新型铝翅片表面凝露性能的研究进展

2020-11-20何松

绿色科技 2020年20期

何松

(广东工业大学土木与交通工程学院,广东广州 510006)

1 引言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，室内空气质量越来越受到关注。温度、湿度和空气清洁度是评价室内空气环境的主要参数。当建筑的湿度超过一定水平时，不仅会影响人们的舒适度，还会导致真菌的生长，不利于人们的生产生活。目前90%以上的室内空气除湿系统都是基于空调对空气进行冷凝除湿[1]。为了满足室内湿度的舒适性，传统空调系统会将蒸发冷却温度维持在远低于空气露点温度。在大多数情况下，冷却除湿后的空气需经过再加热过程，以保证室内的热舒适性[2]，存在严重能源浪费，不满足绿色建筑的发展要求。据报道，空调系统能耗占发达国家建筑能耗的50%以上[3]。空调负荷一般包括显热负荷和潜热负荷，潜热负荷通常占空调总负荷的70%[4]。因此，空调系统除湿性能的改善对建筑节能具有重大意义。

在目前的研究中，改变换热器翅片表面的物理或化学性质，可以获得不同润湿性表面，包括疏水表面、亲水表面和疏水-亲水复合表面[5]。选取新型润湿性铝翅片中除湿性能较好的应用在空调领域是当下研究的热点。空调系统将蒸发冷却温度降低到空气露点温度以下，通过冷凝作用进行空气除湿。在除湿量相同的情况下，新型铝翅片换热器的蒸发温度可大大高于传统铝翅片换热器，无需再进行空气加热。

本文综述了空调换热器铝翅片表面疏水-亲水复合涂层的研究进展。本综述的目的是：总结现有的研究成果，分析除湿方法的特点，为后续研究人员提供参考；提出了空调领域除湿研究的潜力和建筑节能的意义。

2 湿润表面种类

有研究表明[6]，水分子在亲水表面具有较高的凝露成核速率，疏水表面则具有更好的传热性能。在空调换热器中，冷凝翅片表面既要有高的成核能力，又要有高效的液滴流动性，才能提高水蒸汽凝结的传热性能。因此，研究者们引入了疏水-亲水混合表面。

2.1 仙人掌模型

受自然界仙人掌的启发，通过亲水的针尖捕获水分子，然后通过疏水的表面运输到根部。Bikash等人[7]制备了超疏水-复合亲水表面如图1所示，由于润湿性和温度的差异，凝露现象首先发生在针尖上，随着液滴体积的增长，针上的液滴一直保持Cassie状态，不会润湿下面的超疏水表面；通过实验发现，复合表面的水蒸气凝露速率是普通铜表面的4倍，是没有亲水型特征的超疏水表面的2倍。Ju等[8]结合机械射孔和模板复制技术，制备了仙人掌模型的表面，水蒸气在亲水针尖上凝结，然后向下移动到疏水表面，他们的研究提供了一条吸附湿空气中水分子的有效新途径，可运用于室内空调系统的除湿领域。

图1 复合表面的凝露现象

2.2 茎叶草模型

受茎叶草的启发，通过亲水的叶子捕获水分子，通过疏水的茎来运输。Mahapatra等[9]制备了如图2所示的表面，分为亲水区和疏水区，湿空气中水分子亲水区凝结后由疏水区排走，研究表明，这种表面不仅可大幅度增加表面的凝露性能[9]，传热性能可提高30%以上。

图2 茎叶草模型表面凝露现象

3 新型翅片在空调领域的应用

空调系统在夏季运行的时候，蒸发器上的换热翅片表面温度会低于空气露点温度，湿空气中的部分水分子会凝结到翅片表上面[10]。根据翅片表面的不同润湿性，蒸发器上换热翅片表面的凝露现象可分为珠状凝结、膜状凝结。不同的凝露方式会影响湿空气中水分在蒸发器换热翅片上的传热传质性能。新型翅片对空调换热器的影响吸引了大批研究者。Ma等[11]研究了亲水涂层对换热器性能的影响，发现亲水涂层对传热性能的影响主要与冷凝水的流动状态有关，当有大量冷凝水流动时，亲水涂层可以提高传热性能，当有少量凝结水在翅片表面形成时，亲水涂层会降低传热性能；凝露过程中亲水型涂层翅片换热器两侧的压降小于普通翅片换热器，最大减少44%。Wang等[12]通过化学氧化和化学剂修饰的方法制备了一种新型超疏水换热翅片，实验测试结果显示，在相同工况条件下，超疏水翅片换热器的制冷量和换热系数分别比传统换热器高出8%和2%。