超疏水翅片表面结霜融霜作用机理与特性研究

超疏水翅片表面结霜/融霜作用机理与特性研究空气源热泵以其兼顾制冷与制热、节能环保、安装灵活等优点,被广泛用作建筑空调冷热源,并在我国北方“煤改清洁能源”过程中得到积极推广。但是,空气源热泵冬季制热运行存在蒸发器表面结霜问题,严重影响机组制热性能与运行稳定。因此,探索有效的抑霜技术与除霜方法,保障空气源热泵冬季高效、稳定运行,已成为推动空气源热泵发展的重要课题。本文提出翅片表面超疏水改性的空气源热泵抑霜与除霜技术路线,采用理论与实验相结合的方法揭示超疏水翅片表面的结霜/融霜机理与特性,探索出一种结霜初期超疏水翅片与气流综合作用实现“广义”除霜的新方法,为解决空气源热泵结霜问题提供一定的理论与技术支撑,具体研究内容与结果如下:基于单·翅片研究尺度,获取了超疏水翅片结霜过程的细微观行为特征及霜层物性,建立了翅片表面特性对结霜过程作用机理的理论体系,进而揭示了超疏水翅片的抑霜机理。

制备了具有不同表面特性的翅片,通过构建可视化实验平台并观测翅片表面的结霜过程,获取了凝结液滴生长与合并、跳跃与脱落、冻结及霜晶生成、霜层生长的细微观行为特征。相比亲水、普通和疏水翅片,超疏水翅片可延缓水蒸气凝结和凝结液滴冻结,抑霜效果明显。实验工况下,结霜过程持续60min,超疏水翅片的霜高比普通翅片减少了 45.0%。同时基于相变动力学、表面物理化学等理论,阐明了翅片结霜的驱动力和相变成核位垒,建立了包含翅片表面特性参数的成核密度关联式,分析了翅片表面特性对凝结液滴生长与跳跃、霜晶生成与霜层生长的影响,较全面揭示了超疏水翅片的表面接触角、表面结构特征对结霜过程各阶段的抑制机理,为高效抑霜型超疏水翅片的设计与应用提供了研究基础。

在揭示超疏水翅片抑霜机理的同时,通过实验与理论探讨了超疏水翅片的融霜特性与机理。实验研究方面,对翅片表面的融霜过程进行了细微观可视化观测,获得了翅片、霜层、融霜水三者耦合运动的动态特征,揭示了翅片表面特性及不同融霜工况对融霜动态过程及融霜水滞留的影响。亲水、普通和疏水翅片的霜层经历了融化分解和融霜水收缩成形,而超疏水翅片的霜层在融霜开始后直接从表面整体剥落。进一步研究表明,当超疏水翅片同时具有较大的表面接触角和较小的接触角滞后,可实现霜层快速剥落。

翅片表面特性对融霜滞留液滴的形状及滞留量存在本质影响,超疏水翅片的

融霜水滞留量比亲水和普通翅片分别减少了 90.8%和87.3%。理论研究方面,建

立了融霜水收缩的能量守恒关系式,揭示了霜层融化过程中体系自由能的变化规律,并基于融霜水滞留饱和理论,发展出含翅片表面特性参数的滞留液滴临界半

径及融霜水滞留量预测模型。通过对超疏水翅片融霜特性与机理的揭示,可为高效融霜型超疏水翅片的设计与应用提供研究基础。以基于单一翅片所揭示的抑霜/融霜作用机理为基础,将研究尺度上升至换热器,指导制备了具有超疏水表面特性的翅片管换热器。

通过对普通翅片管换热器依次进行溶液刻蚀、去离子水煮沸和表面氟化处理,实现了超疏水换热器的整体化制备,翅片表面具有高接触角和低接触角滞后特征。同时构建了换热器结霜/融霜实验平台,针对具有不同表面特性的换热器,对比研究了结霜/融霜过程及其对换热器性能的影响。在相同实验工况下结霜测试

60min,超疏水换热器的结霜量比亲水和普通换热器分别减少了 18.0%和38.6%,

且换热性能衰减最弱;融霜时间分别缩短了 41.7%和43.2%,且融霜耗热量分别

减少了 47.2%和61.9%。超疏水换热器不仅能够抑制结霜,而且降低融霜能耗,提高融霜效率。

此外,普通换热器的融霜时间、融霜耗热量均随融霜温度的升高而减少,而超疏水换热器则不受影响。因而在一定温度范围内提高普通换热器的融霜温度对节约除霜能耗是有益的,而对于超疏水换热器,则节能效果不明显。在以上研究的基础上,探索出一种结霜初期超疏水翅片表面特性与气流综合作用的除霜新方法。翅片表面结霜初期形成的凝结液滴是霜层生长的基础,若能在凝结液滴冻结前将其去除,即可阻断霜层生长,实现“广义”除霜。

鉴于超疏水翅片的低黏附性质及延缓凝结液滴冻结的性能,采用低温热气流间歇作用于结霜工况下的超疏水翅片,绝大多数凝结液滴被瞬间吹除,而滞留的

少量微液滴也在数秒内被蒸发。建立了翅片表面凝结液滴吹除和蒸发模型以指导除液效率优化,发现增大翅片表面接触角、减少接触角滞后,尽可能多的实现凝结液滴瞬间脱除,可进一步提高液滴去除效率。同时,构建了可实现低温热气流作用于换热器表面的空气源热泵除霜系统,实验验证了除霜新方法的可行性。在环境温度0℃、相对湿度90%的工况下,将风速10m/s、温度15℃的热气流间歇作用于超疏水换热器表面,空气源热泵持续制热运行120min后,换热器表面未见结霜。

相比逆循环除霜,热泵系统制热效率提高了 13.2%。该除霜方法可避免传统除霜方法在蒸发器表面霜层充分生长后进行除霜而导致的一系列弊端,突破了空气源热泵现有除霜思路,有望实现空气源热泵冬季制热运行高效不间断。