Nano-TiO2 流体涂覆换热器表面对空调器性能影响研究

熊立贵 蔡昭华 涂志刚* 李庆坚

（1.广东开放大学（广东理工职业学院）广州 510091；2.TCL 空调器（中山）有限公司 中山 528400）

前言

节约用电，降低能源消耗，保护环境，是关系我国的经济持续发展，中华民族的前途命运和子孙万代的幸福发展。然而随着中国人民已迈入小康水平，家用电器空调已走进大众家庭，成为人们平常使用电器之一，但其用电消耗较大，因此提高空调能效比性能技术也是当务之急。专家们通过研究分析，有两种技术手段可以提高空调能效：一是提高蒸发器、冷凝器的散热器“两器”的换热效率，如增加铜管、翅片等；一是提高压缩机的效率［1,2］。

换热器结构由铜管和铝箔翅片组成，要改变换热器的传热性能，从它的组成结构材料铜管和铝箔进行研究。目前国内外空调行业大都是采用蓝色亲水对换热器表面进行处理，来提高其换热效果。中国是空调制造大国，如格力空调、美的空调等厂家，他们大都是用蓝色亲水翅片和灰白色非亲水翅片，此两种现已大批量使用。随着国家对能效要求提高，由原来的5 级改为3 级，并对应提高了能力、能效要求，为此，提高空调的性能势在必行。

本文主要针对换热器进行研究，在换热器（蒸发器和冷凝器）的铝箔翅片表面上涂覆Nano-TiO2流体工艺生产后，进行实验测试传热等性能研究。

1 换热器结构材料分析研究

空调器企业生产用的换热器（分为蒸发器、冷凝器）的传热片材料为铝箔，整卷铝箔材料通过机械模具冲压加工成型。根据模具结构不同，铝箔冲压成型的结构分为开窗式和波纹式两种，开窗式的结构是冲破成百叶窗式结构，与波纹结构对比的优势在于与铜管装配成蒸发器或冷凝器，其开窗式结构对空气对流导热效果佳。

1.1 换热器（蒸发器、冷凝器）铝箔材料

百叶窗外形结构示意图见图1。

图1 铝箔开窗翅片结构

铝箔开窗翅片的结构中，翅片中管径为Φ7、Φ9.52 mm，管距对应的尺寸分别为：21 mm，25.4 mm，如表1，换热器翅片规格表。

表1 换热器翅片规格尺寸

对于1 ～1.5 P 空调壁挂式内空的蒸发器采用Φ7 mm 的铜管规格，百叶窗结构对应开上述表中的Φ7 mm 规格的铝箔开窗翅片结构，外机采用Φ7 mm、Φ9.52 mm 规格的翅片进行配匹。

1.2 换热器（蒸发器、冷凝器）铝箔化学成份，见表2

表2 换热器光箔翅片成份

1.3 百叶窗结构在空气对流换热方面优势

换热器的翅片采用百叶窗式结构，其对空气侧的流动换热影响参数分析为：流动效率η、空气侧Δp 以及摩擦因子的影响。在对不同类型的百叶窗结构翅片测试时，已有相关文献验证得到了相近的结论，采用换热区域单元的风机功率P 对其换热的系数评价：

式中:

P—风机功率（kW）；

u—进口的流速（m/s）；

Δp—空气侧压降；

Ac—示流域的最小面积（m2）；

A0—迎风的面积（m2）。

空气通过百叶窗式翅片结构的阵列对流传热，其肇始就是不稳定的重要影响机理之一，由于产生不稳定的转捩会引产生比较大尺度的涡形结构，传热效果会增强，换热效果也有明显优势［1］。

2 涂覆Nano-TiO2 流体涂层的换热器研究

换热器涂覆Nano-TiO2流体涂层材料，其实就是制备纳米复合涂层换热器，其工艺采用通过喷涂、烘干等工艺手法,在其翅片表面喷涂上纳米复合材料的换热器（包括蒸发器和冷凝器）。

2.1 换热器涂覆Nano-TiO2 流体涂层表面荷叶效应（亲水性）

在换热器光铝箔翅片表面上涂覆纳米二氧化钛材料，当Nano-TiO2涂层经过紫外光照射后，进行反应，如图2：

图2 纳米级尺寸的二氧化钛在光能催化反应示意图

纳米二氧化钛在紫外光的照射下，能够自行分解为带正空穴（h+）和带负电子（e-），因此，二氧化钛（TiO2）又被称为光触媒。当分解为带正空穴（h+）和带负电子（e-）在表面带有水的空气当中，即会与水（H2O）发生化学反应，详见如下方程式为：

上式中二氧化钛（TiO2）分解为带负荷的电子（e-）能使附在换热器周围空气的O2进行还原，而带正电荷的空穴（h+）使吸附在换热器翅片上的水（H2O）氧化［2］。

在换热器翅片表面喷了纳米二氧化钛，Nano-TiO2与水反应产生的氢氧根（OH-），并分布在纳米二氧化钛涂层表面，当与水相接触，氢键（OH-）的力学作用与表面的水（H2O）接触时，容易产生较强的亲水性。换热器翅片铝箔有涂覆Nano-TiO2涂层与没有纳米涂层的情况下的亲水角对比结果，如图3 所示。

图3 表面涂覆纳米层的换热器翅片亲水效果

图3 是换热器的翅片表面有进行涂覆Nano-TiO2处理，图4 效果图是无处理的光铝箔翅片材料。

图4 光铝箔的换热器翅片

通过实验得出：涂覆Nano-TiO2流体的膜层的换热器表面，经过紫外光照射后，如图3 所述，与水（H2O）接触角为6 °，甚至到0 °，即附在换热器上的水滴可以完全浸润纳社涂层表面上，因此涂覆Nano-TiO2流体的换热器表面显示出荷叶效应，具有超强的亲水性。在没有紫外光照射后，纳米涂层表面的亲水性可以接近一周时间，才会回到没有紫外光照射前的状态。重复在紫外光照射下，又会出现荷叶效应，显示具有超强的亲水性，因此，间歇性的紫外光可以循环保持超强的亲水荷叶效应，如图5 所示。

图5 纳米涂层亲水性能理论背景

2.2 Nano-TiO2 涂层换热器具有自动清洁，保持高效换热功能

由于涂覆Nano-TiO2流体涂层的换热器具有超强的亲水性，能够对附在表面上的水进行氧化反应，具有荷叶效应，即在换热器表面的水不会停留在涂层上，因此换热器翅片有自清洁功能，减少换热器 残留的附着冷凝物，有利于空气对流，保持了空调换热器的高效换热能力[3-5]。取有纳米二氧化钛涂层的换热器和普通的进行淋雨实验对比，分别在换热器上面涂一些污质如TCL 字样黑色墨汁等有机污垢进行测试，几小时后，分别用淋雨冲洗，结果涂有Nano-TiO2流体涂层的换热器污质很快清洁了，而普通的表面残留了黑色TCL 字迹的污质。如图6（a）为有涂层的清洁干净，图6（b）为普通的，仍有残留。

图6 自动清洁淋雨实验对比图

上述的淋雨实验方法：表3 中为有纳米涂层和普通的两种表面不同的铝箔片进行自动清洁率的对比。在室温条件下，选取金色有涂层的铝箔和光的铝箔片为实验测试对象。淋雨实验步骤如下：

表3 铝箔翅片自动清洁的实验对比

1）对喷涂层金色铝箔和光铝箔取一定的数量，另外取同样数量未喷涂层金色铝箔和光铝箔，作好标号，进行称重。

2）把上面取样的铝箔片表面上积累一定量的污垢或黑色墨汁，进行称重。

3）将上述两组铝箔全部进行倾斜30 °放置，并分别向他们的表面均匀淋雨喷水，进行5 s 的时间。

4）结束后，分别把他们放入烘箱中，设定温度（90±5）℃，后分别称重。根据称重等数据，进行计算自动清洁率。

从表3 数据得出，涂有Nano-TiO2流体涂层的铝箔自清洁明显好于没有涂层的光铝箔，说明喷有涂层的会形成一层保护膜，具有荷叶效应能去除污能力。而普通的光箔自清洁率比较低，常年会积较多的污垢，上面会存积大量的冷凝水，降低了空调在使用时的对流循环风量，从而影响了空调的热器的换热能力，使空调器在制冷或制暖的能力会大大降低，反之，涂有Nano-TiO2流体涂层的铝箔就没有上述情况发生，具有自动清洁功能，使换热器换热效好，能保持空调的空气对流循环及能力、能效比。

3 纳米涂层的换热器老化实验，及其空调器性能测试研究

为了验证涂覆Nano-TiO2流体涂层的换热器性能，下面分别用涂覆纳米二氧化钛涂层的换热器进行附着力实验、耐冷热冲击实验、耐干湿循环实验、盐雾等加速老化实验，以及其纳米涂层的换热器空调进行性能测试研究[6]。

3.1 附着力实验

为了空调器能适应于各种气侯环境下使用，特别是环境恶劣环境条件下，现对涂覆纳米二氧化钛流体的换热器翅片涂层进行附着力实验，验证涂层是否存在过快衰减。按照QT/TK-05.55 纳米复合涂层换热器企业标准进行测试要求，附着能力用亲水角值来决定衰减度。

实验条件为：以蓝色铝箔（亲水），金色铝箔（亲水），纳米复合涂层铝箔四种规格分别取样件；采用去离子水，150 W 超声波功率，40 ℃的温度，冲击时间：30 min、60 min、90 min、120 min 四个时间段进行实验。图7 是对应测的亲水角度数据。

图7 纳米和非纳米涂层附着力实验对比

从图7 可以得出，亲水角与冲击时间变长而成逐渐增大。没有喷涂层的铝箔比有喷涂纳米的金色铝箔、蓝色铝箔在相同条件亲水角要大，即喷有涂层的铝箔亲水角度要小，因此喷有纳米涂层的亲水性效果更佳。在150 W 超声波功率振动下，验证了涂层与铝箔之间的附着力与涂层亲水内部的原子或分子之间作用力存在，这种作用力都会对纳米二氧化钛涂层对铝箔基材附着牢固度有影响，上述结果证明在超声波的外力冲击下所反应的吸附力大，显示出亲水效果要好。

3.2 耐冷热冲击实验

耐冷热冲击实验是根据空调器在制热与制冷之间循环运行时工况测试，验证其纳米涂层的亲水效果，依据按照QT/TK-05.55 纳米复合涂层换热器企业标准进行取样测试［7,8］。同样是根据亲水角值来判断它的质量。

实验条件：取5 片涂有纳米复合涂层的金黄色铝箔样品和没有涂纳米涂层的金黄色铝箔样品进行对比实验。放入高低温烘箱中，将烘箱程序设置为在-20 ℃进行1 h，在80 ℃进行1 h，这样的条件进行5 个循环后，再分别测量亲水角。根据数据如图8。

图8 纳米和非纳米涂层耐冷热冲击实验对比

从图8 可以得出，喷有Nan0-Tio2流体涂层的铝箔与没有喷纳米涂层的铝箔在冷热冲击实验亲水性对比，喷有Nan0-Tio2流体涂层的铝箔的亲水角数据要小，说明纳米二氧化钛涂层铝箔的抗冷热冲击性要比普通的亲水铝箔要好，表现出纳米二氧化钛涂层铝箔耐冷、耐热性能优异。

3.3 耐干湿循环实验

干湿循环实验是测试喷涂Nan0-Tio2流体的换热器铝箔涂层在启、停反复恶劣环境下，实验纳米涂层的承受能力。各取5 片涂有纳米复合涂层的金黄色铝箔及没有喷涂层的金色铝箔样品。将其浸入水中3 min，晾干6 min，循环300 次周期后测量亲水接触角值。

喷有Nan0-Tio2涂层金色铝箔与常规用的金色亲水铝箔在做干湿循环测试的性能对比实验。从图9 中看出，常规用的金色亲水铝箔随着做循环测试次数增加亲水在明显降低，然而喷有Nan0-Tio2涂层金色铝箔的下降幅度比常规用的金色亲水铝箔要小。实验是采用模拟真实空调运行环境，检验耐水冲击的能力，结果证明了空调器内换热器处在水的环境下，喷有Nan0-Tio2涂层金色铝箔都能体现出它的相对优势。

图9 纳米和非纳米涂层耐干湿循环实验对比

3.4 中性盐雾实验

在沿海地区空气环境含有盐份，盐潮湿大气对产品性能有一定的影响，特别是检验涂覆纳米保护

层的性能和铝箔的相容性。为模拟此环境，选择加速老化实验测试验证纳米二氧化钛涂层铝箔的性能，本实验采用中性盐雾实验测试。依据国家标准GB/T 1771 盐雾实验规定方法[9]，各取5 片尺寸规格为100×150（mm）涂有纳米复合涂层的金黄色铝箔和非喷涂的铝箔样品，pH 值为6.5 ～7.2 之间，温度为（35±2）℃和相对湿度（50±5）%，24 h 为周期进行实验。

从图10 实验测试数据分析，涂有纳米复合涂层的铝箔表面的腐蚀覆盖面积占总数小于百分之0.2，而没有喷涂的铝箔腐蚀覆盖面积占总数近百分之二，结果证明了喷有纳米涂层的铝箔具有耐腐功能。

图10 纳米和非纳米涂层耐中性盐雾实验对比

3.5 纳米涂层的换热器空调进行性能测试

在能力焓差室测试验证使用涂覆Nano-Tio2流体的换热器翅片涂层对空调器换热性能影响变化，根据《房间空气调节器》国标GB/T 7725 要求[10]，以KFR-25GW 壁挂式空调机型为例，分别采用3 套用涂覆Nano-Tio2流体的换热器（蒸发器和冷凝器），以及3 套用非喷涂的光铝箔换热器（蒸发器和冷凝器），分别进行性能（能力、能效）测试。测试要求按照国家标准T1 测试工况要求：如表4 条件，进行测试。

表4 实验工况条件

空调器的机型配置相同：蒸发器采用φ7×2×11（mm）规格的铜管，冷凝器采用φ7×2×24（mm）规格的铜管，压缩机型号用PH150G1C-4FZDE，室内电机转速1 350 rpm，室外电机转速860 rpm。经空调器的焓差测试，有喷涂层的换热器与没有喷涂层的换热器循环风量、能力、能效对比结果如表5。

通过焓差测试结果，使用涂覆Nano-Tio2流体的换热器翅片涂层的空调器，能力达到2526 W，循环风量539 m3/h，能效达3.22（W/W），结果明显高于没有涂层的空调器的能力、循环风量、能效参数。

循环风量平均高于31 m3/h，能效比平均高于0.18，能力平均高于90 W。说明喷有涂层的换热器翅片的亲水性很强，可以使换热器的翅片层表面不容易产生水桥，确保了换热器的高效散热、传热的能力。

4 小 结

综上述，本文创新点是对换热器铝箔涂覆Nano-Tio2流体工艺，并使用喷有纳米涂层换热器的空调器换热性能等研究，经过淋雨、附着力实验、耐冷热冲击实验、耐干湿循环实验、盐雾老化实验、能力性能等测试数据分析，使用纳米换热器涂层表面对空调器换热效果有直接影响，与市场上使用普通换热器进行对比，具有以下创新：

1）Nano-Tio2在紫外光的照射下，分解的带正空穴（h+）与水反应产生的氢氧根（OH-）的力学作用与表面的水（H2O）接触时，容易产生超强的亲水性；

2）喷有纳米二氧化钛涂层的铝箔，亲水接触角小，容易去除换热器表面上的污垢等杂质，防止灰尘积在翅片上，起到空气对流顺畅，散热、传热效果会增强；冷暖空调还能避免在制暖时室外机进行频繁的除霜，而室内机在吹冷风的现象；

3）纳米二氧化钛涂层的铝箔换热器具有荷叶效应，使换热器表面实现自动清洁功能，表面的冷凝水很容易被排除，能保证换热器高效换热；

4）纳米二氧化钛涂层表面耐腐蚀性强，在北方有频繁出现沙尘暴气侯，以及盐潮湿大气的沿海边城市等恶劣环境下使用，空调器依然能显示强大的制冷、制暖能力，解决了空调器的综合性能随时间衰减问题，从而确保了空调的长效特性。

5）纳米二氧化钛换热器涂层对于空调器的能力、能效、循环风量等参数都有一定的提高，可以节约电耗能源，降低使用成本，提高了空调器性能。