Nano-TiO2 流體涂覆換熱器表面對空調器性能影響研究

熊立貴 蔡昭華 涂志剛* 李慶堅

（1.廣東開放大學（廣東理工職業學院）廣州 510091；2.TCL 空調器（中山）有限公司 中山 528400）

前言

節約用電，降低能源消耗，保護環境，是關系我國的經濟持續發展，中華民族的前途命運和子孫萬代的幸福發展。然而隨著中國人民已邁入小康水平，家用電器空調已走進大眾家庭，成為人們平常使用電器之一，但其用電消耗較大，因此提高空調能效比性能技術也是當務之急。專家們通過研究分析，有兩種技術手段可以提高空調能效：一是提高蒸發器、冷凝器的散熱器“兩器”的換熱效率，如增加銅管、翅片等；一是提高壓縮機的效率［1,2］。

換熱器結構由銅管和鋁箔翅片組成，要改變換熱器的傳熱性能，從它的組成結構材料銅管和鋁箔進行研究。目前國內外空調行業大都是采用藍色親水對換熱器表面進行處理，來提高其換熱效果。中國是空調制造大國，如格力空調、美的空調等廠家，他們大都是用藍色親水翅片和灰白色非親水翅片，此兩種現已大批量使用。隨著國家對能效要求提高，由原來的5 級改為3 級，并對應提高了能力、能效要求，為此，提高空調的性能勢在必行。

本文主要針對換熱器進行研究，在換熱器（蒸發器和冷凝器）的鋁箔翅片表面上涂覆Nano-TiO2流體工藝生產后，進行實驗測試傳熱等性能研究。

1 換熱器結構材料分析研究

空調器企業生產用的換熱器（分為蒸發器、冷凝器）的傳熱片材料為鋁箔，整卷鋁箔材料通過機械模具沖壓加工成型。根據模具結構不同，鋁箔沖壓成型的結構分為開窗式和波紋式兩種，開窗式的結構是沖破成百葉窗式結構，與波紋結構對比的優勢在于與銅管裝配成蒸發器或冷凝器，其開窗式結構對空氣對流導熱效果佳。

1.1 換熱器（蒸發器、冷凝器）鋁箔材料

百葉窗外形結構示意圖見圖1。

圖1 鋁箔開窗翅片結構

鋁箔開窗翅片的結構中，翅片中管徑為Φ7、Φ9.52 mm，管距對應的尺寸分別為：21 mm，25.4 mm，如表1，換熱器翅片規格表。

表1 換熱器翅片規格尺寸

對于1 ～1.5 P 空調壁掛式內空的蒸發器采用Φ7 mm 的銅管規格，百葉窗結構對應開上述表中的Φ7 mm 規格的鋁箔開窗翅片結構，外機采用Φ7 mm、Φ9.52 mm 規格的翅片進行配匹。

1.2 換熱器（蒸發器、冷凝器）鋁箔化學成份，見表2

表2 換熱器光箔翅片成份

1.3 百葉窗結構在空氣對流換熱方面優勢

換熱器的翅片采用百葉窗式結構，其對空氣側的流動換熱影響參數分析為：流動效率η、空氣側Δp 以及摩擦因子的影響。在對不同類型的百葉窗結構翅片測試時，已有相關文獻驗證得到了相近的結論，采用換熱區域單元的風機功率P 對其換熱的系數評價：

式中:

P—風機功率（kW）；

u—進口的流速（m/s）；

Δp—空氣側壓降；

Ac—示流域的最小面積（m2）；

A0—迎風的面積（m2）。

空氣通過百葉窗式翅片結構的陣列對流傳熱，其肇始就是不穩定的重要影響機理之一，由于產生不穩定的轉捩會引產生比較大尺度的渦形結構，傳熱效果會增強，換熱效果也有明顯優勢［1］。

2 涂覆Nano-TiO2 流體涂層的換熱器研究

換熱器涂覆Nano-TiO2流體涂層材料，其實就是制備納米復合涂層換熱器，其工藝采用通過噴涂、烘干等工藝手法,在其翅片表面噴涂上納米復合材料的換熱器（包括蒸發器和冷凝器）。

2.1 換熱器涂覆Nano-TiO2 流體涂層表面荷葉效應（親水性）

在換熱器光鋁箔翅片表面上涂覆納米二氧化鈦材料，當Nano-TiO2涂層經過紫外光照射后，進行反應，如圖2：

圖2 納米級尺寸的二氧化鈦在光能催化反應示意圖

納米二氧化鈦在紫外光的照射下，能夠自行分解為帶正空穴（h+）和帶負電子（e-），因此，二氧化鈦（TiO2）又被稱為光觸媒。當分解為帶正空穴（h+）和帶負電子（e-）在表面帶有水的空氣當中，即會與水（H2O）發生化學反應，詳見如下方程式為：

上式中二氧化鈦（TiO2）分解為帶負荷的電子（e-）能使附在換熱器周圍空氣的O2進行還原，而帶正電荷的空穴（h+）使吸附在換熱器翅片上的水（H2O）氧化［2］。

在換熱器翅片表面噴了納米二氧化鈦，Nano-TiO2與水反應產生的氫氧根（OH-），并分布在納米二氧化鈦涂層表面，當與水相接觸，氫鍵（OH-）的力學作用與表面的水（H2O）接觸時，容易產生較強的親水性。換熱器翅片鋁箔有涂覆Nano-TiO2涂層與沒有納米涂層的情況下的親水角對比結果，如圖3 所示。

圖3 表面涂覆納米層的換熱器翅片親水效果

圖3 是換熱器的翅片表面有進行涂覆Nano-TiO2處理，圖4 效果圖是無處理的光鋁箔翅片材料。

圖4 光鋁箔的換熱器翅片

通過實驗得出：涂覆Nano-TiO2流體的膜層的換熱器表面，經過紫外光照射后，如圖3 所述，與水（H2O）接觸角為6 °，甚至到0 °，即附在換熱器上的水滴可以完全浸潤納社涂層表面上，因此涂覆Nano-TiO2流體的換熱器表面顯示出荷葉效應，具有超強的親水性。在沒有紫外光照射后，納米涂層表面的親水性可以接近一周時間，才會回到沒有紫外光照射前的狀態。重復在紫外光照射下，又會出現荷葉效應，顯示具有超強的親水性，因此，間歇性的紫外光可以循環保持超強的親水荷葉效應，如圖5 所示。

圖5 納米涂層親水性能理論背景

2.2 Nano-TiO2 涂層換熱器具有自動清潔，保持高效換熱功能

由于涂覆Nano-TiO2流體涂層的換熱器具有超強的親水性，能夠對附在表面上的水進行氧化反應，具有荷葉效應，即在換熱器表面的水不會停留在涂層上，因此換熱器翅片有自清潔功能，減少換熱器 殘留的附著冷凝物，有利于空氣對流，保持了空調換熱器的高效換熱能力[3-5]。取有納米二氧化鈦涂層的換熱器和普通的進行淋雨實驗對比，分別在換熱器上面涂一些污質如TCL 字樣黑色墨汁等有機污垢進行測試，幾小時后，分別用淋雨沖洗，結果涂有Nano-TiO2流體涂層的換熱器污質很快清潔了，而普通的表面殘留了黑色TCL 字跡的污質。如圖6（a）為有涂層的清潔干凈，圖6（b）為普通的，仍有殘留。

圖6 自動清潔淋雨實驗對比圖

上述的淋雨實驗方法：表3 中為有納米涂層和普通的兩種表面不同的鋁箔片進行自動清潔率的對比。在室溫條件下，選取金色有涂層的鋁箔和光的鋁箔片為實驗測試對象。淋雨實驗步驟如下：

表3 鋁箔翅片自動清潔的實驗對比

1）對噴涂層金色鋁箔和光鋁箔取一定的數量，另外取同樣數量未噴涂層金色鋁箔和光鋁箔，作好標號，進行稱重。

2）把上面取樣的鋁箔片表面上積累一定量的污垢或黑色墨汁，進行稱重。

3）將上述兩組鋁箔全部進行傾斜30 °放置，并分別向他們的表面均勻淋雨噴水，進行5 s 的時間。

4）結束后，分別把他們放入烘箱中，設定溫度（90±5）℃，后分別稱重。根據稱重等數據，進行計算自動清潔率。

從表3 數據得出，涂有Nano-TiO2流體涂層的鋁箔自清潔明顯好于沒有涂層的光鋁箔，說明噴有涂層的會形成一層保護膜，具有荷葉效應能去除污能力。而普通的光箔自清潔率比較低，常年會積較多的污垢，上面會存積大量的冷凝水，降低了空調在使用時的對流循環風量，從而影響了空調的熱器的換熱能力，使空調器在制冷或制暖的能力會大大降低，反之，涂有Nano-TiO2流體涂層的鋁箔就沒有上述情況發生，具有自動清潔功能，使換熱器換熱效好，能保持空調的空氣對流循環及能力、能效比。

3 納米涂層的換熱器老化實驗，及其空調器性能測試研究

為了驗證涂覆Nano-TiO2流體涂層的換熱器性能，下面分別用涂覆納米二氧化鈦涂層的換熱器進行附著力實驗、耐冷熱沖擊實驗、耐干濕循環實驗、鹽霧等加速老化實驗，以及其納米涂層的換熱器空調進行性能測試研究[6]。

3.1 附著力實驗

為了空調器能適應于各種氣侯環境下使用，特別是環境惡劣環境條件下，現對涂覆納米二氧化鈦流體的換熱器翅片涂層進行附著力實驗，驗證涂層是否存在過快衰減。按照QT/TK-05.55 納米復合涂層換熱器企業標準進行測試要求，附著能力用親水角值來決定衰減度。

實驗條件為：以藍色鋁箔（親水），金色鋁箔（親水），納米復合涂層鋁箔四種規格分別取樣件；采用去離子水，150 W 超聲波功率，40 ℃的溫度，沖擊時間：30 min、60 min、90 min、120 min 四個時間段進行實驗。圖7 是對應測的親水角度數據。

圖7 納米和非納米涂層附著力實驗對比

從圖7 可以得出，親水角與沖擊時間變長而成逐漸增大。沒有噴涂層的鋁箔比有噴涂納米的金色鋁箔、藍色鋁箔在相同條件親水角要大，即噴有涂層的鋁箔親水角度要小，因此噴有納米涂層的親水性效果更佳。在150 W 超聲波功率振動下，驗證了涂層與鋁箔之間的附著力與涂層親水內部的原子或分子之間作用力存在，這種作用力都會對納米二氧化鈦涂層對鋁箔基材附著牢固度有影響，上述結果證明在超聲波的外力沖擊下所反應的吸附力大，顯示出親水效果要好。

3.2 耐冷熱沖擊實驗

耐冷熱沖擊實驗是根據空調器在制熱與制冷之間循環運行時工況測試，驗證其納米涂層的親水效果，依據按照QT/TK-05.55 納米復合涂層換熱器企業標準進行取樣測試［7,8］。同樣是根據親水角值來判斷它的質量。

實驗條件：取5 片涂有納米復合涂層的金黃色鋁箔樣品和沒有涂納米涂層的金黃色鋁箔樣品進行對比實驗。放入高低溫烘箱中，將烘箱程序設置為在-20 ℃進行1 h，在80 ℃進行1 h，這樣的條件進行5 個循環后，再分別測量親水角。根據數據如圖8。

圖8 納米和非納米涂層耐冷熱沖擊實驗對比

從圖8 可以得出，噴有Nan0-Tio2流體涂層的鋁箔與沒有噴納米涂層的鋁箔在冷熱沖擊實驗親水性對比，噴有Nan0-Tio2流體涂層的鋁箔的親水角數據要小，說明納米二氧化鈦涂層鋁箔的抗冷熱沖擊性要比普通的親水鋁箔要好，表現出納米二氧化鈦涂層鋁箔耐冷、耐熱性能優異。

3.3 耐干濕循環實驗

干濕循環實驗是測試噴涂Nan0-Tio2流體的換熱器鋁箔涂層在啟、停反復惡劣環境下，實驗納米涂層的承受能力。各取5 片涂有納米復合涂層的金黃色鋁箔及沒有噴涂層的金色鋁箔樣品。將其浸入水中3 min，晾干6 min，循環300 次周期后測量親水接觸角值。

噴有Nan0-Tio2涂層金色鋁箔與常規用的金色親水鋁箔在做干濕循環測試的性能對比實驗。從圖9 中看出，常規用的金色親水鋁箔隨著做循環測試次數增加親水在明顯降低，然而噴有Nan0-Tio2涂層金色鋁箔的下降幅度比常規用的金色親水鋁箔要小。實驗是采用模擬真實空調運行環境，檢驗耐水沖擊的能力，結果證明了空調器內換熱器處在水的環境下，噴有Nan0-Tio2涂層金色鋁箔都能體現出它的相對優勢。

圖9 納米和非納米涂層耐干濕循環實驗對比

3.4 中性鹽霧實驗

在沿海地區空氣環境含有鹽份，鹽潮濕大氣對產品性能有一定的影響，特別是檢驗涂覆納米保護

層的性能和鋁箔的相容性。為模擬此環境，選擇加速老化實驗測試驗證納米二氧化鈦涂層鋁箔的性能，本實驗采用中性鹽霧實驗測試。依據國家標準GB/T 1771 鹽霧實驗規定方法[9]，各取5 片尺寸規格為100×150（mm）涂有納米復合涂層的金黃色鋁箔和非噴涂的鋁箔樣品，pH 值為6.5 ～7.2 之間，溫度為（35±2）℃和相對濕度（50±5）%，24 h 為周期進行實驗。

從圖10 實驗測試數據分析，涂有納米復合涂層的鋁箔表面的腐蝕覆蓋面積占總數小于百分之0.2，而沒有噴涂的鋁箔腐蝕覆蓋面積占總數近百分之二，結果證明了噴有納米涂層的鋁箔具有耐腐功能。

圖10 納米和非納米涂層耐中性鹽霧實驗對比

3.5 納米涂層的換熱器空調進行性能測試

在能力焓差室測試驗證使用涂覆Nano-Tio2流體的換熱器翅片涂層對空調器換熱性能影響變化，根據《房間空氣調節器》國標GB/T 7725 要求[10]，以KFR-25GW 壁掛式空調機型為例，分別采用3 套用涂覆Nano-Tio2流體的換熱器（蒸發器和冷凝器），以及3 套用非噴涂的光鋁箔換熱器（蒸發器和冷凝器），分別進行性能（能力、能效）測試。測試要求按照國家標準T1 測試工況要求：如表4 條件，進行測試。

表4 實驗工況條件

空調器的機型配置相同：蒸發器采用φ7×2×11（mm）規格的銅管，冷凝器采用φ7×2×24（mm）規格的銅管，壓縮機型號用PH150G1C-4FZDE，室內電機轉速1 350 rpm，室外電機轉速860 rpm。經空調器的焓差測試，有噴涂層的換熱器與沒有噴涂層的換熱器循環風量、能力、能效對比結果如表5。

通過焓差測試結果，使用涂覆Nano-Tio2流體的換熱器翅片涂層的空調器，能力達到2526 W，循環風量539 m3/h，能效達3.22（W/W），結果明顯高于沒有涂層的空調器的能力、循環風量、能效參數。

循環風量平均高于31 m3/h，能效比平均高于0.18，能力平均高于90 W。說明噴有涂層的換熱器翅片的親水性很強，可以使換熱器的翅片層表面不容易產生水橋，確保了換熱器的高效散熱、傳熱的能力。

4 小 結

綜上述，本文創新點是對換熱器鋁箔涂覆Nano-Tio2流體工藝，并使用噴有納米涂層換熱器的空調器換熱性能等研究，經過淋雨、附著力實驗、耐冷熱沖擊實驗、耐干濕循環實驗、鹽霧老化實驗、能力性能等測試數據分析，使用納米換熱器涂層表面對空調器換熱效果有直接影響，與市場上使用普通換熱器進行對比，具有以下創新：

1）Nano-Tio2在紫外光的照射下，分解的帶正空穴（h+）與水反應產生的氫氧根（OH-）的力學作用與表面的水（H2O）接觸時，容易產生超強的親水性；

2）噴有納米二氧化鈦涂層的鋁箔，親水接觸角小，容易去除換熱器表面上的污垢等雜質，防止灰塵積在翅片上，起到空氣對流順暢，散熱、傳熱效果會增強；冷暖空調還能避免在制暖時室外機進行頻繁的除霜，而室內機在吹冷風的現象；

3）納米二氧化鈦涂層的鋁箔換熱器具有荷葉效應，使換熱器表面實現自動清潔功能，表面的冷凝水很容易被排除，能保證換熱器高效換熱；

4）納米二氧化鈦涂層表面耐腐蝕性強，在北方有頻繁出現沙塵暴氣侯，以及鹽潮濕大氣的沿海邊城市等惡劣環境下使用，空調器依然能顯示強大的制冷、制暖能力，解決了空調器的綜合性能隨時間衰減問題，從而確保了空調的長效特性。

5）納米二氧化鈦換熱器涂層對于空調器的能力、能效、循環風量等參數都有一定的提高，可以節約電耗能源，降低使用成本，提高了空調器性能。