劉祥紅  劉湘云  劉良德  陳觀(guān)生  李沛師

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

摘要：針對寒冷潮濕地區使用空氣源熱泵蒸發(fā)器表面結霜嚴重這一現象，通過(guò)蒸發(fā)器表面處理技術(shù)，改變材料 的表面特性，抑制翅片結霜，從而減少翅片的結霜質(zhì)量 。本實(shí)驗即研究翅片樣品涂覆上不同的抑霜涂層后與未涂 覆作對比，實(shí)驗結果表明在環(huán)境溫度為 18 ℃，相對濕度為 60%的條件下，結霜質(zhì)量 2 號鋁箔翅片(普通涂層鋁箔 翅片)比 1 號鋁箔翅片(普通鋁箔翅片)減少 6%，而 3 號鋁箔翅片(納米材料涂層鋁箔翅片)減少 15%；把相對濕度 改變?yōu)?70%的條件下，結霜質(zhì)量 2 號鋁箔翅片比 1 號鋁箔翅片減少 5.8%，而 3 號鋁箔翅片減少 16%。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 抑霜涂層 抑制霜層生長(cháng)

Experimental Study on the Effect of Different Coating Surfaces on Frost Formation Process

LIU Xiang-hong, LIU Xiang-yun, LIU Liang-de, CHEN Guan-sheng, LI Pei-shi School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology

Abstract:  In view of the serious frosting on the surface of the evaporator in cold and humid areas, the surface characteristics of the material can be changed through the surface treatment technology of the evaporator to inhibit the frosting of the fin, thus reducing the frosting quality of the fin. This experiment studied the comparison between the fin samples coated with different frost-inhibiting coatings and the ones not coated. The experimental results showed that under the condition of the ambient temperature of 18 ℃ and the relative humidity of 60%, the frost-forming quality of the blue-coated aluminum foil fins (No.2) decreased by 6% compared with the ordinary aluminum foil fins (No. 1), while the black-coated aluminum foil fins (No.3) decreased by 15%. Under the condition of changing the relative humidity to 70%, the frosted quality blue coated aluminum foil fin   (No.2)  decreased by 5.8% compared with the ordinary aluminum foil fin (No. 1), while the black coated aluminum foil fin (No.3) decreased by 16%.

Keywords: air source heat pump, cream coating suppression, inhibit frost growth

 

引言

結霜是一種常見(jiàn)的自然現象，是不可避免的 。當濕空氣與冷表面接觸時(shí)，且冷表面的溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會(huì )析出來(lái)，從而“附著(zhù)‘’ 在冷表面上；如果冷表面的溫度同時(shí)還低于水的三相點(diǎn)溫度(273. 16 K) [1]，在凍結液的表面將會(huì )形成霜晶并逐漸增厚最終形成霜層 。但是室外線(xiàn)圈表面結霜是不 可避免的，它總是發(fā)揮著(zhù)負面作用[2] 。結霜的負面作用 主要體現在兩個(gè)方面一方面，一是霜是熱的不良導體， 蒸發(fā)器表面霜層越厚，熱阻越大，霜層的存在降低了換 熱器效率，壓損增加，降低了系統的 COP 和采暖能力， 并可能導致其關(guān)閉[3] 。二是霜層的存在也增加融霜能 耗和系統的維護、管理費用 。因此，為了解決空氣源熱泵的除霜問(wèn)題，提高傳熱效率，就有必要研究結霜機 理、特性，以及如何延緩結霜的方法和防結霜[4-6]、除霜 方法[7-11]及控制策略等，學(xué)者們也得到很多研究成果。

 

本論文即是研究涂層對霜層的生長(cháng)過(guò)程及影響 因素，通過(guò)改變環(huán)境參數，從而得到不同條件下的結 霜速率及生長(cháng)情況，從而為抑制霜層的生長(cháng)提供一些參考依據。

1、實(shí)驗原理圖

本實(shí)驗的簡(jiǎn)單原理圖如圖 1 所示，翅片樣品放置 于一個(gè)密閉透明的有機玻璃當中，背面貼有三塊規格 為 40 mm×40 mm 的半導體制冷片，熱端與冷端最大 溫差可達 70 ℃以上，其最低制冷溫度可達到 -55 ℃。 制冷片的熱端熱量用冷卻水通過(guò)水冷板冷卻 。其余的 輔助設備包括溫濕控儀、攝像儀、計算機、電子天平、紅 外熱像儀等。

實(shí)驗中所用的三種翅片編號分別為 1 號鋁箔翅 片  (普通鋁箔翅片) 、2 號鋁箔翅片  (普通涂層鋁箔翅 片) 、3 號鋁箔翅片(納米材料涂層鋁箔翅片) ，規格均 為 40 mm×120 mm。實(shí)驗中用來(lái)測量霜層質(zhì)量的電子 天平型號為 SHC5，其精確度為 0. 1 g，誤差為±0.2 g， 能夠保證實(shí)驗數據的準確性 。半導體制冷片的表面溫 度用紅外熱像儀測量，型號為 testo872，可測量翅片表 面各個(gè)點(diǎn)位的精確溫度 。測量范圍 -30 ℃~100 ℃，精 度±2 ℃。

 

2、材料表面結霜性能測試

2.1  實(shí)驗分組

為了便于對比分析，測試試樣分別位于同一個(gè)密 閉的空腔內，  三個(gè)樣品豎向整齊排列在一塊制冷板 上 ?？涨粌鹊臐穸瓤梢酝ㄟ^(guò)加濕器調節。

為了更好地研究不同表面涂層對結霜過(guò)程的影響，特地做了如下兩組不同的工況下的實(shí)驗：①空腔內溫度為 18 ℃，空氣相對濕度為 60%，制冷片表面溫度 保持恒定 - 15 ℃；②空腔內溫度為 18 ℃，空氣相對濕度為 70%，制冷片表面溫度保持恒定 - 15 ℃。每一個(gè)工況對三個(gè)樣品的測試。

2.2  同 一環(huán)境下鋁箔結霜質(zhì)量變化曲線(xiàn)

當測試環(huán)境溫度為 18 ℃，相對濕度為 60%，制冷片表面溫度保持 - 15 ℃時(shí)，由圖 2 可發(fā)現，隨著(zhù)時(shí)間的 增加，三種鋁箔結霜的質(zhì)量也越來(lái)越大，截止結霜時(shí) 間大約為 120 min，且明顯地看到結霜的速率比較快， 結霜截止時(shí)間也比較長(cháng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，經(jīng)過(guò) 2 h 后，1 號鋁 箔翅片的結霜質(zhì)量比 2 號鋁箔翅片的結霜質(zhì)量要多 1.4 g；而比 3 號鋁箔翅片要多 3.6 g。

當測試環(huán)境溫度為 18 ℃，相對濕度為 70%，制冷 片表面溫度保持 - 15 ℃時(shí) ，  由圖 3 可知經(jīng)過(guò) 2 個(gè)小時(shí) 后，1 號鋁箔翅片的結霜質(zhì)量比 2 號鋁箔翅片的結霜 質(zhì)量要多 1.5g；而要比 3 號鋁箔翅片多 4. 1g。

2.3  不同環(huán)境下同一鋁箔的結霜質(zhì)量變化曲線(xiàn)

當測試環(huán)境溫度為 18 ℃ ，制冷片表面溫度保持 - 15 ℃不變時(shí)，而相對濕度分別為 60%和 70%時(shí)，1 號鋁箔翅片結霜質(zhì)量變化曲線(xiàn)如圖4 所示 ，到了各自的 截止結霜時(shí)間后，相對濕度為 70%的情況下比相對濕 度為 60%的情況下 1 號鋁箔翅片結霜質(zhì)量多 2. 1 g。

當測試環(huán)境溫度為 18 ℃ ，制冷片表面溫度保持 - 15 ℃不變時(shí) ，而相對濕度分別為 60%和 70%時(shí)，2 號 鋁箔的結霜質(zhì)量變化曲線(xiàn)如圖5 所示 ，到了各自的截 止結霜時(shí)間后，相對濕度為 70%的情況下比相對濕度 為 60%的情況下 2 號鋁箔翅片結霜質(zhì)量多了 2.0 g。

當測試環(huán)境溫度為 18 ℃ ，制冷片表面溫度保持 - 15 ℃不變時(shí) ，而相對濕度分別為 60%和 70%時(shí)，3 號 鋁箔的結霜質(zhì)量變化曲線(xiàn)如圖6 所示 ，到了各自的截 止結霜時(shí)間后，相對濕度為 70%的情況下比相對濕度 為 60%的情況下 3 號鋁箔翅片結霜質(zhì)量多了 1.6 g。

3、結論

由實(shí)驗曲線(xiàn)可知，當鋁箔表面經(jīng)過(guò)涂覆不同的抑霜涂層后，相比于沒(méi)有涂層的鋁箔表面，結霜的結霜截 止時(shí)間明顯減少。對比在同一環(huán)境下的三種鋁箔翅片，無(wú)論是從結霜的速率還是從最后的結霜質(zhì)量來(lái)看都 是要低于 1 號鋁箔翅片 。尤其是最終的結霜質(zhì)量在環(huán) 境溫度為 18 ℃，相對濕度為60%的條件下，結霜質(zhì)量 2 號鋁箔翅片比 1 號鋁箔翅片減少 6%，而 3 號鋁箔翅片減少 15%。在環(huán)境溫度為 18 ℃，相對濕度為 70%的條件下 ，結霜質(zhì)量 2 號鋁箔翅片比 1 號鋁箔翅片減少 5.8%，而 3 號鋁箔翅片減少 16%。2、3 號表面具有抑霜 涂層，其對材料表面抑制霜層的生長(cháng)有了顯著(zhù)的改善。

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從以圖 2、圖 3 可以看出，折流板間距一定時(shí)，隨 著(zhù)水流速度的增大，煙氣的出口溫度降低，水出口溫 度增大 。水流速度一定時(shí)，煙氣出口溫度隨著(zhù)折流板 間距的增大而升高，水出口溫度隨著(zhù)折流板間距的增 大而降低 。這說(shuō)明減小折流板間距更加有利于降低煙 氣的溫度，同時(shí)，適當增大水流速度更加有利于換熱。 從圖 4、圖 5 可以看出，折流板間距一定時(shí)，傳熱系數 隨著(zhù)水流速度增大而增大，冷凝水的質(zhì)量也隨著(zhù)水流 速度的增大而增大，并且還可以發(fā)現：折流板的間距 由 202 mm 減小至 124 mm 時(shí)，傳熱系數的變化很大， 而折流板間距由 124 mm 減小至 84 mm 時(shí)，傳熱系數 雖 然 也 隨 之 增 大 ，但 是 變 化 不 如 折 流 板 間 距 由 202 mm 減小至 124 mm 的大，此可以看出，折流板數 量增大至某一數值，對換熱的影響將會(huì )減小 。水流速 度一定時(shí)，隨著(zhù)折流板間距的增大，傳熱系數也隨之 減小，并且冷凝水的質(zhì)量也隨之減少。

水流速度均為 2 m/s 時(shí) ，不同折流板間距下的速 度分布云圖如6 所示：

由圖6 可以看出，折流板附近的速度變化最大，流 體運動(dòng)至折流板附近時(shí)速度均增大 ，折流板間距為 202 mm 和 124 mm 時(shí) ，流體無(wú)法到達的區域較大，即 傳熱死區，而折流板間距為 84 mm 和 50 mm 時(shí)，流體 無(wú)法到達的區域很小，這大大提高了傳熱效率，因此折 流板具有強化傳熱的作用，因此折流板間距對換熱有 著(zhù)極大的影響。

3、結論

①折流板的間距對換熱效果影響很大，折流板的 存在可以增加氣流的擾動(dòng)，讓殼程中的煙氣可以與管 程中的低溫水更加充分的換熱，可以在合理的間距范 圍內盡可能的縮小折流板間距達到強化傳熱的目的。

②低溫水流速不僅影響著(zhù)換熱，還影響著(zhù)換熱器 內的溫度分布，低溫水流速越大，換熱效果越好，得到 的煙氣溫度越低，這不僅可以回收更多的熱量，而且煙 氣排煙溫度可以降到足夠低便可以消除“白煙”，節能 而且環(huán)保。

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