一种超疏水铝基表面抑霜性能的实验研究

长安大学 建筑环境与能源应用工程系  王兴龙  谷雅秀  温婷婷

      【摘  要】空气源热泵在冬季湿冷地区应用时，室外蒸发器翅片表面容易结霜，影响其运行效率。本文改进了现有超疏水表面制备方法，制备出平均接触角高达154.6°的铝基表面，搭建了半导体冷板制冷强制对流实验系统，对超疏水铝基表面和常规铝基表面在温度为0℃至-15℃、风速为1m/s至3m/s时的结霜性和融霜性进行了实验对比研究，得出了超疏水表面能够有效抑制冷凝水滴和霜层的形成、并且具有较好的自洁性以及风速对霜层的形成影响不大等结论。

      【关键词】超疏水表面；空气源热泵；抑霜；融霜

      【基金项目】陕西省自然科学基金面上项目（2018JM5084）；陕西省住建厅建设科技计划管理项目（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 

      在我国很多南方城市，冬季湿冷，空气源热泵的室外机会出现不同程度的结霜问题。霜层的存在会严重影响热泵机组的运行，降低机组的COP，严重时甚至导致机组停机^[1-2] 。因此,需要采取一些措施对热泵机组的室外机进行除霜，以确保机组的正常运行。目前国内外常用的针对空气源热泵室外机的除霜方法主要有电加热除霜、逆循环除霜、热气旁通除霜和蓄能除霜。其中，电加热除霜过程耗能较多，且用于除霜的有效热能较少，热能利用率低^[3] ；采用逆循环除霜时，室内温度下降，影响舒适度，且四通换向阀的频繁转换会使系统压力产生很大的波动，缩短机组的使用寿命；热气旁通除霜时，融霜时间较长，制冷剂蒸汽的过热度较低，容易出现压缩机吸气带液，造成液击危险^[4] ；蓄能除霜系统的初投资高，且难以找到一种既经济实惠、蓄热能力强又可靠的蓄能材料。如果能找到一种从根本上进行抑霜的方法，既不影响热泵系统的运行，又能延缓或抑制霜层的形成，那么空气源热泵的使用性能将会极大提高，使用范围也会得到推广。本课题组受超疏水技术启发，对翅片表面进行改性处理，通过实验方法研究其抑霜性能。

2 实验部分

      2.1 超疏水铝基的制备

      经过对比分析，本文采用氢氟酸和盐酸进行化学刻蚀、用氟硅烷进行表面修饰的方法进行超疏水铝基表面的制备^[5] 。同时制备多个铝基时，各个铝片之间会相互重叠，从而导致刻蚀、修饰不均匀和清洗不彻底等问题，将铝基做成如图1所示的样品，其中单个铝基的尺寸为6cm×2cm。之后采用德国KRUSS公司DSA30型接触角测量仪测量了水滴在实验各个阶段铝基表面的接触角。实验中水滴的体积为2.5μL。每个样品随机取9个测点，测试结果如下图2所示。

      如图2（a）所示，未经过任何处理的常规铝片表面的水滴接触角为80°左右，属于亲水表面，水滴在其表面呈现为半球状。经过打磨后接触角降低到了70°左右，如图2（b）所示，水滴在其表面呈现为球冠状。用丙酮和甲醇超声清洗后，接触角提高到了90°左右，水滴在其表面呈现为球缺状，如图2（c）所示。当铝基表面被氢氟酸和盐酸刻蚀后，亲水性大大提高，水滴在其表面几乎处于平铺状态，接触角只有大约5°，如图2（d）所示。最后，当用氟硅烷对铝基表面进行修饰后，水滴在其表面为圆球形状，如图2（e）所示。经测试，水滴在铝基表面的接触角大于150°，铝基表面呈现出超疏水性。图3为不同处理阶段水滴在铝基表面的平均接触角数据汇总图。

      为了寻找最佳的硅烷修饰时间，对不同修饰时长的铝片进行了水滴接触角测试，得到的测试数据如图4所示。从曲线中可以看出，当修饰时间为40min时，超疏水表面的水滴接触角最大，平均达到154.6°。图5为实验所制备的超疏水铝基表面的电镜扫描图，从图中可以清晰地看到很多矩形凸台和凹坑构成的小台阶，这些台阶深浅不一、相互贯通，形成了类似“迷宫”的结构。进一步放大可以看到，在微米级的大凸台上面分布着一些纳米级的小凸台，小凸台层层叠加，呈台阶状分布，这表明实验所制备的超疏水铝基表面已经形成了微纳双重结构。这种微纳双重结构，使水滴不能与铝基表面完全接触，形成了较高的静态接触角。

      2.2 抑霜性能测试实验系统和方法

      为了测试超疏水铝基表面的抑霜性能，本文搭建了半导体制冷系统试验台，如图6所示。该实验台分为半导体冷板制冷系统和变风速送风系统。变风速送风系统由风管、变速风机、整流栅等组成，调速器控制变速风机、调节送风速度，整流栅和纱网用来均匀风管内风速。半导体冷板系统由半导体冷板、温控器、冷却水循环泵和冷却水箱组成，温控器检测冷板表面温度，并调节循环水量控制冷板表面温度到设定值。整个系统放置在密闭空间，用加湿装置控制空间内的相对湿度。

      通过实地测量，发现冬季空气源热泵室外机翅片空气入口处的风速在1m/s~3m/s之间，本文通过调节风机调速器，分别将送风速度设定为1m/s、2m/s和3m/s。设定好风速后，将粘有待测铝基样品和薄膜温度传感器的铜板竖向放置在亚克力风管的中心轴处，通过调节温控开关，将铜板表面的温度设置为0℃，之后每组实验温度降低1℃，直到降至-15℃，用摄像机记录铝基表面的结霜过程。实验过程中，室内环境温度为10℃，相对湿度控制在70%左右。

3 实验结果与讨论

      3.1 风速为2m/s铝基表面的结霜实验

      以空气流速为2m/s为例，研究随着温度的降低，普通铝基和超疏水铝基表面的水蒸气相变过程。实验中发现，当冷板温度分别为0℃、-1℃、-2℃时，冷板表面仅出现水蒸气的凝结现象，且超疏水铝基表面出现冷凝水滴的时间明显晚于常规铝基。图7（a）和（b）分别为两种铝基表面出现冷凝水滴的具体时间和效果图。从图中可以看出，常规铝基表面的冷凝水滴数量多、体积大，而超疏水铝基表面的冷凝水滴较为细小，有些区域甚至肉眼不可见。

      当铝基表面温度为-3℃、-4℃时，铝基表面先出现冷凝水珠，然后冷凝水珠凝固为冰珠。两种铝基表面的冰珠分布与冷凝水珠分布相似：常规铝基表面的冰珠数量多、体积大，而超疏水铝基表面的冰珠体积较为细小，如图8所示。

      当铝基表面温度为-5℃时，铝基表面先出现一层肉眼可观察到的细小水珠薄膜，之后被生成的针状霜层掩盖。

      当铝基表面温度低于-5℃时，两种铝基表面直接生成针状霜层。由图9（a）可知，超疏水铝基表面出现针状霜层的时间比常规铝基晚，有明显延缓结霜的效果。图9（b）为两种铝基表面结霜现象的对比图，从图中可以看出，常规铝基表面的霜层浓密，厚度大，而超疏水铝基表面的霜层相对而言比较轻薄，厚度小，抑霜效果较为明显。

      3.2 风速对铝基表面结霜过程的影响测试实验

      本文对比了当温度低于-5℃，风速分别为1m/s、2m/s和3m/s时两种铝基表面出现针状霜层的时间，如图10所示。其中（a）为常规铝基，当温度较高时，风速越大，铝基表面的霜层出现的越早。原因是随着风速的增大，铝基和附近空气的换热速度增大，加快了空气中水蒸气的凝华现象，霜层生成速度加快。随着温度的降低，风速对霜层的影响逐渐减弱。原因是铝基表面温度越低，空气中水蒸气凝华成霜的速度越快，风速的影响越小。（b）为超疏水铝基，从图中可以看出，不同风速下，超疏水铝基表面出现霜层的时间没有太大的改变。原因是当风速增大时，一方面增大了对流换热速度，另一方面，由于形成的霜层较为轻薄，会被空气吹走，并且风速越大，这一现象越明显。

4 结论

      本文首先对现有的超疏水铝基制备技术进行了改进，制备出平均接触角高达154.6°的超疏水铝基表面，然后搭建了半导体制冷系统试验台，对其表面的抑霜性能进行测试，得出以下结论：

      （1）利用氢氟酸和盐酸进行化学刻蚀、用氟硅烷进行表面修饰的方法可以制备出接触角较高的超疏水表面，而且当修饰时间为40min时效果最佳。

      （2）当温度为0℃至-2℃时，铝基表面会出现冷凝水珠，随着温度的降低，出现冷凝水珠的时间越来越早。超疏水铝基表面较常规铝基表面而言，出现冷凝水珠的时间有明显的延迟。当温度为-3℃至-4℃时，两种铝基表面先出现冷凝水珠，然后冷凝水珠冻结成冰珠。超疏水铝基表面的冰珠体积细小，数量少，而常规铝基表面的水珠体积大，数量多；当温度低于-5℃时，两种铝基表面直接出现针状霜层，且随着温度的降低，出现霜层的时间越来越早，同一时刻，出现在超疏水铝基表面的霜层厚度更小。

      （3）风速的变化对常规铝基表面霜层的形成有较大的影响，当风速变大时会加速霜层的形成。对超疏水铝基而言，风速的增大一方面会加剧铝基周围空气中水蒸气的相变，另一方面会将已经形成的轻薄霜层吹散。所以综合起来对霜层的形成时间影响不大。 

参考文献

      [1] Yao Y., Jiang Y.Q., Deng S.M., et al. A Study On the Performance On the Air-side Heat Exchanger Under Frosting in Air-source Heat Pump Water Heater/Chiller Unit[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004,47(17-18):3745-3756
      [2] 王伟, 张富荣, 郭庆慈, 等. 空气源热泵在我国应用结霜区域研究[J]. 湖南大学学报, 2009(12): 9-13
      [3] Ji Young Janga, Heung Hee Baea, Seung Jun Lee, et al. Continuous Heating of An Air-source Heat Pump During Defrosting and Improvement of Energy Efficiency[J]. Applied Energy, 2013,110:9-16
      [4] 黄东, 袁秀玲. 风冷热泵冷热水机组热气旁通除霜与逆循环除霜性能对比[J]. 西安交通大学学报, 2006,40(5): 539-543
      [5] 李艳峰，于志家，于跃飞，等. 铝合金基体上超疏水表面的制备[J]. 高校化学工程学报, 2008,22(1):624-627.

      备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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