長安大學 建筑環境與能源應用工程系  王興龍  谷雅秀  溫婷婷

      【摘  要】空氣源熱泵在冬季濕冷地區應用時，室外蒸發器翅片表面容易結霜，影響其運行效率。本文改進了現有超疏水表面制備方法，制備出平均接觸角高達154.6°的鋁基表面，搭建了半導體冷板制冷強制對流實驗系統，對超疏水鋁基表面和常規鋁基表面在溫度為0℃至-15℃、風速為1m/s至3m/s時的結霜性和融霜性進行了實驗對比研究，得出了超疏水表面能夠有效抑制冷凝水滴和霜層的形成、并且具有較好的自潔性以及風速對霜層的形成影響不大等結論。

      【關鍵詞】超疏水表面；空氣源熱泵；抑霜；融霜

      【基金項目】陜西省自然科學基金面上項目（2018JM5084）；陜西省住建廳建設科技計劃管理項目（2015-K14）

Abstract: When air source heat pump is applied in the wet and cold areas in winter, the surface of the evaporator fin is easy to frosting, which affects its operation efficiency. In this paper, a new method is developed to improve the existing super hydrophobic surface preparation technology, to prepare an aluminum based surface with an average contact angle of 154.6°, and to build a forced convection experimental system for cold plate refrigeration. To super hydrophobic aluminum surface and conventional aluminum surface in the temperature of 0 ℃ to 15 ℃, wind speed is 1 m/s to 3 m/s of frosting and defrosting was studied. It is concluded that the surface of super hydrophobic water can effectively inhibit the formation of condensation water droplets and frost layers, and has good water drainage, and the wind speed has little influence on the formation of frost layers.
Keywords: super hydrophobic surface, air source heat pump, frost suppression, defrosting

1 引言 

      在我國很多南方城市，冬季濕冷，空氣源熱泵的室外機會出現不同程度的結霜問題。霜層的存在會嚴重影響熱泵機組的運行，降低機組的COP，嚴重時甚至導致機組停機^[1-2] 。因此,需要采取一些措施對熱泵機組的室外機進行除霜，以確保機組的正常運行。目前國內外常用的針對空氣源熱泵室外機的除霜方法主要有電加熱除霜、逆循環除霜、熱氣旁通除霜和蓄能除霜。其中，電加熱除霜過程耗能較多，且用于除霜的有效熱能較少，熱能利用率低^[3] ；采用逆循環除霜時，室內溫度下降，影響舒適度，且四通換向閥的頻繁轉換會使系統壓力產生很大的波動，縮短機組的使用壽命；熱氣旁通除霜時，融霜時間較長，制冷劑蒸汽的過熱度較低，容易出現壓縮機吸氣帶液，造成液擊危險^[4] ；蓄能除霜系統的初投資高，且難以找到一種既經濟實惠、蓄熱能力強又可靠的蓄能材料。如果能找到一種從根本上進行抑霜的方法，既不影響熱泵系統的運行，又能延緩或抑制霜層的形成，那么空氣源熱泵的使用性能將會極大提高，使用范圍也會得到推廣。本課題組受超疏水技術啟發，對翅片表面進行改性處理，通過實驗方法研究其抑霜性能。

2 實驗部分

      2.1 超疏水鋁基的制備

      經過對比分析，本文采用氫氟酸和鹽酸進行化學刻蝕、用氟硅烷進行表面修飾的方法進行超疏水鋁基表面的制備^[5] 。同時制備多個鋁基時，各個鋁片之間會相互重疊，從而導致刻蝕、修飾不均勻和清洗不徹底等問題，將鋁基做成如圖1所示的樣品，其中單個鋁基的尺寸為6cm×2cm。之后采用德國KRUSS公司DSA30型接觸角測量儀測量了水滴在實驗各個階段鋁基表面的接觸角。實驗中水滴的體積為2.5μL。每個樣品隨機取9個測點，測試結果如下圖2所示。

      如圖2（a）所示，未經過任何處理的常規鋁片表面的水滴接觸角為80°左右，屬于親水表面，水滴在其表面呈現為半球狀。經過打磨后接觸角降低到了70°左右，如圖2（b）所示，水滴在其表面呈現為球冠狀。用丙酮和甲醇超聲清洗后，接觸角提高到了90°左右，水滴在其表面呈現為球缺狀，如圖2（c）所示。當鋁基表面被氫氟酸和鹽酸刻蝕后，親水性大大提高，水滴在其表面幾乎處于平鋪狀態，接觸角只有大約5°，如圖2（d）所示。最后，當用氟硅烷對鋁基表面進行修飾后，水滴在其表面為圓球形狀，如圖2（e）所示。經測試，水滴在鋁基表面的接觸角大于150°，鋁基表面呈現出超疏水性。圖3為不同處理階段水滴在鋁基表面的平均接觸角數據匯總圖。

      為了尋找最佳的硅烷修飾時間，對不同修飾時長的鋁片進行了水滴接觸角測試，得到的測試數據如圖4所示。從曲線中可以看出，當修飾時間為40min時，超疏水表面的水滴接觸角最大，平均達到154.6°。圖5為實驗所制備的超疏水鋁基表面的電鏡掃描圖，從圖中可以清晰地看到很多矩形凸臺和凹坑構成的小臺階，這些臺階深淺不一、相互貫通，形成了類似“迷宮”的結構。進一步放大可以看到，在微米級的大凸臺上面分布著一些納米級的小凸臺，小凸臺層層疊加，呈臺階狀分布，這表明實驗所制備的超疏水鋁基表面已經形成了微納雙重結構。這種微納雙重結構，使水滴不能與鋁基表面完全接觸，形成了較高的靜態接觸角。

      2.2 抑霜性能測試實驗系統和方法

      為了測試超疏水鋁基表面的抑霜性能，本文搭建了半導體制冷系統試驗臺，如圖6所示。該實驗臺分為半導體冷板制冷系統和變風速送風系統。變風速送風系統由風管、變速風機、整流柵等組成，調速器控制變速風機、調節送風速度，整流柵和紗網用來均勻風管內風速。半導體冷板系統由半導體冷板、溫控器、冷卻水循環泵和冷卻水箱組成，溫控器檢測冷板表面溫度，并調節循環水量控制冷板表面溫度到設定值。整個系統放置在密閉空間，用加濕裝置控制空間內的相對濕度。

      通過實地測量，發現冬季空氣源熱泵室外機翅片空氣入口處的風速在1m/s~3m/s之間，本文通過調節風機調速器，分別將送風速度設定為1m/s、2m/s和3m/s。設定好風速后，將粘有待測鋁基樣品和薄膜溫度傳感器的銅板豎向放置在亞克力風管的中心軸處，通過調節溫控開關，將銅板表面的溫度設置為0℃，之后每組實驗溫度降低1℃，直到降至-15℃，用攝像機記錄鋁基表面的結霜過程。實驗過程中，室內環境溫度為10℃，相對濕度控制在70%左右。

3 實驗結果與討論

      3.1 風速為2m/s鋁基表面的結霜實驗

      以空氣流速為2m/s為例，研究隨著溫度的降低，普通鋁基和超疏水鋁基表面的水蒸氣相變過程。實驗中發現，當冷板溫度分別為0℃、-1℃、-2℃時，冷板表面僅出現水蒸氣的凝結現象，且超疏水鋁基表面出現冷凝水滴的時間明顯晚于常規鋁基。圖7（a）和（b）分別為兩種鋁基表面出現冷凝水滴的具體時間和效果圖。從圖中可以看出，常規鋁基表面的冷凝水滴數量多、體積大，而超疏水鋁基表面的冷凝水滴較為細小，有些區域甚至肉眼不可見。

      當鋁基表面溫度為-3℃、-4℃時，鋁基表面先出現冷凝水珠，然后冷凝水珠凝固為冰珠。兩種鋁基表面的冰珠分布與冷凝水珠分布相似：常規鋁基表面的冰珠數量多、體積大，而超疏水鋁基表面的冰珠體積較為細小，如圖8所示。

      當鋁基表面溫度為-5℃時，鋁基表面先出現一層肉眼可觀察到的細小水珠薄膜，之后被生成的針狀霜層掩蓋。

      當鋁基表面溫度低于-5℃時，兩種鋁基表面直接生成針狀霜層。由圖9（a）可知，超疏水鋁基表面出現針狀霜層的時間比常規鋁基晚，有明顯延緩結霜的效果。圖9（b）為兩種鋁基表面結霜現象的對比圖，從圖中可以看出，常規鋁基表面的霜層濃密，厚度大，而超疏水鋁基表面的霜層相對而言比較輕薄，厚度小，抑霜效果較為明顯。

      3.2 風速對鋁基表面結霜過程的影響測試實驗

      本文對比了當溫度低于-5℃，風速分別為1m/s、2m/s和3m/s時兩種鋁基表面出現針狀霜層的時間，如圖10所示。其中（a）為常規鋁基，當溫度較高時，風速越大，鋁基表面的霜層出現的越早。原因是隨著風速的增大，鋁基和附近空氣的換熱速度增大，加快了空氣中水蒸氣的凝華現象，霜層生成速度加快。隨著溫度的降低，風速對霜層的影響逐漸減弱。原因是鋁基表面溫度越低，空氣中水蒸氣凝華成霜的速度越快，風速的影響越小。（b）為超疏水鋁基，從圖中可以看出，不同風速下，超疏水鋁基表面出現霜層的時間沒有太大的改變。原因是當風速增大時，一方面增大了對流換熱速度，另一方面，由于形成的霜層較為輕薄，會被空氣吹走，并且風速越大，這一現象越明顯。

4 結論

      本文首先對現有的超疏水鋁基制備技術進行了改進，制備出平均接觸角高達154.6°的超疏水鋁基表面，然后搭建了半導體制冷系統試驗臺，對其表面的抑霜性能進行測試，得出以下結論：

      （1）利用氫氟酸和鹽酸進行化學刻蝕、用氟硅烷進行表面修飾的方法可以制備出接觸角較高的超疏水表面，而且當修飾時間為40min時效果最佳。

      （2）當溫度為0℃至-2℃時，鋁基表面會出現冷凝水珠，隨著溫度的降低，出現冷凝水珠的時間越來越早。超疏水鋁基表面較常規鋁基表面而言，出現冷凝水珠的時間有明顯的延遲。當溫度為-3℃至-4℃時，兩種鋁基表面先出現冷凝水珠，然后冷凝水珠凍結成冰珠。超疏水鋁基表面的冰珠體積細小，數量少，而常規鋁基表面的水珠體積大，數量多；當溫度低于-5℃時，兩種鋁基表面直接出現針狀霜層，且隨著溫度的降低，出現霜層的時間越來越早，同一時刻，出現在超疏水鋁基表面的霜層厚度更小。

      （3）風速的變化對常規鋁基表面霜層的形成有較大的影響，當風速變大時會加速霜層的形成。對超疏水鋁基而言，風速的增大一方面會加劇鋁基周圍空氣中水蒸氣的相變，另一方面會將已經形成的輕薄霜層吹散。所以綜合起來對霜層的形成時間影響不大。 

參考文獻

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      [2] 王偉, 張富榮, 郭慶慈, 等. 空氣源熱泵在我國應用結霜區域研究[J]. 湖南大學學報, 2009(12): 9-13
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      [4] 黃東, 袁秀玲. 風冷熱泵冷熱水機組熱氣旁通除霜與逆循環除霜性能對比[J]. 西安交通大學學報, 2006,40(5): 539-543
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      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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