1.1 實驗裝置

為更好控制翅片管換熱器表面溫度，避免系統其他因素影響，單純對比親水涂層和超疏水涂層對換熱器結霜和化霜的影響，本實驗以換熱器單體作為實驗研究對象，采用乙二醇溶液作為制冷劑。實驗系統由乙二醇溶液高、低溫恒溫水槽組成的制冷劑供給和切換系統，被測試換熱器樣件，工況調節室和數據采集控制系統組成。系統原理圖如圖1（1-工況室，2-換熱器樣件，3-高低溫恒溫水槽，4-風洞，5-變頻風機，6-干濕球溫度計）所示，被測換熱器樣品參數如表1所示，換熱器樣件實物圖如圖2所示，水滴在超疏水涂層換熱器上的效果圖如圖3所示，實驗工況如表2所示。

圖1 換熱器單體結霜/化霜實驗原理圖

圖2 換熱器樣件實物圖

圖3 超疏水涂層水滴效果圖 

1.2 實驗方法

在工況調節穩定的條件下，工況室中的空氣按設定流量流經換熱器表面，與換熱器管內低溫乙二醇溶液進行熱量交換，空氣流量由變頻風機控制。換熱器進風側和出風側分別安裝有干濕球溫度計，根據換熱器進風側和出風側的干濕球溫度和風量計算換熱器空氣側的換熱量。乙二醇溶液進出口分別安裝有熱電偶，根據乙二醇制冷劑進出口溫差以及流量計算制冷劑的制熱量。

式中：

Q_l——乙二醇溶液制熱量，kW；

c_l——乙二醇溶液比熱容，kj/(kg.k)；

m_l——乙二醇溶液質量流量，kg/s；

T_o——乙二醇溶液進口溫度，℃；

Ti——乙二醇溶液出口溫度，℃。

隨著換熱過程進行，換熱器表面的霜層越來越厚，風阻增大，風量衰減，換熱器換熱量也逐漸衰減，當換熱量衰減至最大換熱量的70%時，將此條件作為換熱器化霜的判定條件，此時由低溫恒溫水槽進入換熱器的低溫溶液切換至高溫恒溫水槽，高溫溶液進入換熱器中進行化霜，化霜時間設定為300s，化霜溫度設定為40℃，化霜時風機關閉。化霜結束后系統自動切換進入低溫恒溫水槽，進入下一個結霜過程，如此形成不間斷的結霜和化霜過程。

2.1 結霜/化霜效果對比

2/1℃干濕球溫度是典型低溫高濕結霜工況，實驗過程中對工況室內的干濕球溫度進行控制，其波動變化范圍如圖4所示，由圖4可見，實驗過程中的工況趨于穩定，其波動范圍較小，保證了換熱器在設定工況下進行結霜/化霜對比實驗。從圖5的對比可以看出，超疏涂層的結霜形態與親水涂層的明顯不同。結霜45min后，使用親水涂層的換熱器表面結滿了細密連續的霜層，而超疏水涂層換熱器表面則是生成不連續的珠狀的固態小液滴，結霜量明顯降低，抑霜效果明顯。化霜后親水涂層表面幾乎沒有殘留水，而超疏水涂層表面翅片間會出現少數的“水橋”，“水橋”的存在影響了超疏水涂層的化霜效果。

圖4 實驗過程工況變化曲線

圖5 不同涂層結霜和化霜效果對比

2.2 風量衰減與壓損損失

圖6、圖7顯示了親水涂層和超疏水涂層在結霜/化霜過程中風量和空氣側壓降的變化規律。由圖7可以看出，隨著結霜過程的進行，換熱器空氣側的壓降也越來越大，由初始的13Pa逐漸增加到100Pa，相應的風量也由初始的480m³/h逐漸下降到300m³/h。這是由于隨著結霜過程的進行，換熱器表面的結霜量增加，流經換熱器表面的空隙變小，因而阻力增大，風量衰減。與親水涂層換熱器相比，超疏水涂層換熱器空氣側阻力增加到100Pa時，其所需的時間大約是親水涂層換熱器的兩倍，對應的風量衰減時間也延長了一倍。即在相同的結霜運行時間內，超疏涂層的阻力損失遠小于親水涂層的阻力損失，說明超疏水涂層有效抑制了霜層的生長。這主要是由于親水涂層的換熱器表面結滿了細密連續的霜層，堵住了換熱器表面空氣流通的通道，而超疏水涂層換熱器表面則是生成不連續的珠狀的固態小液滴，結霜工況下氣流仍能夠在珠狀液滴之間流通，因而能夠有效降低空氣側的阻力損失和風量衰減，延長其結霜周期。

圖6 不同涂層風量變化規律

圖7 不同涂層空氣側壓降變化規律

2.3 結霜周期與換熱能力對比

圖8為親水涂層和超疏水涂層換熱器換熱能力和結霜周期對比曲線。如圖8所示，與親水涂層換熱器相比，超疏水涂層換熱器的結霜穩定運行時間延長了將近一倍，由40min延長至75min，延長了87.5%；一個周期內的平均低溫制熱量由558W提升至605W，低溫制熱能力提高了8.4%。結霜周期的延長主要是由于超疏涂層抑制了霜層生長，延長了風量衰減。表明了超疏水涂層能夠有效抑制換熱器表面霜層生成，延緩結霜周期，提升低溫制熱量。由圖8還可以看出，在相同的150min內，親水涂層換熱器經過了3次化霜，而超疏涂層換熱器只化霜一次，極大的減少了化霜次數，這對提高熱泵機組的室內熱舒適性和系統的穩定可靠性具有積極意義。

圖8 不同涂層換熱能力和結霜周期變化規律

本文以乙二醇溶液作為制冷劑，基于空氣焓差實驗原理，在2/1℃干濕球工況條件下，對使用親水涂層和超疏水涂層的換熱器進行了結霜和化霜過程的實驗對比研究。得到以下結論：

（1）超疏水涂層應用于空調換熱器可以有效抑制霜層的生長，延緩結霜周期，提升低溫制熱性能。與親水涂層相比，其結霜周期延長87.5%，低溫制熱量提高8.4%。

（2）風量衰減是是造成換熱器能力衰減的主要因素。超疏水涂層與親水涂層相比延長結霜周期的主要原因在于超疏水涂層上形成珠狀的液滴，與親水涂層密集層狀的霜層相比，大大降低了風阻，風量衰減變緩慢，因而延長了結霜的周期。

（3）超疏水涂層在化霜過程中在翅片間存在“水橋”現象，影響其化霜效果和下一個結霜，后續應加以研究和改進。