親水涂層對微通道換熱器空氣側性能的影響

劉鹿鳴，施駿業，王穎，葛方根，汪峰，魏慶奇，陳江平

（1-上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2-浙江盾安人工環境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-天津三電汽車空調有限公司，天津 300385）

親水涂層對微通道換熱器空氣側性能的影響

劉鹿鳴*1，施駿業1，王穎1，葛方根2，汪峰2，魏慶奇3，陳江平1

（1-上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2-浙江盾安人工環境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-天津三電汽車空調有限公司，天津 300385）

對微通道換熱器進行了親水表面處理，并對其性能進行了實驗研究，分析了親水處理對微通道換熱器濕工況性能的影響。實驗表明，親水處理對換熱器性能有利：與無涂層換熱器相比，親水處理換熱器換熱量最多增大7.0%，壓降減小0.7%～18.9%。而隨著翅片間距的減小和芯體厚度的增加，親水處理帶來的性能提升減弱。

微通道換熱器；表面處理；換熱性能；壓降

0 引言

微通道換熱器具有重量輕、結構緊湊、換熱效率高、內容積小的優點，在汽車空調領域已經得到廣泛應用[1]。近年來，微通道換熱器開始越來越多地應用在家用和商用空調上面[2]，這就要求其在熱泵工況下穩定運行[3]。當微通道換熱器用作蒸發器時，換熱器翅片表面溫度若低于空氣露點溫度，翅片上面就會產生冷凝水，而微通道換熱器翅片多為百葉窗翅片，極容易被水滴堵塞惡化換熱。微通道換熱器排水問題亟需解決。

換熱器的排水特性主要與其翅片形式、間距[4]以及翅片材料表面接觸角[5]有關。由于改變翅片間距會直接影響換熱器性能，而且新開翅片模具費用昂貴，故相比而言，研究表面處理對換熱器排水性能的影響比較有意義。傳統管片式換熱器多采用親水鋁箔[6]，MA X K、WANG C C和楊強等[7-10]研究了析濕工況下親水層對管片式換熱器空氣側性能的影響，結果說明表面涂層可以降低空氣側的壓降，而對換熱器性能的影響取決于換熱器翅片結構參數和實驗工況。MOALLEM E等[11]研究了親水處理對微通道換熱器結霜工況下性能的影響，結果表明在結霜工況下經過親水換熱器換熱量提升最多15%。CHO H等[12]研究表明親水處理對蒸發器制冷量有很小的貢獻。現在針對表面處理對微通道換熱器空氣側性能影響的研究并不多，也并沒有定論親水處理對微通道換熱器性能是否有利。

本文將親水處理的微通道換熱器在不同工況下與原換熱器進行性能對比，研究了親水處理對換熱器濕工況性能的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置系統如圖1所示。該系統主要由放置在封閉的環境艙內的空氣回路、冷水回路、數據采集模塊以及控制終端構成。實驗過程中，樣件安裝于風洞出口，由風洞內的噴嘴控制風量，環境溫、濕度由空調系統和加熱加濕系統控制，冷水回路的水溫由恒溫水槽控制。一個攝像機被放置在換熱器空氣側出口用于拍攝換熱器表面凝水的情況，換熱器下部放置有接水槽，用于儲存換熱器凝水。

圖1 實驗系統示意圖

系統空氣側和水側進出口狀態由多個溫度壓力傳感器測量并由電腦自動控制，通過計算換熱器的空氣側進出口焓差及水側的進出口焓差來測量樣件的換熱能力，一般認為換熱器單體實驗空氣側換熱能力與水側換熱能力相差在 5%之內實驗結果才有效。實驗臺各傳感器精度如表 1所示，根據MOFFAT R J的誤差分析方法[13]可以計算出實驗臺對于換熱器換熱量測量的不確定度為3.5%。

表1 實驗臺主要傳感器精度

2 實驗對象、工況及數據處理方法

2.1 實驗對象及工況

微通道換熱器由百葉窗翅片和微通道扁管組成，百葉窗翅片的結構如圖2所示。微通道扁管兩端分別連接上下集流管，冷媒從集流管一端流入另一端流出。

圖2 百葉窗翅片的結構

研究對象為3個未經表面處理和3個經過親水處理的換熱器，換熱器編號及結構參數如表2所示。

表2 實驗樣件的結構參數

換熱器經脫脂、浸泡、甩干、烘干等步驟得到均勻致密的表面膜層，所得到的親水膜很薄，對翅片厚度和翅片間距影響很小。

實驗測試工況見表3。

表3 實驗工況表

2.2 數據處理方法

空氣側壓降通過壓差傳感器直接獲得，換熱器換熱量通過空氣側和水側換熱量取平均數得到。

式中：

Qm——換熱器換熱量；

Qa——空氣側換熱量；

Qw——水側換熱量；

ma——空氣質量流量；

ia,in——空氣入口焓；

ia,out——空氣出口焓；

mw——水流量；

iw,out——水出口焓；

iw,in——水入口焓。

3 實驗結果及分析

圖3為不同風速下無涂層換熱器和親水處理換熱器換熱量比較，采用無量綱數作為衡量標準。

式中：

kQ——換熱量比；

Qcoated——表面處理換熱器換熱量；

Quncoated——原換熱器換熱量。

從無量綱數kQ可以看出，親水處理芯體的換熱量相比同尺寸無涂層樣品增大。3個親水涂層樣件相比無涂層樣件換熱量上升最多7.0%，僅在一個工況點下降0.8%。實驗中翅片凝水的照片如圖4所示，可以看到，凝水在親水涂層上結合呈現膜狀，而通過觀察發現，凝水在無涂層換熱器上呈現一個個小水滴。親水涂層強化換熱是因為凝水在親水膜上形成一層水膜并且水膜快速流下，而無涂層換熱器的凝水以水珠的形式增加了翅片的粗糙度，在一定程度上也能夠增強換熱。在高風速時，無涂層換熱器翅片上的小水珠同樣具有較好的流動性，故其換熱能力相比親水涂層換熱器差得不多，無量綱數kQ趨近于1；而當風速較低時，親水膜流動性的優勢比較明顯，故換熱能力提高比較明顯。可以看到，隨著翅片間距的減小，換熱量無量綱數下降1.1%到2.2%；隨著芯體厚度的增大，換熱量無量綱數下降1.1%到3.2%。這是因為，隨著翅片間距的減小和芯體厚度的增加，水膜在翅片間的流動性降低，水膜流動對換熱能力的增強也降低，而無涂層換熱器的凝水仍然可以以水珠的形式增加翅片的粗糙度來增強換熱。

圖 5為兩種換熱器在不同工況下的壓降比較，同樣采用無量綱數作為衡量標準：

其中，kΔp為壓降比，Δpcoated為表面處理換熱器壓降，Δpuncoated為原換熱器壓降。

圖3 換熱量隨風速的變化

圖4 換熱器空氣側冷凝照片

圖5 壓降隨風速的變化

從無量綱數kΔp上可以看出，親水處理芯體的壓降相比同結構尺寸無涂層換熱器降低。3個親水涂層樣件壓降降低 0.7%～18.9%。與換熱量體現出的規律一致，隨著翅片間距的減小，親水涂層樣品的壓降無量綱數增加4.4%～6.0%；隨著芯體厚度的增加，親水涂層樣品的壓降無量綱數增加11.3%～12.2%。水膜流動性的降低造成了親水處理換熱器翅片間的凝水增多，從而壓降增大。

4 結論

通過對不同結構參數的微通道換熱器進行親水表面處理，而后對其性能進行對比，研究了不同親水處理對微通道換熱器濕工況性能的影響。結論如下：

1) 親水處理對換熱器性能有利。在不同工況下，親水涂層換熱器相比同結構無涂層換熱器換熱量最多上升7%，且僅在一個工況點下降0.8%；壓降相比無涂層換熱器降低0.7%到18.9%；

2) 減小翅片間距和增大芯體厚度不利于親水性能的發揮。隨著翅片間距的減小和芯體厚度的增加，親水涂層換熱器的換熱量無量綱數下降1.1%到3.2%，壓降無量綱數上升4.4%到12.2%。

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Influence of Hydrophilic Coating on the Air Side Performance of Microchannel Heat Exchanger

LIU Lu-ming*1, SHI Jun-ye1, WANG Ying1, GE Fang-gen2, WANG Feng2, WEI Qing-qi3, CHEN Jiang-ping1
(1-School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2-Zhejiang Dunan Artificial Environment Co., Ltd. Hangzhou, Zhejiang 310051, China; 3-Tianjin Sanden Auto Air-conditioning Co., Ltd. Tianjin 300385)

The surface of the microchannel heat exchanger was dealt with hydrophilic coating; the performance of microchannel heat exchanger with hydrophilic surface coating was experimentally studied under different conditions, and the influence of hydrophilic coating on the performance of the heat changer under wet conditions was analyzed. The results indicated that hydrophilic surface coating has good effects on air side performance: the heat transfer capacity increases by a maximum of 7.0% and the pressure drop decreases by 0.7% ～ 18.9%. With the decrease of fin pitch and the increase of tube height, the performance improvement caused by hydrophilic surface coating decreases.

Microchannel heat exchanger; Surface coating; Heat transfer performance; Pressure drop

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.102

*劉鹿鳴（1990-），男，碩士研究生。研究方向：汽車熱系統。聯系地址：上海市閔行區東川路800號上海交通大學熱動樓C棟359室，郵編：200240。聯系電話：18502127629。E-mail：lmliusjtu@163.com。