亲水涂层对微通道换热器空气侧性能的影响

刘鹿鸣，施骏业，王颖，葛方根，汪峰，魏庆奇，陈江平

（1-上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-天津三电汽车空调有限公司，天津 300385）

亲水涂层对微通道换热器空气侧性能的影响

刘鹿鸣*1，施骏业1，王颖1，葛方根2，汪峰2，魏庆奇3，陈江平1

（1-上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-天津三电汽车空调有限公司，天津 300385）

对微通道换热器进行了亲水表面处理，并对其性能进行了实验研究，分析了亲水处理对微通道换热器湿工况性能的影响。实验表明，亲水处理对换热器性能有利：与无涂层换热器相比，亲水处理换热器换热量最多增大7.0%，压降减小0.7%～18.9%。而随着翅片间距的减小和芯体厚度的增加，亲水处理带来的性能提升减弱。

微通道换热器；表面处理；换热性能；压降

0 引言

微通道换热器具有重量轻、结构紧凑、换热效率高、内容积小的优点，在汽车空调领域已经得到广泛应用[1]。近年来，微通道换热器开始越来越多地应用在家用和商用空调上面[2]，这就要求其在热泵工况下稳定运行[3]。当微通道换热器用作蒸发器时，换热器翅片表面温度若低于空气露点温度，翅片上面就会产生冷凝水，而微通道换热器翅片多为百叶窗翅片，极容易被水滴堵塞恶化换热。微通道换热器排水问题亟需解决。

换热器的排水特性主要与其翅片形式、间距[4]以及翅片材料表面接触角[5]有关。由于改变翅片间距会直接影响换热器性能，而且新开翅片模具费用昂贵，故相比而言，研究表面处理对换热器排水性能的影响比较有意义。传统管片式换热器多采用亲水铝箔[6]，MA X K、WANG C C和杨强等[7-10]研究了析湿工况下亲水层对管片式换热器空气侧性能的影响，结果说明表面涂层可以降低空气侧的压降，而对换热器性能的影响取决于换热器翅片结构参数和实验工况。MOALLEM E等[11]研究了亲水处理对微通道换热器结霜工况下性能的影响，结果表明在结霜工况下经过亲水换热器换热量提升最多15%。CHO H等[12]研究表明亲水处理对蒸发器制冷量有很小的贡献。现在针对表面处理对微通道换热器空气侧性能影响的研究并不多，也并没有定论亲水处理对微通道换热器性能是否有利。

本文将亲水处理的微通道换热器在不同工况下与原换热器进行性能对比，研究了亲水处理对换热器湿工况性能的影响。

1 实验装置

实验装置系统如图1所示。该系统主要由放置在封闭的环境舱内的空气回路、冷水回路、数据采集模块以及控制终端构成。实验过程中，样件安装于风洞出口，由风洞内的喷嘴控制风量，环境温、湿度由空调系统和加热加湿系统控制，冷水回路的水温由恒温水槽控制。一个摄像机被放置在换热器空气侧出口用于拍摄换热器表面凝水的情况，换热器下部放置有接水槽，用于储存换热器凝水。

图1 实验系统示意图

系统空气侧和水侧进出口状态由多个温度压力传感器测量并由电脑自动控制，通过计算换热器的空气侧进出口焓差及水侧的进出口焓差来测量样件的换热能力，一般认为换热器单体实验空气侧换热能力与水侧换热能力相差在 5%之内实验结果才有效。实验台各传感器精度如表 1所示，根据MOFFAT R J的误差分析方法[13]可以计算出实验台对于换热器换热量测量的不确定度为3.5%。

表1 实验台主要传感器精度

2 实验对象、工况及数据处理方法

2.1 实验对象及工况

微通道换热器由百叶窗翅片和微通道扁管组成，百叶窗翅片的结构如图2所示。微通道扁管两端分别连接上下集流管，冷媒从集流管一端流入另一端流出。

图2 百叶窗翅片的结构

研究对象为3个未经表面处理和3个经过亲水处理的换热器，换热器编号及结构参数如表2所示。

表2 实验样件的结构参数

换热器经脱脂、浸泡、甩干、烘干等步骤得到均匀致密的表面膜层，所得到的亲水膜很薄，对翅片厚度和翅片间距影响很小。

实验测试工况见表3。

表3 实验工况表

2.2 数据处理方法

空气侧压降通过压差传感器直接获得，换热器换热量通过空气侧和水侧换热量取平均数得到。

式中：

Qm——换热器换热量；

Qa——空气侧换热量；

Qw——水侧换热量；

ma——空气质量流量；

ia,in——空气入口焓；

ia,out——空气出口焓；

mw——水流量；

iw,out——水出口焓；

iw,in——水入口焓。

3 实验结果及分析

图3为不同风速下无涂层换热器和亲水处理换热器换热量比较，采用无量纲数作为衡量标准。

式中：

kQ——换热量比；

Qcoated——表面处理换热器换热量；

Quncoated——原换热器换热量。

从无量纲数kQ可以看出，亲水处理芯体的换热量相比同尺寸无涂层样品增大。3个亲水涂层样件相比无涂层样件换热量上升最多7.0%，仅在一个工况点下降0.8%。实验中翅片凝水的照片如图4所示，可以看到，凝水在亲水涂层上结合呈现膜状，而通过观察发现，凝水在无涂层换热器上呈现一个个小水滴。亲水涂层强化换热是因为凝水在亲水膜上形成一层水膜并且水膜快速流下，而无涂层换热器的凝水以水珠的形式增加了翅片的粗糙度，在一定程度上也能够增强换热。在高风速时，无涂层换热器翅片上的小水珠同样具有较好的流动性，故其换热能力相比亲水涂层换热器差得不多，无量纲数kQ趋近于1；而当风速较低时，亲水膜流动性的优势比较明显，故换热能力提高比较明显。可以看到，随着翅片间距的减小，换热量无量纲数下降1.1%到2.2%；随着芯体厚度的增大，换热量无量纲数下降1.1%到3.2%。这是因为，随着翅片间距的减小和芯体厚度的增加，水膜在翅片间的流动性降低，水膜流动对换热能力的增强也降低，而无涂层换热器的凝水仍然可以以水珠的形式增加翅片的粗糙度来增强换热。

图 5为两种换热器在不同工况下的压降比较，同样采用无量纲数作为衡量标准：

其中，kΔp为压降比，Δpcoated为表面处理换热器压降，Δpuncoated为原换热器压降。

图3 换热量随风速的变化

图4 换热器空气侧冷凝照片

图5 压降随风速的变化

从无量纲数kΔp上可以看出，亲水处理芯体的压降相比同结构尺寸无涂层换热器降低。3个亲水涂层样件压降降低 0.7%～18.9%。与换热量体现出的规律一致，随着翅片间距的减小，亲水涂层样品的压降无量纲数增加4.4%～6.0%；随着芯体厚度的增加，亲水涂层样品的压降无量纲数增加11.3%～12.2%。水膜流动性的降低造成了亲水处理换热器翅片间的凝水增多，从而压降增大。

4 结论

通过对不同结构参数的微通道换热器进行亲水表面处理，而后对其性能进行对比，研究了不同亲水处理对微通道换热器湿工况性能的影响。结论如下：

1) 亲水处理对换热器性能有利。在不同工况下，亲水涂层换热器相比同结构无涂层换热器换热量最多上升7%，且仅在一个工况点下降0.8%；压降相比无涂层换热器降低0.7%到18.9%；

2) 减小翅片间距和增大芯体厚度不利于亲水性能的发挥。随着翅片间距的减小和芯体厚度的增加，亲水涂层换热器的换热量无量纲数下降1.1%到3.2%，压降无量纲数上升4.4%到12.2%。

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Influence of Hydrophilic Coating on the Air Side Performance of Microchannel Heat Exchanger

LIU Lu-ming*1, SHI Jun-ye1, WANG Ying1, GE Fang-gen2, WANG Feng2, WEI Qing-qi3, CHEN Jiang-ping1
(1-School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2-Zhejiang Dunan Artificial Environment Co., Ltd. Hangzhou, Zhejiang 310051, China; 3-Tianjin Sanden Auto Air-conditioning Co., Ltd. Tianjin 300385)

The surface of the microchannel heat exchanger was dealt with hydrophilic coating; the performance of microchannel heat exchanger with hydrophilic surface coating was experimentally studied under different conditions, and the influence of hydrophilic coating on the performance of the heat changer under wet conditions was analyzed. The results indicated that hydrophilic surface coating has good effects on air side performance: the heat transfer capacity increases by a maximum of 7.0% and the pressure drop decreases by 0.7% ～ 18.9%. With the decrease of fin pitch and the increase of tube height, the performance improvement caused by hydrophilic surface coating decreases.

Microchannel heat exchanger; Surface coating; Heat transfer performance; Pressure drop

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.102

*刘鹿鸣（1990-），男，硕士研究生。研究方向：汽车热系统。联系地址：上海市闵行区东川路800号上海交通大学热动楼C栋359室，邮编：200240。联系电话：18502127629。E-mail：lmliusjtu@163.com。