刘祥红  刘湘云  刘良德  陈观生  李沛师

广东工业大学材料与能源学院

摘要：针对寒冷潮湿地区使用空气源热泵蒸发器表面结霜严重这一现象，通过蒸发器表面处理技术，改变材料 的表面特性，抑制翅片结霜，从而减少翅片的结霜质量 。本实验即研究翅片样品涂覆上不同的抑霜涂层后与未涂 覆作对比，实验结果表明在环境温度为 18 ℃，相对湿度为 60%的条件下，结霜质量 2 号铝箔翅片(普通涂层铝箔 翅片)比 1 号铝箔翅片(普通铝箔翅片)减少 6%，而 3 号铝箔翅片(纳米材料涂层铝箔翅片)减少 15%；把相对湿度 改变为 70%的条件下，结霜质量 2 号铝箔翅片比 1 号铝箔翅片减少 5.8%，而 3 号铝箔翅片减少 16%。

关键词：空气源热泵 抑霜涂层 抑制霜层生长

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

结霜是一种常见的自然现象，是不可避免的 。当湿空气与冷表面接触时，且冷表面的温度低于湿空气的露点温度，空气中的水蒸气就会析出来，从而“附着‘’ 在冷表面上；如果冷表面的温度同时还低于水的三相点温度(273. 16 K) [1]，在冻结液的表面将会形成霜晶并逐渐增厚最终形成霜层 。但是室外线圈表面结霜是不 可避免的，它总是发挥着负面作用[2] 。结霜的负面作用 主要体现在两个方面一方面，一是霜是热的不良导体， 蒸发器表面霜层越厚，热阻越大，霜层的存在降低了换 热器效率，压损增加，降低了系统的 COP 和采暖能力， 并可能导致其关闭[3] 。二是霜层的存在也增加融霜能 耗和系统的维护、管理费用 。因此，为了解决空气源热泵的除霜问题，提高传热效率，就有必要研究结霜机 理、特性，以及如何延缓结霜的方法和防结霜[4-6]、除霜 方法[7-11]及控制策略等，学者们也得到很多研究成果。

 

本论文即是研究涂层对霜层的生长过程及影响 因素，通过改变环境参数，从而得到不同条件下的结 霜速率及生长情况，从而为抑制霜层的生长提供一些参考依据。

1、实验原理图

本实验的简单原理图如图 1 所示，翅片样品放置 于一个密闭透明的有机玻璃当中，背面贴有三块规格 为 40 mm×40 mm 的半导体制冷片，热端与冷端最大 温差可达 70 ℃以上，其最低制冷温度可达到 -55 ℃。 制冷片的热端热量用冷却水通过水冷板冷却 。其余的 辅助设备包括温湿控仪、摄像仪、计算机、电子天平、红 外热像仪等。

实验中所用的三种翅片编号分别为 1 号铝箔翅 片  (普通铝箔翅片) 、2 号铝箔翅片  (普通涂层铝箔翅 片) 、3 号铝箔翅片(纳米材料涂层铝箔翅片) ，规格均 为 40 mm×120 mm。实验中用来测量霜层质量的电子 天平型号为 SHC5，其精确度为 0. 1 g，误差为±0.2 g， 能够保证实验数据的准确性 。半导体制冷片的表面温 度用红外热像仪测量，型号为 testo872，可测量翅片表 面各个点位的精确温度 。测量范围 -30 ℃~100 ℃，精 度±2 ℃。

 

2、材料表面结霜性能测试

2.1  实验分组

为了便于对比分析，测试试样分别位于同一个密 闭的空腔内，  三个样品竖向整齐排列在一块制冷板 上 。空腔内的湿度可以通过加湿器调节。

为了更好地研究不同表面涂层对结霜过程的影响，特地做了如下两组不同的工况下的实验：①空腔内温度为 18 ℃，空气相对湿度为 60%，制冷片表面温度 保持恒定 - 15 ℃；②空腔内温度为 18 ℃，空气相对湿度为 70%，制冷片表面温度保持恒定 - 15 ℃。每一个工况对三个样品的测试。

2.2  同 一环境下铝箔结霜质量变化曲线

当测试环境温度为 18 ℃，相对湿度为 60%，制冷片表面温度保持 - 15 ℃时，由图 2 可发现，随着时间的 增加，三种铝箔结霜的质量也越来越大，截止结霜时 间大约为 120 min，且明显地看到结霜的速率比较快， 结霜截止时间也比较长。经过实验，经过 2 h 后，1 号铝 箔翅片的结霜质量比 2 号铝箔翅片的结霜质量要多 1.4 g；而比 3 号铝箔翅片要多 3.6 g。

当测试环境温度为 18 ℃，相对湿度为 70%，制冷 片表面温度保持 - 15 ℃时 ，  由图 3 可知经过 2 个小时 后，1 号铝箔翅片的结霜质量比 2 号铝箔翅片的结霜 质量要多 1.5g；而要比 3 号铝箔翅片多 4. 1g。

2.3  不同环境下同一铝箔的结霜质量变化曲线

当测试环境温度为 18 ℃ ，制冷片表面温度保持 - 15 ℃不变时，而相对湿度分别为 60%和 70%时，1 号铝箔翅片结霜质量变化曲线如图4 所示 ，到了各自的 截止结霜时间后，相对湿度为 70%的情况下比相对湿 度为 60%的情况下 1 号铝箔翅片结霜质量多 2. 1 g。

当测试环境温度为 18 ℃ ，制冷片表面温度保持 - 15 ℃不变时 ，而相对湿度分别为 60%和 70%时，2 号 铝箔的结霜质量变化曲线如图5 所示 ，到了各自的截 止结霜时间后，相对湿度为 70%的情况下比相对湿度 为 60%的情况下 2 号铝箔翅片结霜质量多了 2.0 g。

当测试环境温度为 18 ℃ ，制冷片表面温度保持 - 15 ℃不变时 ，而相对湿度分别为 60%和 70%时，3 号 铝箔的结霜质量变化曲线如图6 所示 ，到了各自的截 止结霜时间后，相对湿度为 70%的情况下比相对湿度 为 60%的情况下 3 号铝箔翅片结霜质量多了 1.6 g。

3、结论

由实验曲线可知，当铝箔表面经过涂覆不同的抑霜涂层后，相比于没有涂层的铝箔表面，结霜的结霜截 止时间明显减少。对比在同一环境下的三种铝箔翅片，无论是从结霜的速率还是从最后的结霜质量来看都 是要低于 1 号铝箔翅片 。尤其是最终的结霜质量在环 境温度为 18 ℃，相对湿度为60%的条件下，结霜质量 2 号铝箔翅片比 1 号铝箔翅片减少 6%，而 3 号铝箔翅片减少 15%。在环境温度为 18 ℃，相对湿度为 70%的条件下 ，结霜质量 2 号铝箔翅片比 1 号铝箔翅片减少 5.8%，而 3 号铝箔翅片减少 16%。2、3 号表面具有抑霜 涂层，其对材料表面抑制霜层的生长有了显著的改善。

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从以图 2、图 3 可以看出，折流板间距一定时，随 着水流速度的增大，烟气的出口温度降低，水出口温 度增大 。水流速度一定时，烟气出口温度随着折流板 间距的增大而升高，水出口温度随着折流板间距的增 大而降低 。这说明减小折流板间距更加有利于降低烟 气的温度，同时，适当增大水流速度更加有利于换热。 从图 4、图 5 可以看出，折流板间距一定时，传热系数 随着水流速度增大而增大，冷凝水的质量也随着水流 速度的增大而增大，并且还可以发现：折流板的间距 由 202 mm 减小至 124 mm 时，传热系数的变化很大， 而折流板间距由 124 mm 减小至 84 mm 时，传热系数 虽 然 也 随 之 增 大 ，但 是 变 化 不 如 折 流 板 间 距 由 202 mm 减小至 124 mm 的大，此可以看出，折流板数 量增大至某一数值，对换热的影响将会减小 。水流速 度一定时，随着折流板间距的增大，传热系数也随之 减小，并且冷凝水的质量也随之减少。

水流速度均为 2 m/s 时 ，不同折流板间距下的速 度分布云图如6 所示：

由图6 可以看出，折流板附近的速度变化最大，流 体运动至折流板附近时速度均增大 ，折流板间距为 202 mm 和 124 mm 时 ，流体无法到达的区域较大，即 传热死区，而折流板间距为 84 mm 和 50 mm 时，流体 无法到达的区域很小，这大大提高了传热效率，因此折 流板具有强化传热的作用，因此折流板间距对换热有 着极大的影响。

3、结论

①折流板的间距对换热效果影响很大，折流板的 存在可以增加气流的扰动，让壳程中的烟气可以与管 程中的低温水更加充分的换热，可以在合理的间距范 围内尽可能的缩小折流板间距达到强化传热的目的。

②低温水流速不仅影响着换热，还影响着换热器 内的温度分布，低温水流速越大，换热效果越好，得到 的烟气温度越低，这不仅可以回收更多的热量，而且烟 气排烟温度可以降到足够低便可以消除“白烟”，节能 而且环保。

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