表面处理对微通道换热器湿工况性能及长效特性的影响

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 杭州 310000;3天津三电汽车空调有限公司 天津 300385)

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的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如果低于入口空气露点温度，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。表面处理分为亲水表面处理和疏水表面处理，亲水处理使得凝水以薄水膜的形态排除，疏水处理使得凝水聚成水滴排除。家用空调上多用亲水铝箔作翅片，Xiaokui Ma、Chi-Chuan Wang和杨强等[6-9]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大大降低空气侧的压降，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。Ehsan Moallem等[10]研究了亲水和疏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表面处理的换热器换热量提升最多15%。Honggi Cho等[11]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和长效特性影响的研究并不多，也并没有定论是亲水还是疏水处理对微通道换热器性能更有利。

通过将亲水表面处理和疏水表面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，研究了不同表面处理对换热器的性能影响，并选取性能较好的一种与原换热器进行长效特性比较。

1恒温水槽 2截止阀 3过滤器 4三通阀 5水泵 6流量计 7环境舱 8微通道换热器 9风道 10喷嘴 11环境控制机组 12风机 13加湿盘管 14加热盘管 15蒸发盘管 16摄像机

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。

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的误差分析方法[12]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。

研究对象为3个微通道换热器，其中一个未经表面处理，一个经过亲水处理，一个经过疏水处理，三个换热器的结构相同，具体参数如表2所示。

表2 实验样件的结构参数

图2 百叶窗翅片的结构

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，所得到的亲水或者疏水膜厚度均为100 nm级别，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：

(1)

式中：Qm为换热器换热量；Qa为空气侧换热量；Qw为水侧换热量。

Qa=ma(ia，in-ia，out)

(2)

Qw=mw(iw，out-iw，in)

(3)

式中：Qa为空气侧换热量；Qw为水侧换热量；ma为空气质量流量；ia，in为空气入口焓；ia，out为空气出口焓；mw为水流量；iw，out为水出口焓；iw，in为水入口焓。

3 实验结果及分析

3.1 换热器空气侧性能比较

图3为不同工况下原换热器、亲水处理换热器和疏水处理换热器换热量比较，采用无量纲数作为衡量标准：

(4)

式中：kQ为换热量比；Qcoated为表面处理换热器换热量；Quncoated为原换热器换热量。

可以看到疏水处理换热器在低风速下性能相比原换热器衰减了14%，但是其性能随着风速的增大得到改善。这是因为低风速时，疏水处理换热器翅片间堵塞了很多水珠形成很多水桥，造成换热面积减小，而随着风速的增大，一些堵塞在翅片间的水珠被吹出，因而换热器性能得到改善。亲水处理换热器在不同工况下相比原换热器性能衰减2%～8%，这是由于百叶窗翅片开缝大大降低了水膜的流动性，使其换热能力衰减；而原换热器翅片上的凝水形成一个个小水滴，相当于增大了翅片表面的粗糙度，使其换热能力增强。

图4为三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:

(5)

式中：kΔp为压降比；pcoated为表面处理换热器压降；puncoated为原换热器压降。

可以看到疏水处理换热器压降大大提高，这就是因为换热器翅片间形成很多水桥。随着风速的增大，换热量也同时增大，换热量增大导致凝水增多水桥变多，故疏水处理换热器压降随着风速的增大先变大。而当风速达到一定值时，翅片间的水珠被吹出，使得压降下降。这就造成了疏水换热器压降随着风速的升高先上升后下降。由于水膜流动性比水滴好，所以亲水处理换热器在大部分工况下压降比原换热器低。但亲水处理换热器在高湿度低风速时压降明显升高，这是因为湿度较大时凝水变多，翅片表面的水膜厚度增加，此时若风速较低，水膜的流动性就会大大降低，残留在翅片间的水膜使得换热器的压降变大。随着风速的增大，水膜的流动性大大提升，尽管风速增大凝水也同时增多，但是水膜的流动性起到了主导作用，使得在高湿度高风速下亲水处理换热器比原换热器压降降低50%。

图5为三种换热器在不同风速下的空气侧冷凝照片，可以明显的看出疏水处理换热器翅片中间形成很多水桥，亲水处理换热器表面形成水膜，而原换热器表面形成一些分散的小水珠。

图3 不同风速和不同湿度下亲水和疏水表面处理对换热器传热特性的影响

图4 不同风速和不同湿度下亲水和疏水表面处理对换热器压降特性的影响

图5 原换热器、亲水处理换热器和疏水处理换热器空气侧冷凝照片

3.2 换热器长效特性比较

由于疏水处理换热器在低风速下性能衰减较多，得到应用的难度较大，故只考察亲水处理换热器和原换热器的长效特性。

将换热器置于标准盐雾实验箱中，用电导率不大于20 Ω/m的蒸馏水配制盐溶液，每升盐溶液中含42 g符合 GB/T 15748—1995[13]的人造海水，在每升溶液里添加10 mL冰醋酸，保证盐溶液pH值在2.8～3.0之间，盐雾箱温度设定为49 ℃，饱和塔温度设定为57 ℃。经过260 h酸性盐雾腐蚀后取出两个换热器，分别测试其性能。测试工况与表3工况一致，但仅取47%一个相对湿度进行研究。

图6 260 h盐雾腐蚀后不同风速下亲水处理对换热器空气侧性能的影响

可以看到经过盐雾腐蚀后，在不同的工况下亲水处理换热器相比原换热器性能得到改善，压降降低了14%～16%，换热量提高了4%～6%。这是因为传统微通道换热器通常采用喷锌来调节电位差[14]，在腐蚀环境中锌的反应产物较多。反应产物会影响翅片的换热效果，并同时增加空气侧阻力，而亲水处理阻碍了酸性环境对换热器芯体本身的腐蚀，对换热器起到了保护的作用。

图7为原换热器和亲水处理换热器在260 h盐雾腐蚀后的空气侧冷凝照片，可以看出原换热器表面出现很多反应产物，而亲水处理换热器表面仍然较为光洁。

图7 盐雾腐蚀260 h后原换热器和亲水处理换热器空气侧冷凝照片

4 结论

通过对翅片间距1.1 mm的微通道换热器进行不同的表面处理，而后对其在不同工况下的性能进行对比，研究了不同表面处理对微通道换热器湿工况性能和长效特性的影响。结论如下：

1) 对于表面疏水处理的微通道换热器，由于冷凝水聚成水滴后堵塞在翅片之间形成水桥，会使得换热器换热效率下降，空气侧压降显著升高。实验结果表明：与原换热器相比，表面疏水处理的换热器在低风速下性能衰减达14%，衰减随着风速的变大而减小；而压降除了高风速高湿度工况，其余工况下均升高130%以上。

2) 表面亲水处理对微通道换热器性能影响较小。与原换热器相比，表面亲水处理的换热器在不同工况下换热量衰减2%～8%；压降仅在高湿度低风速下明显变大17%，其余大部分工况得到改善，在高湿度高风速下压降仅为原换热器的50%。

3) 表面亲水处理对换热器防腐蚀有一定作用，260 h盐雾腐蚀后，亲水处理换热器相比原换热器换热量提升4%～6%，压降降低14%～16%。

[1] Junye Shi, Xiaohua Qu, Zhaogang Qi, et al. Investigating performance of microchannel evaporators with different manifold structures[J]. International Journal of Refrigeration, 2011, 34(1): 292-302.

[2] 张会勇，李俊明，王补宣. 微通道换热器在家用空调中的应用[J]. 暖通空调, 2009, 39(9): 80-85. (Zhang Huiyong, Li Junming, Wang Buxuan. Application of microchannel heat exchangers in resident air conditioners[J]. HV &AC, 2009, 39(9): 80-85.)

[3] Bo Xu, Qing Han, Jiangping Chen, et al. Experimental investigation of frost and defrost performance of microchannel heat exchangers for heat pump systems[J]. Applied Energy, 2013, 103: 180-188.

[4] H Osada, H Aoki, T Ohara. Research on corrugated multi-louvered fins under dehumidification[J]. Heat Transfer-Asian Research, 2001, 30: 83-393.

[5] Min Jingchun, Ralph L Webb. Condensate formation and drainage on typical fin materials[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2001, 25(3/4): 101-111.

[6] Xiaokui Ma, Guoliang Ding, Yuanming Zhang, et al. Effects of hydrophilic coating on air side heat transfer and friction characteristics of wavy fin and tube heat exchangers under dehumidifying conditions[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(9): 2525-2532.

[7] Xiaokui Ma, Guoliang Ding , Yuanming Zhang , et al. Airside characteristics of heat, mass transfer and pressure drop for heat exchangers of tube-in hydrophilic coating wavy fin under dehumidifying conditions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52: 4358-4370.

[8] Chi-Chuan Wang, Wei-Song Lee, Wen-Jenn Sheu, et al. A comparison of the airside performance of the fin-and-tube heat exchangers in wet conditions; with and without hydrophilic coating[J]. Applied Thermal Engineering,2002,22: 267-278.

[9] 杨强，戴立生. 换热器亲水性对空调性能影响的试验研究[J]. 制冷学报,2007, 28(3):6-10. (Yang Qiang, Dai Lisheng. Experimental Research on Effect of Evaporator Surface Wettability on Air -conditioner Performance[J]. Journal of Refrigeration, 2007, 28(3): 6-10. )

[10] Ehsan Moallem, Lorenzo Cremaschi, Daniel E Fisher, et al. Experimental measurements of the surface coating and water retention effects on frosting performance of microchannel heat exchangers for heat pump systems[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2012, 39: 176-188.

[11] Honggi Cho, Keumnam Cho. Performance comparison of microchannel evaporators with refrigerant R-22[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2007, 21: 1926-1934.

[12] Moffat R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1998, 1 (1): 3-17.

[13] 全国海洋船标准化技术委员会.GB/T 15748—1995 船用金属材料电偶腐蚀试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，1995.

[14] 韦伟，徐坤豪，梁媛媛，等. 采用折叠扁管与挤压扁管的微通道换热器长效特性[J]. 化工学报， 2013, 64(7): 2369-2375. (Wei Wei, Xu Kunhao, Liang Yuanyuan, et al. Long-term performance of microchannel heat exchanger with folded tube and extruded tube[J]. CIESC Journal，2013, 64(7): 2369-2375.)