同時期普通翅片薄，翅片頂部枝狀冰晶形狀緊密。運行120min時，普通翅片的氣流通道幾乎被霜層完全阻塞，親水翅片氣流通道減少約60%。運行150min時，普通翅片氣流通道被霜層完全覆蓋，系統失效；親水性翅片氣流通道幾乎完全被覆蓋。運行180min時，普通翅片與親水性翅片的氣流通道均被完全覆蓋。

通過以上實驗結果分析可知，親水性翅片與普通翅片相比可明顯抑制霜層生長且前期抑制效果優于后期，親水翅片可延遲化霜周期約30min，減少化霜能耗，但仍需要根據情況及時除霜保證性能。

2.3 涂層前后蒸發器表面換熱性能分析

2.3.1 理論分析

翅片管式換熱器傳熱的基本公式為

式中，為傳熱量，kW；為傳熱系數，kW/(m2·℃)；為傳熱面積，m2；Δ為溫差，℃。

親水性涂層對于蒸發器表面可以起到延緩結霜的作用，當蒸發表面的霜層逐漸增厚，增加了導熱熱阻，使得蒸發器傳熱系數降低。在結霜的早期，由于霜層增加了熱表面的粗糙度及表面積，使得總傳熱系數有所增加；結霜后期，熱阻增加造成的影響成為影響傳熱系數的主要方面時，總傳熱系數開始下降。同時，霜層的增加也使得空氣流經翅片時阻力增大堵塞通路，影響空氣流量，在一定程度上阻止了與翅片表面的有效換熱。上海交通大學的羅超[10]等人研究表明當進口風速為0.45m/s，進口空氣溫度為-4.5℃，相對濕度為80%時，對間冷式冰箱運行6h時其制冷量會衰減46%。因此，在同一時刻，新機的制冷效果優于原機。

2.3.2 實驗結果分析

實驗時測定蒸發器表面溫度，蒸發器進出口側空氣溫度。以90min為一次循環，連續運行制冷-融霜三個循環，并以第一次循環為例，得到數據圖5、圖6、圖7。

圖5 蒸發器表面溫度

圖6 蒸發器進口溫度

圖7 蒸發器出口溫度

由圖可知，開機運行后，翅片表面溫度迅速下降至-20℃，此后普通翅片溫度緩慢下降并趨于穩定，親水性翅片溫度繼續降低并在-25℃左右趨于穩定，兩者表面溫差最大為4.4℃；由于普通翅片霜層增長速度快，同時期下普通翅片表面霜層厚度大于親水性翅片，熱阻更大，使得親水性翅片表面溫度低于普通翅片。

此外，系統運行前30min親水翅片與普通翅片進出口溫差較小；運行70min左右時，蒸發器進出口溫度有輕微的回升，此時霜層堵塞氣流通路，使空氣在翅片表面溫度持續緩慢降低的情況下仍未能與之實現良好換熱，從而箱內的溫度無法繼續下降，表明霜層對熱阻影響較大，對換熱的影響在后期占據主導，要保證系統的制冷性能必須進行除霜操作。

通過理論及實驗分析，親水性翅片雖然經過處理增加了一層親水膜，但涂膜對于熱阻產生影響較小。親水性翅片能夠延緩結霜，同時期下使其霜層厚度小于普通翅片，進而減少由于霜層帶來的熱阻。但需要注意的是由于霜層過厚會使得系統的制冷性能降低，出現溫度回升的趨勢，因此需根據翅片的特點以及設計需求，合理選擇融霜的切入點，進行融霜操作。

2.4 功耗及耗電量實驗結果及分析

2.4.1 功耗實驗結果及分析

實驗發現，系統運行90min時，蒸發器表面霜層明顯，壓縮機功率降低，同時環境溫度出現下降緩慢或不下降趨勢。因此，在系統運行至90min時使用電吹風進行手動除霜。實驗記錄功率包括系統運行功率及吹風機融霜時功率，每5min實時讀取功率計讀數。實驗進行三次制冷-融霜循環，每運行90min停機進行除霜操作，翅片表面15℃時停止除霜。實驗得到兩種不同翅片的實時功率曲線，如圖8所示。

圖8 普通翅片與親水性翅片實時功率曲線

結合圖像分析知，新機功率略低于原機，且在制冷過程中兩者功率均出現小幅下降趨勢。實驗選擇每95min為一個完整的制冷-融霜循環，在制冷過程中，剛啟動的箱體內環境溫度高，需要制冷劑蒸發帶走的熱量多，導致壓縮機在運行的前期功率較大；隨著溫度的下降，箱體內溫度逐漸降低，所需要帶走的熱量減少，壓縮機的功率降低；由于親水性翅片相比于同時期的普通翅片結霜少，使得由于結霜造成的導熱熱阻少，在同一時間下壓縮機做功少于普通翅片。

第二次循環時，因使用電吹風除霜，翅片溫度和環境溫度升高，再次開機時功率明顯大于第一次開機時的功率；隨著運行時間的推進，溫度持續降低，功率接近第一次循環時的情況。同理，第三次循環也表現出相同的情況。另外，在除霜后蒸發器表面的霜晶化成水，部分水滴在翅片間，當再次啟動時，這部分水導致霜層增加較第一次更快些，因此壓縮機的功率在后期雖相近但仍略高于第一次的功率。

2.4.2 耗電量分析

實驗進行三次循環，并將每個循環的耗電量整理如圖9、10所示。

由圖知，新機和原機的功耗都隨時間逐漸增大；隨循環周期的增加，在同一時刻下新機和原機耗電量的差異逐漸增大。第一個循環周期內二者耗電量相近，計算新機制冷結束后其耗電量比原機少0.012kWh，相比于原機減少功耗5.7%；第二個循環周期中新機比原機節約電量0.014kWh，降低5.8%的功耗；第三個循環周期中新機節約8.2%的電量。三個循環累計運行300min，新機共省電0.052kWh，節省7.2%的功耗。

圖9 不同類型翅片耗電量隨時間變化曲線圖

圖10 不同類型翅片耗電量之差隨時間變化曲線圖

實驗證明，在相同工況下使用親水性翅片可以降低冰箱功耗，減少用電量，其節能幅度約為5%～8%。本實驗中，新機比原機省電約7%。

2.5 涂層穩定性分析

在冰箱實際運行過程中會不斷進行制冷、融霜操作，因此涂層穩定性是考慮其投入實際使用的重要因素之一。實驗進行三次制冷-融霜循環，并得到翅片表面溫度如圖11。

圖11 循環親水翅片蒸發器表面溫度

如圖11，三次制冷—融霜循環中蒸發器表面溫度下降趨勢一致，且在同一時刻蒸發器表面溫差極小。證明該涂層可以在多次制冷—融霜循環后保持良好的性能，以延長融霜周期達到節能目的。

2.6 技術經濟可行性分析

本文研究的親水性翅片，即通過在風冷冰箱蒸發器的翅片表面涂覆一種超親水涂料，實現延緩結霜和節能的目的。該涂層的涂覆工藝簡單、涂層效果好可適用的范圍廣，在實際的加工過程采用直接噴涂或者浸漬法可很好的實現涂膜的制備。涂層材料價格成本低，加工簡單可實現工業流水線生產。

在實驗中該涂層可節能5%～8%，不同體積規格的風冷冰箱耗電量上有所差異。按風冷冰箱每天耗電0.7°計算，其一年耗電量約255.5°，每年電費約為128元，則裝備親水性翅片的風冷冰箱每年可節省電費9元。

3 總結

通過對比試驗得出一下結論：

（1）相同工況下，為達到相同溫度，同型號的親水性翅片冷卻速率是普通翅片的115%，冷卻速度快，降溫能力強；

（2）相同工況下，同型號的親水性翅片具有良好的抑霜能力及優異的穩定性，可延緩融霜周期約30min；

（3）相同工況下，同型號的親水性翅片比普通翅片功耗低，耗電量少，節能5-8%，具有良好的技術經濟可行性，每年節約電費約9元。

該親水性翅片可適用于風冷冰箱，并具有較大的應用價值，響應國家節能減排的號召，可在冰箱的設計制造過程予以采用。

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Study on the Performance of Hydrophilic Coated Fins in Air-cooled Refrigerators

Liu Zhongbao Gao Jiayang Li Jingyi Li Bin

( College of Energy, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

Frost formation is inevitable in the field of refrigeration,frost layer usually affects the performance of refrigeration. Because hydrophilic coating can play a certain role in inhibiting frost formation, a reasonable experimental scheme is designed by setting up an experimental platform simulating air-cooled refrigerator and coating hydrophilic material on the surface of evaporator fin, and a control experimental group is established to analyze and compare the hydrophilic coating's ability to resist frost and delay frost formation, the change of electricity consumption and power, and the influence on the heat transfer ability of evaporator. The stability of the coating is preliminarily studied and the technical and economic feasibility is discussed.The application of hydrophilic fin in air-cooled refrigerator can effectively delay frosting and improve the heat transfer performance of evaporator so as to improve the cooling efficiency. Under the same working conditions, the power consumption and power of the system have been reduced to some extent. The continuous operation of multiple circulating coatings has good stability, and the hydrophilic fins have a wide range of application and good economic benefits. However, the defrosting duration and exit point should be controlled reasonably to ensure its hydrophilic characteristics.

Hydrophilic coating; Air-cooled refrigerator; Evaporator; Delay frost formation; Energy saving

TB69

A

1671-6612（2020）04-446-07

國家自然科學基金資助項目（項目編號：No.51776006）

劉忠寶（1971-），男，副教授，E-mail：liuzhongbao@bjut.edu.cn

2020-09-17