超疏水換熱器抑霜/化霜性能的實驗研究

范來富，曹先齊，戴晶晶，文先太，汪 峰

(1. 國網淮安供電公司，江蘇 淮安 223001；2. 南京工程學院 能源與動力工程學院，江蘇 南京 211167；3. 揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；4. 東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096)

空氣源熱泵以環境空氣作為低位熱源，與電加熱、鍋爐供暖等方式相比，具有更高的一次能源利用率，而且可避免因燃煤造成的環境污染，是一種既節能又環保的供暖方式[1-2]，其應用有利于提高能源利用效率，促進節能減排，并緩解我國北方“煤改清潔能源”工程中出現的天然氣短缺問題。但是，空氣源熱泵冬季制熱運行存在結霜問題。由于霜層的生長，室外翅片管換熱器與空氣間的傳熱熱阻增大，空氣流量減小，導致熱泵機組的蒸發溫度和壓力下降，制熱效率降低，嚴重影響機組運行穩定與安全[3-4]。因此，研究如何抑制換熱器表面結霜，保障空氣源熱泵穩定高效運行，已成為推動空氣源熱泵發展的重要課題。

近年來，隨著表面改性技術的迅速發展，許多學者制備出具有納米結構或微納二級結構的超疏水表面，并將其用于抑霜研究[5-7]。當液滴置于固體表面，兩者間形成的夾角稱為表面接觸角θ。當θ<90°，表面為親水表面；當90° <θ<150°，為疏水表面；當θ> 150°，為超疏水表面[8]。Kim等[9]在可視化觀測中發現，結霜初期超疏水表面的凝結液滴分布稀疏，液滴尺寸較小且接近球形。徐文驥等[10]通過實驗研究表明，超疏水表面可延遲初始凝結液滴的凍結。周艷艷等[11]比較了超疏水表面和常規表面的結霜量，在表面溫度為-24.5 ℃，結霜120 min后，超疏水表面的結霜量為常規表面的58.3%。Jing等[12]對比了從超親水到超疏水等5種具有不同接觸角表面的結霜過程，實驗結果表明超疏水表面具有最好的抑霜能力。超疏水表面不僅抑霜效果好，同時能改善化霜過程，提高化霜效率[13-15]，因而在解決空氣源熱泵結霜問題上具有較好的應用前景。

目前，超疏水表面抑霜的研究主要針對平板等簡單幾何表面，由于超疏水表面大尺度制備技術的匱乏，難以實現對換熱器的整體化改性，導致換熱器尺度的超疏水表面抑霜研究較少。但是，只有實現超疏水表面在換熱器尺度的應用及抑霜與化霜研究，才能為超疏水抑霜技術在空氣源熱泵上的實際應用提供更加準確的指導。為此，本文提出了超疏水翅片管換熱器的整體化制備技術，并對其抑霜與化霜性能進行研究。

1 超疏水翅片管換熱器的制備

本文采用親水和常規翅片管換熱器與所制備的超疏水翅片管換熱器進行結霜/化霜實驗的對比研究。親水和常規換熱器通過換熱器廠家直接購買，而超疏水換熱器則是通過在實驗室對常規換熱器進行表面改性獲得。超疏水換熱器的整體化制備主要有3個步驟，依次為溶液刻蝕、去離子水煮沸和表面氟化處理。首先，將去除表面污垢后的常規換熱器放入濃度為0.2 mol/L、溫度為80 ℃的NaOH溶液中刻蝕3 min，從而在其表面形成微米結構；然后，將具有微米結構的換熱器放入沸水中持續煮沸約90 min，從而進一步在微米結構表面形成Al(OH)3納米結構；最后，將具有微納二級表面結構的換熱器放入真空罐內，利用溫度為150 ℃的全氟癸基三乙氧基硅烷蒸氣對換熱器表面進行氟化處理，從而獲得低能表面。

為了能夠準確獲得3種換熱器表面的潤濕性能，從每種換熱器的不同位置截取4份翅片樣品，并測量每份樣品的接觸角，取平均值后得到親水、常規和超疏水翅片的平均接觸角分別為13.7°，95.3°和156.8°。此外，超疏水翅片的滾動角為3.8°，具有高接觸角和低滾動角特征，體現出換熱器表面良好的超疏水性能。換熱器實物圖見圖1，3種換熱器具有相同的結構參數，翅片類型為平翅型，管路為叉流型布置，尺寸為300 mm×45 mm×200 mm(長×寬×高)，管排數分別為8和2，管間距為25 mm，排間距為22 mm，管外徑為10 mm，翅片間距為1.66 mm，翅片厚度為0.12 mm。

圖1 翅片管換熱器及翅片表面的接觸角Fig.1 Prepared fin-tube heat exchangers and contact angles of fin surfaces

2 抑霜/化霜性能實驗系統

為了實現換熱器表面的結霜/化霜以及對其性能參數的測量，搭建了翅片管換熱器結霜/化霜實驗系統，如圖2所示。采用兩臺恒溫槽分別作為換熱器結霜與化霜時的冷源和熱源，恒溫槽溫度調節范圍為-20 ℃～100 ℃，溫控精度為0.01 ℃。兩臺恒溫槽內均加入質量濃度為42.6%的乙二醇溶液(冰點為-24.9 ℃，沸點為106.1 ℃)。作為冷源的恒溫槽用于冷卻乙二醇溶液，而作為熱源的恒溫槽則用于加熱乙二醇溶液，恒溫槽與換熱器的聯通管路上設置有三通換向閥，實現結霜/化霜時冷熱乙二醇溶液的切換。風道主要由矩形風道、圓形風道、風機和變頻器構成。換熱器被放置于矩形風道內。圓形風道用于安裝風量計以及實現空氣的平穩流動，從而便于精確測量流經換熱器的風量。

圖2 結霜/化霜實驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of frosting/defrosting experimental system

實驗中需直接測量的參數包括換熱器進出口溶液的溫度和流量，換熱器空氣側進出口空氣的溫濕度和風量，換熱器表面的結霜高度以及結霜/化霜過程的可視化圖像。換熱器空氣側進口空氣的溫度和相對濕度(Ta,in和RHa,in)由安裝在換熱器空氣側進口處的溫濕度傳感器測量，出口空氣的溫度和相對濕度(Ta,out和RHa,out)通過安裝在換熱器空氣側出口處的溫濕度傳感器測量，溫濕度傳感器的溫度量程為-70 ℃～180 ℃，精度為±0.2 ℃，相對濕度量程為0～100%，精度為±1.0%；流經換熱器的空氣體積流量(Va)由安裝在圓形管道上的CP300型差壓變送器測量，其測量精度為±0.5%；通過測得空氣的溫濕度和風量，進而可計算出空氣的含濕量和換熱器表面的結霜量。利用安裝在溶液管道上的PT100鉑熱電阻測量換熱器進出口溶液溫度(Tr,in和Tr,out)，其測量范圍為-200 ℃～500 ℃，測量精度為±0.1 ℃；溶液質量流量(Gr)由安裝在管道上的轉子流量計測量，其測量精度為±1.5%；通過測得溶液溫度和流量，進而可以計算出溶液流經換熱器時的換熱量。霜層高度的測量采用自帶標尺的顯微儀，通過標定可自動讀取霜層高度，并具有照相和錄像功能，實現對結霜/化霜過程的可視化觀測。結霜/化霜實驗工況如表1所示。

表1 結霜/化霜實驗工況

實驗中需通過計算獲得的參數包括結霜量、換熱器的換熱量及化霜耗熱量。通過測量換熱器空氣側進出口空氣的溫度和相對濕度，得到進出口空氣的含濕量分別為da,in和da,out，則換熱器表面單位時間的結霜量可表示為：

mf=Vaρa(da,in-da,out)=ma(da,in-da,out)

(1)

式中,mf——單位時間結霜量，kg/s；Va——空氣的體積流量，m3/h；ρa——空氣密度，kg/m3；ma——空氣的質量流量，kg/s；da,in、da,out——進口、出口的空氣含濕量，g/kg。

換熱器的換熱量可取空氣側換熱量Qa和溶液側換熱量Qr的平均值，其中：

Qa=Vaρa(ha,in-ha,out)

(2)

Qr=Cp,rGr(Tr,out-Tr,in)

(3)

式中，ha,in、ha,out——進口、出口的空氣焓值，J/kg；Gr——溶液的質量流量，kg/h；Tr,in、Tr,out——進口、出口的溶液溫度，℃。

通過誤差傳遞公式計算間接計算參數的測量誤差。以結霜量為例，根據公式(1)并結合誤差傳遞公式，得到單位時間結霜量mf的絕對誤差Δmf和相對誤差Δmf/mf分別為：

(4)

(5)

本文結霜實驗工況下，計算得到單位時間結霜量的絕對誤差為0.01 g/s，相對誤差為5.5%。同理可計算換熱量的相對誤差為4.6%，化霜耗熱量(溶液側換熱量)的相對誤差為3.2%。

3 實驗結果及分析

為排除3種換熱器換熱性能的差異可能導致結霜/化霜性能的不同，首先對比了干工況下換熱器的換熱性能。親水、常規和超疏水換熱器的換熱量分別為869.6、873.0和886.1 W，親水與超疏水換熱器的換熱量相差不到2.0%。這表明非結霜工況下換熱器的換熱性能受表面改性的影響很小。

3.1 抑霜性能

圖3所示為3種換熱器表面霜層生長的圖片。結霜10 min后，換熱器表面均出現了少量霜晶，表面特性對霜層生長的影響不明顯。結霜30 min后，3種換熱器表面出現了明顯區分：親水和常規換熱器翅片表面已經被霜層覆蓋，而超疏水換熱器表面結霜程度輕微，霜層只覆蓋了少部分翅片。結霜50 min后，常規換熱器的翅片間隙已完全被霜層堵塞，親水換熱器的翅片間隙也已基本堵塞，而超疏水換熱器的結霜嚴重程度遠低于它們，翅片間隙仍然清晰可見。因此，從結霜圖片可以直觀看出，相比于親水和常規換熱器，超疏水換熱器的抑霜效果顯著。

圖3 換熱器表面霜層生長的圖片Fig.3 Photographs of frost layer growth on fin-tube heat exchangers

圖4所示為3種換熱器表面霜層高度隨結霜時間的變化。總體上，3種換熱器表面的霜層生長呈先快后慢的變化趨勢。結霜初期，霜層高度隨時間快速增長，在結霜時間為20 min時，親水、常規和超疏水換熱器表面的霜層高度分別為0.49、0.57、0.41 mm。結霜時間達到30 min時，霜層的生長速度逐漸減慢。這是因為：一方面，霜層的生長逐漸阻塞了翅片間隙，進而使得空氣流量降低，霜層生長速度因此減慢；另一方面，當霜層厚度達到一定高度時，水蒸氣主要用于增加霜層的密度而不是霜層高度。綜合這兩方面原因，霜層的生長速度在結霜后期會慢慢減緩。結霜35 min時，常規翅片表面的霜層已經堵塞了翅片間隙，實驗上已無法再測得其霜層高度，因此認為霜層高度不再增加。親水翅片和超疏水翅片分別在45 min與50 min時堵塞翅片間隙，高度不再增加。

圖4 換熱器表面霜層高度隨時間的變化Fig.4 Frost thickness changing with time on fin-tube heat exchangers

圖5為3種換熱器表面結霜量隨結霜時間的變化。結霜量的增長與時間近似成線性關系，隨著時間的增加，結霜量也均勻增加。對比霜層高度隨結霜時間的變化可以看出，霜層高度停止增長后結霜量仍在不斷增大，這是空氣中的水蒸氣滲入霜層內部，霜層密度不斷增加所致。結霜工況運行60 min后，常規、親水和超疏水換熱器表面的結霜量分別為0.27、0.36、0.22 kg。與親水和常規換熱器相比，超疏水換熱器表面的結霜量分別減少了18.5%和38.9%。從以上結霜高度和結霜量的對比分析可見，換熱器的表面特性對霜層的生長有著顯著影響，相比于親水和常規換熱器，超疏水換熱器表面的抑霜效果最佳。

圖5 換熱器表面結霜量隨時間的變化Fig.5 Frost mass changing with time on fin-tube heat exchangers

換熱器表面的結霜特性，除了直接通過霜層高度和結霜量對比外，也可以間接通過風量和換熱器的換熱量體現。當換熱器表面結霜程度越嚴重時，通風量和換熱量衰減越嚴重。圖6給出了3種換熱器的通風量隨結霜時間的變化。結霜開始時，換熱器的風量穩定在250 m3/h。結霜初始階段，常規換熱器的風量迅速下降，而親水和超疏水換熱器的風量下降緩慢。在結霜前20 min內，常規換熱器的風量從248.5 m3/h下降到198.8 m3/h，風量衰減了19.9%，而親水和超疏水換熱器的衰減值分別為4.8%和3.9%。之后，常規換熱器的風量一直保持較大的下降幅度，而親水和超疏水換熱器呈現先緩慢下降后迅速下降的變化規律。結霜60 min后，常規換熱器的風量接近為0，表明翅片間隙已完全被霜層堵塞。親水和超疏水換熱器的風量分別為49.6 m3/h和125.0 m3/h，降幅分別為79.7%和49.9%。可見，在相同的結霜工況下，超疏水換熱器表面的風量衰減最弱，由此也可推斷出超疏水換熱器的換熱性能受結霜的影響最小。

圖6 換熱器風量隨時間的變化Fig.6 Air volume of fin-tube heat exchangers changing with time

圖7為換熱器的換熱量隨結霜時間的變化。在結霜60 min內，常規換熱器的換熱量從850.0 W衰減至49.5 W，衰減率近94.2%；親水換熱器的換熱量從855.7 W衰減至214.2 W，衰減率為75.0%；而超疏水換熱器的換熱量從870.0 W衰減至397.7 W，衰減率僅為54.1%。可見，超疏水換熱器通過抑制表面霜層生長，從而減輕了結霜對其換熱性能的影響。

圖7 換熱器換熱量隨時間的變化Fig.7 Heat transfer rate of fin-tube heat exchangers changing with time

3.2 化霜性能

實驗中觀察到3種翅片表面的化霜行為及化霜滯留水差異較大，如圖8所示。對于親水和常規換熱器，當翅片表面溫度升高，與表面直接接觸的底部霜層最先融化。融化后形成的化霜水被其上部的霜層吸收，使得霜層演變為霜-水混合物。伴隨著底部霜層的不斷融化，霜-水混合物中化霜水的比例逐漸增大，致使混合物出現類似于“滑冰”的運動，即在重力作用下沿著翅片表面向下滑動。在下滑過程中，霜-水混合物不斷從翅片表面吸收熱量用于霜層融化以及化霜水的蒸發。對于超疏水換熱器，其表面化霜過程的特性完全不同。從圖中可以看出，在經歷了短暫的霜層預熱和底部霜層的部分融化后，由于超疏水翅片的低粘附效應，霜-水混合物難以在翅片表面附著，因而在重力的作用下從換熱器表面直接剝離，整個過程未觀察到霜層融化和水膜運動。霜層融化后，對于潤濕性極好的親水換熱器，化霜水平鋪在翅片表面，形成了一層薄薄的水膜，這是霜-水混合物從翅片表面滑落時黏附在表面的。對于常規換熱器，翅片表面形成了許多大小分布不一的“水橋”。“水橋”的形成阻礙了霜-水混合物的滑落，對化霜過程是不利的。而對于超疏水換熱器，由于霜層在基本未融化的情況下從翅片表面脫落，翅片表面保持相對干燥，沒有發現明顯地化霜水滯留。

為了量化比較3種換熱器的化霜性能，對比了評價化霜效率的兩個重要指標：化霜時間和化霜能耗。實驗中，親水、常規和超疏水換熱器的化霜時間分別為180、185、105 s。與親水和常規換熱器相比，超疏水換熱器的化霜時間分別縮短了41.7%和43.2%。化霜總耗熱量可通過單位時間耗熱量在化霜時間內的疊加計算得到。親水、常規和超疏水換熱器的化霜耗熱量分別為218.6、303.3、115.5 kJ。與親水和常規換熱器相比，超疏水換熱器的化霜耗熱量分別減少了47.2%和61.9%。可見，超疏水換熱器可以大幅縮短化霜時間，節約化霜能耗。

3.3 抑霜/化霜性能分析

相比于親水和普通翅片，超疏水翅片能起到抑制結霜和改善化霜的效果，這與其表面結構特點密切相關。通過掃描電子顯微鏡獲得了所制備的超疏水表面的微結構，如圖9(a)所示，超疏水表面存在大量分布均勻的納米結構，并呈散開的倒楔形花狀。結霜初始階段的凝結液滴凍結后，水蒸氣在其表面凝華形成霜晶，可以說，初始凝結液滴是后續霜層生長的基體。超疏水表面的納米結構及低能表面確保了凝結液滴不會潤濕表面微結構，即凝結液滴以Cassie模式存在于翅片表面，如圖9(b)所示。圖9(c)中，當凝結液滴與翅片表面呈Cassie狀時，固-液接觸面積Asl=fπrl2sin2θ，f<1，從而減少了液滴與翅片表的實際接觸面積(導熱面積)。因此，構造翅片表面的納米結構，使凝結液滴呈Cassie狀，對削弱翅片與液滴間的傳熱，延緩后續霜晶的生長具有重要意義。對于具有納米結構的超疏水翅片，凍結液滴與表面呈Cassie狀，導致翅片與凍結液滴間的傳熱削弱，從而延緩了凍結液滴表面的溫降，減少了熱力過冷度，起到減緩霜晶生長速率的作用。

化霜方面，如上文所述，凍結液滴與翅片表面呈Cassie狀，因而在凍結液滴與超疏水翅片的納米粗糙結構間形成了空氣墊。圖10為超疏水翅片化霜時霜層脫落的原理示意圖。在納米結構與霜層形成的封閉空間內，霜層受到內部空氣產生的壓力Fip。同時，霜層還受到大氣壓力Fatm、超疏水翅片的黏附力Fsf以及自身重力Fg。當化霜開始，在納米結構與化霜水形成的封閉空間內，空氣受熱膨脹，壓力Fip變大。由于超疏水翅片的黏附性較弱，化霜水在熱氣壓的作用下與翅片分離，并在重力作用下與未融化的霜層一起脫離表面。因此，要使得霜層在化霜初期從翅片表面脫離，關鍵是納米結構與霜層形成的封閉空間內空氣受熱膨脹，同時翅片表面的黏附性較弱才行。

圖10 超疏水翅片化霜時霜層脫落的原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of frost shedding from superhydrophobic fin surface

4 結論

1)通過對常規翅片管換熱器進行溶液刻蝕和表面氟化，整體化制備了具有超疏水表面的換熱器。翅片表面的接觸角和滾動角分別為156.8°和3.8°，具有高接觸角和低滾動角特征。

2)結霜工況運行60 min后，與親水和常規換熱器相比，超疏水換熱器表面的結霜量分別減少了18.0%和38.6%，抑制效果最佳。由于超疏水換熱器表面霜層生長緩慢，風量衰減最弱，其換熱性能受結霜的影響也最小。

3)與親水和常規換熱器相比，超疏水換熱器的化霜時間分別縮短了41.7%和43.2%，化霜耗熱量分別減少了47.2%和61.9%。超疏水換熱器可縮短化霜時間，節約化霜能耗，減少化霜水的滯留。

4)超疏水翅片表面的納米結構，使凝結液滴在表面呈Cassie狀，對削弱翅片與液滴間的傳熱，延緩后續霜晶的生長具有關鍵作用。并且，要使得霜層在化霜初期從翅片表面脫離，關鍵在于納米結構與霜層形成的封閉空間內空氣受熱膨脹。