石墨烯電熱涂層在熱泵機組抑霜/除霜上的應用研究

周國峰，單雅婷，劉明輝

(華北水利水電大學環境與市政工程學院，鄭州 450046)

常規的除霜方法是逆循環除霜，該種方式局限性很大且以大量的能耗為代價，不符合空氣源熱泵節能減排的初衷，不利于我國清潔能源政策的推進。

國內外很多學者已經對超疏水涂層的性能進行了研究。實驗表明[1-3]疏水性涂層上很容易發生液滴的凝并，而且布朗凝并速度很快，液滴的凝結狀態模型為Cassie模型，能夠延緩液滴凍結，生成的霜晶較為矮小，抑霜效果明顯。Rahman等[4]實驗證明疏水黃銅表面，可以延緩霜層生長，其微槽結構使得翅片表面排水能力更強。張青莉[5]以特氟龍+6wt%納米石墨作為疏水性涂層材料的換熱器翅片，在冬季濕度高、溫度低的惡劣條件下其抑制結霜能力優勢明顯。Sommers A D等[6]對比分析了不同表面的結霜狀況，發現疏水表面的霜層高度稍高，密度較為稀疏。梁彩華[7]等通過可視化研究發現接觸角越大抑霜效果越明顯，超疏水表面的霜層高度較親水性表面減少45%。疏水性涂層翅片的融霜排液能力較普通翅片高，通過壓縮機缸體的廢熱來對空氣進行預熱可以抑制結霜，提高機組制熱性能[8-9]。

為了更好地解決冬季運行結霜問題，本文通過改變換熱器翅片的表面特性，制備環氧樹脂石墨烯電熱涂層換熱器，把石墨烯超疏水涂層的抑霜性能與面狀加熱受熱均勻的特點相結合，通過模擬實驗對其進行能耗分析計算，尋找更為有效、節能的除霜方法，推動空氣源熱泵技術在今后的推廣與應用。

1 石墨烯復合涂層性能測試

1.1 石墨烯涂層的疏水性能

接觸角是通過顯微裝置觀察換熱器翅片的微觀結構來推測出其宏觀上的表現，石墨烯質量含量分別為2wt%和4wt%的接觸角大小分別為154°和160°，滯后角分別為7°和5°，接觸角越大，相變驅動力就越小，接觸角滯后是指液滴在物體表面的粘附能力[3]，數值越大，粘附力越強，故而水蒸氣更不容易在4wt%石墨烯涂層換熱器表面產生液化現象，且較容易冷凝成珠狀；隨著石墨烯比例增加，復合涂層的表面粗糙度由1.467增加到1.768，表面粗糙度會加強材料本身的疏水性能，由此可得4wt%石墨烯涂層的疏水性更勝一籌；表面能直接影響水滴在翅片表面的形狀，因為表面越大就越不穩定，水滴就會通過減少本身的比表面積來降低表面能以趨于穩定，宏觀上看就是材料本身的疏水性變得更強，普通鋁翅片的表面能為65.5 mN/m，2wt%石墨烯涂層的表面能為16.4 mN/m，而4wt%石墨烯涂層的表面能僅為6.5 mN/m。綜合以上考慮可得：含量為4wt%石墨烯具有更強的疏水性。

1.2 復合涂層的電熱性能及電阻性能

圖1 兩種涂層在三種電壓下的溫度與時間關系圖

由圖1可知，兩種涂層的溫升速率都與電壓成正相關，在同一電壓下，石墨烯含量越高，涂層的溫升速率越快，但4wt%石墨烯涂層在30 V的電壓下由于表面溫度過高，材料性質改變而失效。由此可得，石墨烯的含量對涂層在電壓作用下的的溫升速率及最后的穩定溫度影響很大。

另外，對電熱涂層進行低溫環境下的電阻穩定性試驗。設定初始溫度為25 ℃，運行后控制恒溫箱內環境溫度，每下降5 ℃進行一次電阻測量，直至降到-15 ℃結束測試，測量得到的電阻值如圖2所示。

圖2 測量得到的電阻值

經計算可得這兩種涂層材料的電阻值幾乎不會隨著溫度發生改變，電熱涂層電阻在除霜過程中能夠保持穩定，不會因為電阻值的改變而使除霜效率變低。綜合分析得環氧樹脂+2wt%石墨烯涂層的總體性能更加穩定。

2 石墨烯復合涂層的抑霜效果分析

2.1 熱泵換熱器結霜/融霜數值模型

本文的模擬對象為空氣源熱泵室外換熱器翅片。在室外換熱器表面結霜與融霜的過程中，通過設定不同表面特性的參數來改變不同的環境工況。模型換熱器翅片的基本參數見表1。

表1 模型換熱器翅片的基本參數

在模擬過程中，從室外換熱器截下的單管和單翅片模型如圖3所示，單個翅片尺寸參數見表2。

圖3 單管和單翅片模型

表2 單個翅片尺寸參數

為了簡化室外換熱器結霜模型，取單元翅片進行模擬[10]，各個單元都是相互對稱的。室外換熱器結霜模型如圖4所示，左側圖為翅片管換熱器結霜模型圖，右側圖為頂部局部放大圖。

1)從詞匯學習研究內容可以看出，研究更多關注于詞匯學習與其他變量的關系，通過研究對教學提出一定的啟示作用，但實際應用結果卻未有說明。對于英語詞匯學習研究和教學研究多數采用實驗證明后提出理論假設，雖然在實驗基礎上可能有效，但是否能夠適用于其他人群卻有待確認。因此，對于英語詞匯學習研究成果實際應用是否具有廣泛適用性值得進一步研究。

對換熱器進行霜層融霜模擬時，仍舊取其中一個單元翅片進行模擬，翅片管換熱器融霜模型如圖5。

2.2 空氣源熱泵室外換熱器表面抑霜模擬結果分析

設定T為0 ℃，V為1 m/s，空氣濕度RH為65%、75%和85%，對不同材料翅片模擬其結霜過程。不同濕度工況下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線如圖6所示。

圖4 室外換熱器結霜模型

圖5 翅片管換熱器融霜模型

由圖6得知，三種翅片表面的增長速率和結霜量都隨著相對濕度的增加而增大。常規鋁翅片結霜速度更接近線性，并且在60 min時，霜層厚度趨于平緩。另外，涂層表面初期的霜層增長較為緩慢，抑霜能力十分明顯。2wt%石墨烯涂層在50 min后，霜層增長開始變快，4wt%石墨烯涂層在前25 min的霜層厚度增長較2wt%石墨烯涂層快，隨著時間的延后，霜層厚度乎不發生變化，在60 min左右時抑霜能力開始減弱，結霜厚度才開始快速增長。

其次模擬環境溫度分別為0 ℃、-5 ℃和-10 ℃下換熱器表面的結霜過程。環境工況下設風速V為1 m/s，RH為75%，不同溫度工況下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線見圖7。

基于對圖7的分析可得：結霜速率和結霜厚度隨著室外溫度的降低而增大，但當溫度降至-10 ℃時，翅片上的結霜厚度反而有所下降，究其原因是當環境溫度低于-10 ℃時，空氣中的絕對含濕量較低。在同一溫度下，涂層表面的霜層厚度明顯比鋁表面低，而2wt%石墨烯涂層在55 min左右時抑霜效果失效，相比較來說4wt%石墨烯涂層的抑霜效果更好。

圖6 不同濕度工況下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線

最后模擬翅片在空氣流速分別為1 m/s、1.5 m/s和2 m/s時的結霜過程。環境工況下溫度設T為0 ℃，RH為75%，不同空氣流速下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線見圖8。

從圖8中可以看出，對于常規鋁翅片來說，空氣流速影響結霜量，但抑霜能力提升不是很明顯；對于涂層翅片來說，空氣流速較低時，增加空氣流速霜層增長速率明顯變緩，霜層厚度明顯下降，當流速增加至2 m/s時，抑霜能力提升的幅度不甚明顯。通過圖8(b)可以看到，當空氣流速為1.5 m/s時，前54 min霜層增長較為緩慢，之后霜層生長開始加快，而當空氣流速為2 m/s時，在整個結霜過程中翅片的結霜速度一直處于較低的水平，抑霜效果良好；通過圖8(c)可以分析出，4wt%石墨烯的抑霜效果更加突出。

圖7 不同溫度工況下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線

3 空氣源熱泵室外換熱器融霜模擬結果分析

利用Fluent軟件在環境溫度為0 ℃，相對濕度為75%，空氣流速為1 m/s的條件下對翅片管式換熱器的融霜過程進行模擬仿真。

3.1 涂層加熱與電熱絲加熱翅片融霜過程分析

假設霜層初始厚度為0.5 mm，密度為250 kg/m3，以1 400 W/m2的功率密度作為熱源輸入時對翅片模型進行融霜過程模擬，兩種翅片的融霜情況分析如下。涂層加熱方式霜層融化過程的熱量傳遞見圖9。

圖8 不同空氣流速下換熱器表面霜層厚度增長過程曲線

圖9 涂層加熱方式霜層融化過程的熱量傳遞

圖9(a)為涂層翅片霜層尚未融化時的溫度分布，右邊細長區域為翅片，與之緊緊相連部分為模擬霜層，此時的霜層全部為固態形式。圖9(b)和(c)為加熱一段時間之后翅片表面霜層各區域的溫度變化，熱量通過翅片以熱傳導的方式均勻傳遞給霜層使其融化，此時的熱量并未傳遞到整個霜層，大部分熱量都用來融化霜層。從圖9(d)可以看出，此時霜層大部分已經融化完成，底部霜層未完全融化是由于上部翅片霜層融化成水之后向下流動，由于室外溫度過低，使得水滴再次凝固成霜，此時已融化完成的翅片部分的熱量直接散失到空氣中。電熱絲加熱方式霜層融化過程的熱量傳遞見圖10。

圖10 電熱絲加熱方式霜層融化過程的熱量傳遞

圖10(a)為融霜開始的溫度分布，(b)和(c)為加熱一段時間的溫度分布，可以看到，與熱源(電熱絲)直接接觸部分，霜層融化很快，沒有與熱源直接接觸部分特別是上下兩端霜層融化很慢，翅片上的熱量傳遞不均勻，導致霜層融化情況也不均勻，圖10(d)中與熱源直接接觸部分已經融化完全，而其它部分特別是霜層頂部與底部兩部分的霜層才開始融化，熱源產生的熱量除了傳遞給翅片其它部分用于融霜之外，還有很大一部分直接散失到外界空氣中，這部分散失的能量占融霜總能量的比例開始逐漸增大，融霜效率下降。涂層加熱過程中霜層的相變過程見圖11，電熱絲加熱過程中霜層的相變過程見圖12。

從圖11中可以看到翅片上的熱量均勻推進給霜層，各部分霜層幾乎同時開始融化；而圖12用的是電熱絲加熱方式，熱量是由電熱絲部位傳遞給別處的翅片部位，這會導致與電熱絲直接接觸的部分率先融化，遠離電熱絲的翅片霜層融化較慢，各部分熱量分布迥異。

圖11 涂層加熱過程中霜層的相變過程

圖12 電熱絲加熱過程中霜層的相變過程

3.2 不同功率密度下室外換熱器的融霜時間

在霜層密度為250 kg/m3，霜層厚度為0.5 mm的工況下，通過輸入不同的功率密度，對石墨烯電涂層加熱和電熱絲加熱所需要的融霜時間進行對比分析，石墨烯涂層加熱與電熱絲加熱在不同化霜功率下所需要的融霜時間見圖13。

圖13 石墨烯涂層加熱與電熱絲加熱在不同化霜功率下所需要的融霜時間

從圖13分析可知，在同一輸入功率下，石黑烯涂層所需要的除霜時間要少于電阻絲加熱除霜，兩種除霜方式的除霜時間都隨著輸入功率的增大而縮短。從電熱絲加熱霜層的特點可知，電熱絲產生的熱量一部分用來加熱霜層，另一部分將熱量傳導給翅片其它部位，使其升溫融化霜層，能耗損失較大；而石墨烯涂層融霜時，整個翅片表面發熱均勻，霜層融化也十分均勻，能量利用較高，融霜速率較快。

3.3 輸入功率的增大對電加熱功耗的影響

設定導熱系數為0.63，模擬兩種不同的除霜方式在不同的功率密度下除霜結束時的能耗情況，電熱絲與電熱涂層的功耗隨輸入功率不同的變化曲線如圖14所示。

圖14 電熱絲與電熱涂層的功耗隨輸入功率不同的變化曲線

從圖14分析可知，采用電熱絲加熱方式的融霜能耗要大于電熱涂層，兩種融霜方式起初都隨著輸入功率的增加能耗呈線性降低趨勢，但當輸入功率增大到10 kW以上時，融霜能耗反而逆勢呈上升趨勢，兩種加熱方式的能耗均明顯增大，而電熱絲的能量損耗更多。原因是輸入功率過大，使得電熱絲附近的霜層迅速融化，此時遠離電熱絲部分的霜層并未完全融化，電熱絲產生的熱量除了熱傳導給翅片之外，還有很大一部分直接與空氣進行對流散熱，損耗增大。因此，存在一個最合適的輸入功率，可使化霜能耗最小。

4 基于涂層換熱器的空氣源熱泵系統運行效果分析

本文采取在T為0 ℃，V為1 m/s，TR為75%的環境工況下，通過模擬已有的實驗數據，對環氧樹脂+2wt%石墨烯涂層換熱器和鋁翅片換熱器進行結霜模擬，設定在霜層厚度為0.5 mm時觸發除霜機制，涂層換熱器用時60 min后觸發了除霜機制，而鋁翅片換熱器僅用了32 min就觸發了除霜機制；在融霜過程中，以1 000 W/m2的功率密度進行熱源導入時，常規鋁翅片換熱器完全融霜用了348 s，而涂層換熱器僅用了240 s，能耗從1.4 kW·h降至1.0 kW·h，節約能耗40%，除霜時間縮短了31%。在150 min內，涂層換熱器觸發了2次除霜機制，而普通換熱器觸發了3次除霜機制。另外，涂層換熱器比常規鋁翅片換熱器多了9.4 min的制熱時間，室內環境更加舒適。

5 結語

(1)環氧樹脂+4wt%石墨烯涂層換熱器冬季運行時相較于普通翅片來說表面結霜量更少，抑制霜層生長能力更好。

(2)利用Fluent軟件模擬在不同環境溫度、空氣流速和空氣相對濕度下，三種不同換熱器表面的結霜情況，三種影響因素對換熱器結霜均有影響，前兩種因素的影響較大，而環境濕度的影響相對較小。

(3)涂層加熱電熱絲加熱化霜時間的長短均與輸入功率成反比關系，隨著輸入功率的增加，兩者的除霜時間都不斷縮短。同一外部環境條件下，涂層的加熱融霜時間明顯更短。

總之，環氧樹脂+2wt%石墨烯涂層換熱器能有效延長系統穩定運行時間，達到除霜要求所需時間更長，且融霜時間更快，提高了系統的制熱性能。