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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
新聞動態

一種新型抑霜涂料在翅片管式換熱器上的應用研究

點擊:1441 日期:[ 2014-04-26 21:57:36 ]
                      一種新型抑霜涂料在翅片管式換熱器上的應用研究                            黃玲艷   劉中良   勾昱君   王皆騰 (北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室及傳熱與能源利用北京市重點實驗室北京100124)      摘要:換熱器表面結霜是制冷和低溫設備中最常見的問題之一,它會嚴重影響換熱器的換熱效率,降低制冷系統的整體性能。用自行研制的一種新型抑霜涂料制成親水表面,將其涂敷于換熱器翅片上,厚度為0.05mm。在相同的實驗條件下與沒有涂層的換熱器實驗結果進行比較,發現有涂層的換熱器能夠大大延長融霜周期,在整個實驗過程中沒有出現結霜現象。涂層厚度對換熱器出口的溫度和換熱器的傳熱性能沒有明顯影響。另外,還針對有涂層的翅片進行了一系列的吸水試驗,測試涂層質量、厚度以及表面粗糙度隨浸水時間的變化。     關鍵詞:熱工學;親水表面;實驗研究;結霜     中圖分類號:TB657.5;TK172文獻標識碼:A     換熱器表面結霜是低溫工況下制冷空調中普遍存在的現象。濕空氣流經蒸發器時,如果翅片溫 低于空氣的露點溫度,空氣中的水蒸汽將析出,并在翅片表面上凝露;當翅片溫度低于0℃時,凝結水 還會在翅片表面形成霜層。結霜初期,由于霜表面 極為粗糙,此時的霜層能起到翅片的作用,增加傳熱速率[1]。隨著霜層的不斷形成和累積,一方面使空氣流道逐漸變窄,增加氣流阻力導致壓降增加,嚴 重惡化了換熱器的運行;另一方面霜層增加了導熱熱阻,降低了換熱器的傳熱系數,使流過換熱器的 空氣流量降低,嚴重時會引起壓縮機事故,使機組不能正常工作。因此必須定期對機組進行除霜,以便系統能正常運行。除霜的方法有很多種。傳統的方法有自然融霜、電加熱融霜、熱氣融霜和飽和蒸汽融霜等。但 是除霜時不僅影響制冷設備的正常運行,還要消耗 外能源,降低系統運行效率和性能。目前,新的 抑霜方法有:利用干燥劑或除濕系統來減少蒸發器 冷面的結霜量;對流入的濕空氣進行凈化處理減少結霜;利用高壓靜電場抑霜;通過對金屬表面 改性達到抑霜的目的不過這些除霜方法也都存 在各自的缺陷。     在國外,Okoroafor 等人在1999年研制出了一 種親水性抑霜涂料,該涂料兩小時內可以降低霜的 厚度達10%~30%,但是這種涂料成膜較厚,約為 0.7mm。2004年,劉中良、王洪燕等人開發出一種 親水涂料,抑霜效果和使用壽命等方面都取得了 重大突破,在空氣相對濕度較低、冷壁表面溫度較高的情況下可保持長時間不結霜,但涂料成膜 的厚度達到0.3mm~0.4mm,在高濕度、低壁溫條 件下,涂料抑霜的作用不明顯,且表面比較柔軟, 抗沖擊能力差。最近,勾昱君[8]等人對該涂料進行 了工藝和配方上的改進,抑霜效果比以往親水涂料 有明顯改善,且新涂料成膜較薄,只有0.04mm, 是以往親水涂料厚度的15%。此外,把該親水涂料 應用于冰箱內壁,取得了非常明顯的抑霜效果,六 個月的實際運行之后,內壁上覆涂親水涂料和無覆 涂部分結霜量明顯不同,覆涂部分形成的霜晶非常稀薄。利用這種高效抑霜涂料制成親水表面,將其涂敷于由日本大金空調公司提供的一種翅片管式換 熱器上,厚度為0.05mm,測試其抑霜效果。實驗表明,該涂層能夠大大延長除霜周期,而且在整個實驗過程中沒有出現結霜現象。另外,還測試了該涂層的質量、厚度以及表面粗糙度隨吸水時間的變 化。      1.實驗裝置                             實驗的實驗裝置由日本大金空調公司提供,主要由冷卻裝置、空調回路、換熱器、冷熱媒裝置及數據采集系統組成。其中風道和換熱器部分的實驗系統裝置如圖1所示,通過調節冷卻裝置和空調 回路來控制進入風道的濕空氣的溫濕度,濕空氣進 出口的溫度分別為2℃和1℃,流量為23.8m3/min, 空氣相對濕度為84%。實驗采用冷鹽水溶液作為冷 媒向試件提供冷量,熱鹽水溶液用來融霜,其溫度 分別為-8.0℃和5.0℃。實驗過程中,所有數據均 用計算機進行實時采集以便于結果的分析。同時, 還利用數碼相機對換熱器翅片上的結霜現象進行拍 照以對不同換熱器表面的結霜情況進行比較。     2.實驗過程     2.1親水性表面的制作     將一種強吸水性顆粒充分研磨,通過電鏡掃描其最小粒徑可達到1mm,并按一定的質量比與具 有強粘附性的涂料混合,充分攪拌均勻后加稀料稀 釋,用噴槍將涂料均勻的噴涂到經過清潔處理的鋁 制換熱器翅片上,于通風處放置30~60分鐘,再將一定質量的親水性化合物噴涂到原涂層表面,強吸 水性顆粒將化合物完全吸收,使整個表面處于非常 平坦的狀態。待涂層干燥后,進行顯微測厚,涂層的厚度約為0.05mm,如圖2(a)所示。     2.2實驗步驟                           實驗開始之前,將有涂層的翅片組裝到換熱 器銅管上并安裝到實驗臺,如圖2(b)所示,檢查換熱器兩側的壓差是否保持在零。首先,打開冷卻水 系統和空調裝置,同時打開風機調到設定的空氣流 量為23.8m 3 /min。然后開啟兩個鹽水池,設定冷熱 媒的溫度分別為-8.0℃和5.0℃,并檢查鹽水是否有泄露。待空氣溫濕度、空氣流量以及冷熱媒的溫 度均達到設定值并穩定之后開始實驗,同時進行數據和圖像的實時采集,數據采集間隔為0.5分鐘,圖像采集間隔為20分鐘,當換熱器兩側的壓差顯示達到30mmAq(1mmAq=9.8Pa)時,第一個循環結 束,系統自動切換到融霜模式,5分鐘之后,第二個循環接著開始,依次進行下去。     3.實驗結果及分析     3.1不同換熱器壓差變化的比較                             為了便于實驗結果的分析比較,在相同的實 驗條件下,對兩種規格相同的換熱器均做了實驗,一種是沒有涂層的,另一種是有涂層的,實驗結果 如圖3所示。該圖對這兩種不同換熱器的進出口側 壓差隨時間的變化進行了對比。實驗開始時,沒 有涂層的換熱器進出口空氣的壓差為1.65mmAq, 隨著實驗的進行,從圖中可以明顯看出空氣側壓 降隨時間的增長呈指數趨勢上升,這是因為換熱器 翅片上不斷形成的霜層增加了氣流阻力,導致壓 差增加,因此第一個循環只持續了80分鐘。經過5分鐘的融霜,第二個循環也只持續了62分鐘。由 此可見,在換熱器運行的過程中,結霜現象的發生 增加了翅片管換熱器的熱阻,嚴重降低了換熱器的 換熱效率。圖中虛線是有涂層的換熱器在相同的實 驗條件下壓差隨時間的變化關系,由于條件的限 制,整個實驗只有一個循環。實驗開始時,進出 口空氣的壓差為5.73mmAq,比沒有涂層的換熱器 初始壓差要高,這主要是由于涂層的厚度減小了 換熱器翅片的間隙所引起的。噴涂之前,翅片的 間距為1.7mm,涂上涂層之后,翅片的間距減小到 1.6mm。可以看出,隨著實驗的進行,與沒有涂層 的換熱器一樣,壓差也是在不斷上升,但是換熱器 翅片上并沒有結霜現象的發生,壓差的增加是因為 涂層吸收了濕空氣中的水蒸氣而不斷膨脹所造成 的,而且增加的速率要遠遠低于沒有涂層的換熱器,因此整個循環持續了140分鐘,比沒有涂層的 換熱器延長了60分鐘。     3.2涂層對翅片換熱性能的影響     除了對不同換熱器的壓差進行比較之外,為 了驗證該涂層對換熱器傳熱效率的影響,還對兩種換熱器的出口溫度進行了比較。從圖4可以看出, 在相同的實驗條件下,兩種不同換熱器的出口降溫 速度相同,達到穩定后兩者的溫度也沒有明顯差別,這說明0.05mm厚的涂層并沒有增加換熱器的 傳熱熱阻,對換熱器換熱性能的影響可以忽略不計。                            3.3不同換熱器表面結霜情況的對比                           在實驗的過程中,還觀察了不同換熱器翅片 上結霜情況隨時間的變化。圖5是在相同的實驗條 件下拍攝到的不同換熱器出口側翅片上結霜的情 況。從圖中可以看出,實驗進行60分鐘時,沒有涂層的翅片上已經布滿了霜晶。80分鐘過后,沒有涂 層的翅片上已經形成一層致密的霜層,但是有涂層 的翅片在整個實驗過程中始終沒有出現結霜現象。 實際上,由于進口側的水蒸氣比出口側多,濕度也大,因此進口側的翅片上結霜現象要比出口側的更嚴重。     3.4涂層的質量、厚度以及表面粗糙度隨吸水時間的變化                            為了證明該涂料的強吸水性,還對涂層的質 量、厚度以及表面粗糙度隨吸水時間的變化進行了 一系列的測試,其變化規律如圖6所示。圖6(a)反應了有涂層的翅片質量隨吸水時間的變化情況。吸 水前,該翅片的質量為1.112g,吸水5分鐘之后,該 翅片的質量達到2.832g,是吸水前的兩倍多;45分 鐘過后,該翅片的質量已經達到3.682g,是吸水前 的三倍多。從圖中可以看出,在前40分鐘內,該親 水性涂層的質量變化非常快,但是隨著吸水時間的 增加,該親水性涂層的質量不再變化,這說明該親 水性涂層的吸水能力在一段時間過后已經達到飽和。     圖6(b)是涂層厚度隨時間的變化關系。吸水前,該涂層的厚度為53.98mm,和涂層的質量變化有相同的趨勢,在前60分鐘內,涂層的厚度隨吸水時間不斷的增加,在100分鐘時已經達到 276.70mm,將近吸水前的五倍,但是隨后該涂層 的厚度隨時間不再有顯著的變化,這說明該涂層的吸水能力已經達到飽和狀態。圖6(c)顯示了涂層表 面粗糙度隨時間的變化關系。實驗中,以涂層表面最大高度和最小高度之差來表示涂層的粗糙度。實 驗之前,涂層表面的粗糙度為198.38mm,隨著吸水時間的增加,涂層質量和厚度的不斷變化,該親 水性表面變得越來越平整,100分鐘時,表面的粗 糙度已經降至125.66mm,隨后吸水達到飽和,其粗糙度也不再發生明顯的變化。     4.結論     通過對不同翅片管式換熱器的實驗研究發 現,該親水性涂層能夠大大延長融霜周期,比沒有 涂層的換熱器要超出60分鐘左右,在整個實驗過程 當中沒有出現結霜現象。對不同換熱器出口溫度的 比較發現涂層對換熱器的換熱性能沒有明顯影響。另外,對涂層的一些表面參數隨吸水時間的變化進行了測試,結果表明,在前100分鐘,該涂層的質量、厚度以及表面粗糙度幾乎隨浸水時間呈指數關系變化,但是當該涂層的吸水能力達到飽和之后,其變化不再明顯。如果適當加大翅片間距,可以更大幅度的延長系統運行時間。當然,翅片間距增大 的幅度需要與非涂層系統的對比及優化才能確定,這將是后續研究的重點內容之一。此外,涂層吸水膨脹后不僅厚度增大,導致壓降增加,而且還使涂層的附著力減小,牢固性也會隨之下降,所以針對涂層的厚度、牢固性以及耐久性也需要進一步研究。 
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