不同表面浸润性对除霜过程影响的实验研究

路伟鹏，王伟，李林涛，朱佳鹤，盖轶静

（1-北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2-天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）

不同表面浸润性对除霜过程影响的实验研究

路伟鹏1,2，王伟*1，李林涛1，朱佳鹤1，盖轶静1

（1-北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2-天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）

空气源热泵机组除霜过程主要包括融霜、排水、蒸干等环节。以上环节在不同浸润性换热器翅片表面上表现不尽相同，从而直接影响机组在周期性结除霜工况下的运行性能。本文搭建了金属冷表面除霜特性研究实验台，分别以普通和亲水铝箔为研究对象，观察分析霜层的融化、化霜水排除以及蒸干过程，并着重对比了两种常用铝箔翅片在上述过程的差异。首次提出“翅片表面蒸干率”的概念，用参数C表示；研究发现，普通铝箔表面初始蒸干率即可达到90%，而亲水铝箔表面仅50%；但亲水铝箔表面残留水完全蒸干所用时间仅需7 min，仅为普通铝箔表面完全蒸干时间的25%；两种铝箔除霜过程差异显著。研究工作同时考察了残留水对相邻结除霜过程的影响。

亲水铝箔；普通铝箔；霜层；融霜；蒸干率

0 引言

空气源热泵室外侧蒸发器在冬季供暖时常处于结霜工况，机组需要周期性除霜以恢复机组性能，除霜过程中的化霜水能否有效排出，将直接影响到空气源热泵机组在周期性结除霜工况下的运行性能。而换热器翅片表面的浸润性对霜层的融化，化霜水的排除、残存以及蒸发过程有重要影响。

国内外学者对不同浸润性表面的结霜、排水等过程进行了大量的实验和模拟工作。X. M. Wu等人对不同表面特性冷表面上的结霜现象进行了可视化研究，研究发现通过表面处理增大表面接触角可以在一定程度上抑制结霜[1]。进而对比了不同接触角的普通表面的结霜与排水情况，研究发现单位面积结霜量与后退接触角是一个近似函数关系[2]。他们的另一研究结果表明亲水材料会导致二次成霜而不应用于结霜工况下[3]。Liu and Jacobi等人发现亲水材料换热器结霜量要少于疏水材料，并且存水量取决于雷诺数和潜热传热系数[4]。而他们进行的浸渍实验发现增加翅片表面润湿性可以减少翅片的存水，但是会增加循环管的存水量[5]。McLaughlin[6]和Joardaret等人[7]在浸渍实验中发现汽车的换热器采用亲水材料可以减少化霜水的存留。Shin和Ha[8]对两种润湿性以及三种不同形状的翅片管换热器进行了存水实验，结果显示通过提高表面润湿性，减少翅片数量以及设计翅片倾斜角可以大幅减少换热器的存水。Wang和Chang[9]的研究表明排水性能可以通过减小接触角或者应用亲水涂层来提高。Okoroafor[10]采用高聚物亲水表面，两个多小时的结霜实验测量结果显示，采用亲水表面可使结霜速率和霜厚减少10%～30%，取得了较好的抑霜效果。本文作者采用“动态浸渍”实验法，对普通和亲水翅片管换热器进行了排水实验，并从换热器表面残存水的存在形态、分布规律、残留水量三个方面对换热器的排水性能进行了研究[11]。

尽管以上学者对不同浸润性表面的结霜、排水过程、存水性能等有较为深入的研究，目前仍缺乏霜层在不同浸润表面融化、排水、存水以及蒸干过程的系统研究。而化霜水的残存将导致机组在接下来的供暖循环中迅速“二次成霜”，经过周期性积累后，换热器表面甚至形成“永冻区”，严重影响空气源热泵机组的运行性能。因此，本文通过所建金属冷表面除霜特性研究实验台，对不同浸润性表面霜层的融化、排水和蒸干过程进行较为系统的研究。

1 实验装置与试验方法

实验台主要由冷水槽、体式显微镜、恒温水浴、加湿器、直流稳压电源、冷光源组成，如图1所示。实验铝箔通过导热硅脂贴在半导体制冷片的冷端，同时测量铝箔表面温度的T型热电偶探头放于两者之间。冷水槽内流动的冷冻水由恒温水浴提供，为了防止冷量的损失，水槽外部和进出水管路上都包了厚厚的保温层。冷水槽系统的示意见图2。两台体视显微镜分别位于实验铝箔的正面和侧面，用来观测霜层的高度、霜表面形态、霜融化过程和化霜水在铝箔表面的残留情况。空气湿度由加湿器进行调节，空气温度即为室内环境温度。

图1 实验系统组成示意图

图2 冷水槽系统示意图

数据采集系统包括霜层生长图像信息采集、冷表面温度采集、空气温湿度采集。空气温度由放置在实验台附近的温度变送器进行连续测量，空气湿度则由手持式温湿度仪每隔3分钟采集一次。霜高是通过将霜层的图像导入YRMV-B显微图像测量软件进行测量获得。

普通铝箔和亲水铝箔是目前空气源热泵机组室外侧换热器的常用翅片材料，是本文的主要研究对象。实验中首先采用GonioStar150型接触角测量仪对普通和亲水翅片表面的接触角进行了测量，测量得普通翅片接触角为65°，亲水翅片为5°，接触角的测量图像如图3所示。

为描述霜层融化后在不同特性表面的残留情况和残留水的蒸干情况，本文提出蒸干率的概念，其定义为：图像所示视野内干表面的面积与视野总面积之比。蒸干率是借助Photoshop图像处理软件获得，具体的方法是：将图像导入PS软件中，选定整个图片区域，测量其所含像素，S；然后，沿着水珠的边缘将水珠所占的区域选中，测量其包括的像素值，每个水珠依次进行测量，像素数分别为s1，s2，s3…；设n为残留水珠的个数，则蒸干率的计算公式为：

式中：

2 实验结果与分析

2.1 表面浸润性对霜层融化过程的影响

结霜实验工况是空气温度20℃，空气湿度70%，冷板温度-8℃，风速3 m/s；融霜起始条件为霜层厚度达到1 mm；融霜工况为环境湿度43%，冷板温度14℃，风速3 m/s。

图4为普通表面霜层的融化过程。如图4(a)～图4(d)所示，霜层在全部化为水之前未从表面脱落。待霜层全部融化后，相近的水滴发生合并成为较大的水珠，如图4(e)～图4(f)所示。当大水珠所受的重力大于表面张力在竖直方向的分力时，从普通铝箔表面流下，如图4(g)～图4(h)。从图4(i)看出，融霜结束后，部分化霜水以水珠状态继续残留在普通铝箔表面。

图5为亲水铝箔表面的霜层融化过程，与普通铝箔明显不同。霜层随着亲水铝箔表面温度的升高而融化，完整的霜层首先分裂开来，如图5(a)～图5(e)所示。分裂开的小霜层并没有继续在亲水铝箔表面融化，而是整块滑落下来，最后在铝箔表面只残留了一层水膜，如图5(i)所示。

图4 霜在普通铝箔表面融化过程

图5 霜在亲水铝箔表面融化过程

2.2 表面浸润性对残留水蒸干率的影响

2.1 节中的实验结果表明，两种铝箔表面残留的化霜水以两种不同状态存在，这必然导致残留水蒸干过程的差异。

为了观察残留水在两种表面的蒸发过程，在铝箔表面的霜层完全融化后，继续保持原有的表面温度和空气参数，直到残留水全部蒸干。

图6所示的是普通铝箔表面残留水珠的蒸干过程。可以看出，随着时间的增长，普通铝箔表面残留的水珠数量在不断减少，持续28 min后，水珠全部蒸发完。

图6 普通铝箔表面残留水珠形态随时间变化

亲水铝箔表面残留水珠的蒸干过程如图7所示，由于亲水铝箔表面水膜的厚度较薄不足以折射足够的光线，故在图像上显示的不够清楚，本文特在水膜的边缘加以虚线以区分干表面和湿表面。在所拍摄图像的视野范围内，亲水铝箔表面只有一处水膜，随着水分的蒸发，水膜的面积不断减小，6 min后水膜被完全蒸干。

对两种表面残留水的蒸干过程各重复了3次，结果见表1。残留水在亲水铝箔表面蒸干时间最长的一次实验是7 min，而在普通铝箔表面蒸干最短的一次实验是27 min，所用时间几乎是亲水铝箔的4倍之多。

两种铝箔表面残留水蒸干率不同主要是由于对流传质速率的不同导致的。铝箔表面与空气之间的对流传质速率可定义为：

式中：

在两种表面的残留水与空气进行的传质过程，CAs与CA∞的值是一样的，不同的是对流传质系数hm。根据薄膜理论，对流传质系数为

上式中D为扩散系数，对于空气-水系统，在相同环境温度下D值是相同的；δ是残留化霜水表面与铝箔表面间的厚度。由于化霜水在亲水铝箔表面是以水膜的状态存在，厚度较小，从而使得对流传质系数hm较大。所以亲水铝箔表面水膜的对流传质速率将大于普通铝箔。另外，假设两种表面残留水的质量是一样的，亲水铝箔表面是以水膜存在则传质面积A较大，则相同时间内传质的水量NAA也较大。

图7 亲水铝箔表面残留水珠形态随时间变化

表1 普通和亲水铝箔表面蒸干所用时间

利用PhotoShop软件对图像进行处理，并由式1得出普通和亲水铝箔表面残留水蒸干率变化曲线，如图8所示。蒸发过程开始时，普通铝箔表面残留水的蒸干率约为90%，随着实验的进行蒸干率逐渐增加，大约27 min后残留水被蒸干。亲水铝箔在开始蒸发时，表面残留水蒸干率约为50%，但蒸干率随时间变化曲线较陡，实验进行(6～7) min后表面即被蒸干。

图8 不同浸润性表面动态蒸干率变化曲线

2.3 残留水对相邻结霜过程的影响

为研究普通铝箔表面残留水珠对下一个结霜过程产生的影响，本文设计了一个结融霜循环实验。结霜工况和融霜工况与2.1节对应工况相同。当前一个融霜过程的冷板温度趋于稳定时即开始下一个结霜过程。

整个实验包括3个结除霜循环，冷表面温度的变化曲线如图9所示。与冷表面温度变化曲线相对应的铝箔表面霜层状态如图10所示。残留水珠在温度开始下降后的第4 min完全冻结，从图像上来看没有残留水的区域结霜只有薄薄的一层，而冰珠的高度远远高于霜层高度。直到结霜过程开始15 min后残留水周围区域的结霜高度达到1 mm时，残留水珠长成的冰霜高度仍高于周围区域，这将使得空气通道被堵塞的更加严重。在实际应用中会恶化传热过程，增加设备噪音，使得机组性能大大降低。

图9 循环工况冷表面温度的变化曲线

3 结论

换热器表面的除霜包括霜层的融化、排水和残留水的蒸发等过程，为了研究普通铝箔和亲水铝箔表面这两个过程的区别，本文搭建了金属冷表面除霜特性研究实验台。根据实验结果分析得出以下结论：

1）普通铝箔表面的霜层首先全部融化为液态水珠，随后水珠发生合并从表面脱落，最后一部分水珠残留在表面；亲水铝箔表面的霜层则在融化过程中便以液-固混合状态脱落，表面残留一层水膜；

2）虽然普通铝箔表面初始的蒸干率有90%，而亲水铝箔表面初始的蒸干率只有50%，但亲水铝箔表面的残留水在第7 min即被蒸干，普通铝箔则耗时约28 min。所以与普通翅片管换热器相比，由于亲水换热器表面残留水以膜状形式存在，将使其表面的霜层更容易在除霜过程中被完全除掉；

3）除霜结束后普通铝箔表面残留部分水珠，在进入相邻的结霜循环时，这些水珠将“二次成霜”，并且在之后的结霜过程中一直高于周围霜层的高度，在实际应用中将使得换热器空气通道堵塞的状况更加严重。

参考文献

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Experimental Study of the Influence of Different Wettability Surface on the Defrost Process

LU Wei-peng1,2, WANG Wei*1, LI Lin-tao1, ZHU Jia-he1, GE Yi-jing1
(1-Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100124, China; 2-Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co., Ltd. Tianjin 300400, China)

The defrost process of air source heat pump (ASHP) includes melting, drainage and evaporation. The characteristics of above processes are different for the heat exchanger fin surfaces with different wettabilities, which greatly influences the performance of ASHP units during the periodic frosting-defrosting cycles. In this paper, an experimental system was built to study the characteristics of defrost, drainage and evaporation processes on different surfaces, such as hydrophilic and common aluminum foil surfaces. The concept of “fin surface evaporation ratio” was proposed in this paper, which was abbreviated as C. It was found that, the initial value of C can get up to 90% on common aluminum foil surface, and 50% on the hydrophilic aluminum foil surface. However, it takes only 7 minutes to evaporate the defrosting water completely for hydrophilic aluminum foil surface, which is 25% of that for the common aluminum foil surface. The defrost processes for two kind of aluminum foils are significantly different with each other. The effects of defrosting water retention on the next frosting-defrosting process were also investigated.

Hydrophilic aluminum foil; Common aluminum foil; Frost layer; Defrost; Fin surface evaporation ratio

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.105

*王伟（1977-），男，教授，博士。研究方向：建筑节能。联系地址：北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系，邮编：100124。联系电话：010-67392258。Email：mrwangwei@bjut.edu.cn。

北京市教委科技计划面上项目(KM201210005026)；北京市青年拔尖人才培养计划(201304047)

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。