新型鋁翅片表面凝露性能的研究進展

何 松

(廣東工業大學 土木與交通工程學院,廣東 廣州 510006)

1 引言

隨著社會的發展和人們生活水平的提高，室內空氣質量越來越受到關注。溫度、濕度和空氣清潔度是評價室內空氣環境的主要參數。當建筑的濕度超過一定水平時，不僅會影響人們的舒適度，還會導致真菌的生長，不利于人們的生產生活。目前90%以上的室內空氣除濕系統都是基于空調對空氣進行冷凝除濕[1]。為了滿足室內濕度的舒適性，傳統空調系統會將蒸發冷卻溫度維持在遠低于空氣露點溫度。在大多數情況下，冷卻除濕后的空氣需經過再加熱過程，以保證室內的熱舒適性[2]，存在嚴重能源浪費，不滿足綠色建筑的發展要求。據報道，空調系統能耗占發達國家建筑能耗的50%以上[3]。空調負荷一般包括顯熱負荷和潛熱負荷，潛熱負荷通常占空調總負荷的70%[4]。因此，空調系統除濕性能的改善對建筑節能具有重大意義。

在目前的研究中，改變換熱器翅片表面的物理或化學性質，可以獲得不同潤濕性表面，包括疏水表面、親水表面和疏水-親水復合表面[5]。選取新型潤濕性鋁翅片中除濕性能較好的應用在空調領域是當下研究的熱點。空調系統將蒸發冷卻溫度降低到空氣露點溫度以下，通過冷凝作用進行空氣除濕。在除濕量相同的情況下，新型鋁翅片換熱器的蒸發溫度可大大高于傳統鋁翅片換熱器，無需再進行空氣加熱。

本文綜述了空調換熱器鋁翅片表面疏水-親水復合涂層的研究進展。本綜述的目的是：總結現有的研究成果，分析除濕方法的特點，為后續研究人員提供參考；提出了空調領域除濕研究的潛力和建筑節能的意義。

2 濕潤表面種類

有研究表明[6]，水分子在親水表面具有較高的凝露成核速率，疏水表面則具有更好的傳熱性能。在空調換熱器中，冷凝翅片表面既要有高的成核能力，又要有高效的液滴流動性，才能提高水蒸汽凝結的傳熱性能。因此，研究者們引入了疏水-親水混合表面。

2.1 仙人掌模型

受自然界仙人掌的啟發，通過親水的針尖捕獲水分子，然后通過疏水的表面運輸到根部。Bikash等人[7]制備了超疏水-復合親水表面如圖1所示，由于潤濕性和溫度的差異，凝露現象首先發生在針尖上，隨著液滴體積的增長，針上的液滴一直保持Cassie狀態，不會潤濕下面的超疏水表面；通過實驗發現，復合表面的水蒸氣凝露速率是普通銅表面的4倍，是沒有親水型特征的超疏水表面的2倍。Ju等[8]結合機械射孔和模板復制技術，制備了仙人掌模型的表面，水蒸氣在親水針尖上凝結，然后向下移動到疏水表面，他們的研究提供了一條吸附濕空氣中水分子的有效新途徑，可運用于室內空調系統的除濕領域。

圖1 復合表面的凝露現象

2.2 莖葉草模型

受莖葉草的啟發，通過親水的葉子捕獲水分子，通過疏水的莖來運輸。Mahapatra等[9]制備了如圖2所示的表面，分為親水區和疏水區，濕空氣中水分子親水區凝結后由疏水區排走，研究表明，這種表面不僅可大幅度增加表面的凝露性能[9]，傳熱性能可提高30%以上。

圖2 莖葉草模型表面凝露現象

3 新型翅片在空調領域的應用

空調系統在夏季運行的時候，蒸發器上的換熱翅片表面溫度會低于空氣露點溫度，濕空氣中的部分水分子會凝結到翅片表上面[10]。根據翅片表面的不同潤濕性，蒸發器上換熱翅片表面的凝露現象可分為珠狀凝結、膜狀凝結。不同的凝露方式會影響濕空氣中水分在蒸發器換熱翅片上的傳熱傳質性能。新型翅片對空調換熱器的影響吸引了大批研究者。Ma等[11]研究了親水涂層對換熱器性能的影響，發現親水涂層對傳熱性能的影響主要與冷凝水的流動狀態有關，當有大量冷凝水流動時，親水涂層可以提高傳熱性能，當有少量凝結水在翅片表面形成時，親水涂層會降低傳熱性能；凝露過程中親水型涂層翅片換熱器兩側的壓降小于普通翅片換熱器，最大減少44%。Wang等[12]通過化學氧化和化學劑修飾的方法制備了一種新型超疏水換熱翅片，實驗測試結果顯示，在相同工況條件下，超疏水翅片換熱器的制冷量和換熱系數分別比傳統換熱器高出8%和2%。

4 結語

傳統空調除濕能力弱、能耗高，不能滿足人們的要求。通過對空調換熱器翅片的優化可以提高空調除濕能力，以達到節能、舒適的效果。本文綜述了翅片被涂層改性后的新型換熱器。疏水-親水涂層換熱器廣泛應用于空調除濕領域。復合型疏水-親水涂層翅片表面比單一的疏水或親水翅片表面具有更好的除濕性能。