超疏水換熱器抑霜/化霜性能的實(shí)驗(yàn)研究

范來(lái)富，曹先齊，戴晶晶，文先太，汪 峰

(1. 國(guó)網(wǎng)淮安供電公司，江蘇 淮安 223001；2. 南京工程學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3. 揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；4. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

空氣源熱泵以環(huán)境空氣作為低位熱源，與電加熱、鍋爐供暖等方式相比，具有更高的一次能源利用率，而且可避免因燃煤造成的環(huán)境污染，是一種既節(jié)能又環(huán)保的供暖方式[1-2]，其應(yīng)用有利于提高能源利用效率，促進(jìn)節(jié)能減排，并緩解我國(guó)北方“煤改清潔能源”工程中出現(xiàn)的天然氣短缺問(wèn)題。但是，空氣源熱泵冬季制熱運(yùn)行存在結(jié)霜問(wèn)題。由于霜層的生長(zhǎng)，室外翅片管換熱器與空氣間的傳熱熱阻增大，空氣流量減小，導(dǎo)致熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度和壓力下降，制熱效率降低，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定與安全[3-4]。因此，研究如何抑制換熱器表面結(jié)霜，保障空氣源熱泵穩(wěn)定高效運(yùn)行，已成為推動(dòng)空氣源熱泵發(fā)展的重要課題。

近年來(lái)，隨著表面改性技術(shù)的迅速發(fā)展，許多學(xué)者制備出具有納米結(jié)構(gòu)或微納二級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面，并將其用于抑霜研究[5-7]。當(dāng)液滴置于固體表面，兩者間形成的夾角稱為表面接觸角θ。當(dāng)θ<90°，表面為親水表面；當(dāng)90° <θ<150°，為疏水表面；當(dāng)θ> 150°，為超疏水表面[8]。Kim等[9]在可視化觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，結(jié)霜初期超疏水表面的凝結(jié)液滴分布稀疏，液滴尺寸較小且接近球形。徐文驥等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，超疏水表面可延遲初始凝結(jié)液滴的凍結(jié)。周艷艷等[11]比較了超疏水表面和常規(guī)表面的結(jié)霜量，在表面溫度為-24.5 ℃，結(jié)霜120 min后，超疏水表面的結(jié)霜量為常規(guī)表面的58.3%。Jing等[12]對(duì)比了從超親水到超疏水等5種具有不同接觸角表面的結(jié)霜過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超疏水表面具有最好的抑霜能力。超疏水表面不僅抑霜效果好，同時(shí)能改善化霜過(guò)程，提高化霜效率[13-15]，因而在解決空氣源熱泵結(jié)霜問(wèn)題上具有較好的應(yīng)用前景。

目前，超疏水表面抑霜的研究主要針對(duì)平板等簡(jiǎn)單幾何表面，由于超疏水表面大尺度制備技術(shù)的匱乏，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器的整體化改性，導(dǎo)致?lián)Q熱器尺度的超疏水表面抑霜研究較少。但是，只有實(shí)現(xiàn)超疏水表面在換熱器尺度的應(yīng)用及抑霜與化霜研究，才能為超疏水抑霜技術(shù)在空氣源熱泵上的實(shí)際應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)。為此，本文提出了超疏水翅片管換熱器的整體化制備技術(shù)，并對(duì)其抑霜與化霜性能進(jìn)行研究。

1 超疏水翅片管換熱器的制備

本文采用親水和常規(guī)翅片管換熱器與所制備的超疏水翅片管換熱器進(jìn)行結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究。親水和常規(guī)換熱器通過(guò)換熱器廠家直接購(gòu)買，而超疏水換熱器則是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)常規(guī)換熱器進(jìn)行表面改性獲得。超疏水換熱器的整體化制備主要有3個(gè)步驟，依次為溶液刻蝕、去離子水煮沸和表面氟化處理。首先，將去除表面污垢后的常規(guī)換熱器放入濃度為0.2 mol/L、溫度為80 ℃的NaOH溶液中刻蝕3 min，從而在其表面形成微米結(jié)構(gòu)；然后，將具有微米結(jié)構(gòu)的換熱器放入沸水中持續(xù)煮沸約90 min，從而進(jìn)一步在微米結(jié)構(gòu)表面形成Al(OH)3納米結(jié)構(gòu)；最后，將具有微納二級(jí)表面結(jié)構(gòu)的換熱器放入真空罐內(nèi)，利用溫度為150 ℃的全氟癸基三乙氧基硅烷蒸氣對(duì)換熱器表面進(jìn)行氟化處理，從而獲得低能表面。

為了能夠準(zhǔn)確獲得3種換熱器表面的潤(rùn)濕性能，從每種換熱器的不同位置截取4份翅片樣品，并測(cè)量每份樣品的接觸角，取平均值后得到親水、常規(guī)和超疏水翅片的平均接觸角分別為13.7°，95.3°和156.8°。此外，超疏水翅片的滾動(dòng)角為3.8°，具有高接觸角和低滾動(dòng)角特征，體現(xiàn)出換熱器表面良好的超疏水性能。換熱器實(shí)物圖見(jiàn)圖1，3種換熱器具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，翅片類型為平翅型，管路為叉流型布置，尺寸為300 mm×45 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)，管排數(shù)分別為8和2，管間距為25 mm，排間距為22 mm，管外徑為10 mm，翅片間距為1.66 mm，翅片厚度為0.12 mm。

圖1 翅片管換熱器及翅片表面的接觸角Fig.1 Prepared fin-tube heat exchangers and contact angles of fin surfaces

2 抑霜/化霜性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)換熱器表面的結(jié)霜/化霜以及對(duì)其性能參數(shù)的測(cè)量，搭建了翅片管換熱器結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。采用兩臺(tái)恒溫槽分別作為換熱器結(jié)霜與化霜時(shí)的冷源和熱源，恒溫槽溫度調(diào)節(jié)范圍為-20 ℃～100 ℃，溫控精度為0.01 ℃。兩臺(tái)恒溫槽內(nèi)均加入質(zhì)量濃度為42.6%的乙二醇溶液(冰點(diǎn)為-24.9 ℃，沸點(diǎn)為106.1 ℃)。作為冷源的恒溫槽用于冷卻乙二醇溶液，而作為熱源的恒溫槽則用于加熱乙二醇溶液，恒溫槽與換熱器的聯(lián)通管路上設(shè)置有三通換向閥，實(shí)現(xiàn)結(jié)霜/化霜時(shí)冷熱乙二醇溶液的切換。風(fēng)道主要由矩形風(fēng)道、圓形風(fēng)道、風(fēng)機(jī)和變頻器構(gòu)成。換熱器被放置于矩形風(fēng)道內(nèi)。圓形風(fēng)道用于安裝風(fēng)量計(jì)以及實(shí)現(xiàn)空氣的平穩(wěn)流動(dòng)，從而便于精確測(cè)量流經(jīng)換熱器的風(fēng)量。

圖2 結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of frosting/defrosting experimental system

實(shí)驗(yàn)中需直接測(cè)量的參數(shù)包括換熱器進(jìn)出口溶液的溫度和流量，換熱器空氣側(cè)進(jìn)出口空氣的溫濕度和風(fēng)量，換熱器表面的結(jié)霜高度以及結(jié)霜/化霜過(guò)程的可視化圖像。換熱器空氣側(cè)進(jìn)口空氣的溫度和相對(duì)濕度(Ta,in和RHa,in)由安裝在換熱器空氣側(cè)進(jìn)口處的溫濕度傳感器測(cè)量，出口空氣的溫度和相對(duì)濕度(Ta,out和RHa,out)通過(guò)安裝在換熱器空氣側(cè)出口處的溫濕度傳感器測(cè)量，溫濕度傳感器的溫度量程為-70 ℃～180 ℃，精度為±0.2 ℃，相對(duì)濕度量程為0～100%，精度為±1.0%；流經(jīng)換熱器的空氣體積流量(Va)由安裝在圓形管道上的CP300型差壓變送器測(cè)量，其測(cè)量精度為±0.5%；通過(guò)測(cè)得空氣的溫濕度和風(fēng)量，進(jìn)而可計(jì)算出空氣的含濕量和換熱器表面的結(jié)霜量。利用安裝在溶液管道上的PT100鉑熱電阻測(cè)量換熱器進(jìn)出口溶液溫度(Tr,in和Tr,out)，其測(cè)量范圍為-200 ℃～500 ℃，測(cè)量精度為±0.1 ℃；溶液質(zhì)量流量(Gr)由安裝在管道上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，其測(cè)量精度為±1.5%；通過(guò)測(cè)得溶液溫度和流量，進(jìn)而可以計(jì)算出溶液流經(jīng)換熱器時(shí)的換熱量。霜層高度的測(cè)量采用自帶標(biāo)尺的顯微儀，通過(guò)標(biāo)定可自動(dòng)讀取霜層高度，并具有照相和錄像功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)霜/化霜過(guò)程的可視化觀測(cè)。結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 結(jié)霜/化霜實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)中需通過(guò)計(jì)算獲得的參數(shù)包括結(jié)霜量、換熱器的換熱量及化霜耗熱量。通過(guò)測(cè)量換熱器空氣側(cè)進(jìn)出口空氣的溫度和相對(duì)濕度，得到進(jìn)出口空氣的含濕量分別為da,in和da,out，則換熱器表面單位時(shí)間的結(jié)霜量可表示為：

mf=Vaρa(bǔ)(da,in-da,out)=ma(da,in-da,out)

(1)

式中,mf——單位時(shí)間結(jié)霜量，kg/s；Va——空氣的體積流量，m3/h；ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；ma——空氣的質(zhì)量流量，kg/s；da,in、da,out——進(jìn)口、出口的空氣含濕量，g/kg。

換熱器的換熱量可取空氣側(cè)換熱量Qa和溶液側(cè)換熱量Qr的平均值，其中：

Qa=Vaρa(bǔ)(ha,in-ha,out)

(2)

Qr=Cp,rGr(Tr,out-Tr,in)

(3)

式中，ha,in、ha,out——進(jìn)口、出口的空氣焓值，J/kg；Gr——溶液的質(zhì)量流量，kg/h；Tr,in、Tr,out——進(jìn)口、出口的溶液溫度，℃。

通過(guò)誤差傳遞公式計(jì)算間接計(jì)算參數(shù)的測(cè)量誤差。以結(jié)霜量為例，根據(jù)公式(1)并結(jié)合誤差傳遞公式，得到單位時(shí)間結(jié)霜量mf的絕對(duì)誤差Δmf和相對(duì)誤差Δmf/mf分別為：

(4)

(5)

本文結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況下，計(jì)算得到單位時(shí)間結(jié)霜量的絕對(duì)誤差為0.01 g/s，相對(duì)誤差為5.5%。同理可計(jì)算換熱量的相對(duì)誤差為4.6%，化霜耗熱量(溶液側(cè)換熱量)的相對(duì)誤差為3.2%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為排除3種換熱器換熱性能的差異可能導(dǎo)致結(jié)霜/化霜性能的不同，首先對(duì)比了干工況下?lián)Q熱器的換熱性能。親水、常規(guī)和超疏水換熱器的換熱量分別為869.6、873.0和886.1 W，親水與超疏水換熱器的換熱量相差不到2.0%。這表明非結(jié)霜工況下?lián)Q熱器的換熱性能受表面改性的影響很小。

3.1 抑霜性能

圖3所示為3種換熱器表面霜層生長(zhǎng)的圖片。結(jié)霜10 min后，換熱器表面均出現(xiàn)了少量霜晶，表面特性對(duì)霜層生長(zhǎng)的影響不明顯。結(jié)霜30 min后，3種換熱器表面出現(xiàn)了明顯區(qū)分：親水和常規(guī)換熱器翅片表面已經(jīng)被霜層覆蓋，而超疏水換熱器表面結(jié)霜程度輕微，霜層只覆蓋了少部分翅片。結(jié)霜50 min后，常規(guī)換熱器的翅片間隙已完全被霜層堵塞，親水換熱器的翅片間隙也已基本堵塞，而超疏水換熱器的結(jié)霜嚴(yán)重程度遠(yuǎn)低于它們，翅片間隙仍然清晰可見(jiàn)。因此，從結(jié)霜圖片可以直觀看出，相比于親水和常規(guī)換熱器，超疏水換熱器的抑霜效果顯著。

圖3 換熱器表面霜層生長(zhǎng)的圖片F(xiàn)ig.3 Photographs of frost layer growth on fin-tube heat exchangers

圖4所示為3種換熱器表面霜層高度隨結(jié)霜時(shí)間的變化。總體上，3種換熱器表面的霜層生長(zhǎng)呈先快后慢的變化趨勢(shì)。結(jié)霜初期，霜層高度隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，在結(jié)霜時(shí)間為20 min時(shí)，親水、常規(guī)和超疏水換熱器表面的霜層高度分別為0.49、0.57、0.41 mm。結(jié)霜時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，霜層的生長(zhǎng)速度逐漸減慢。這是因?yàn)椋阂环矫?，霜層的生長(zhǎng)逐漸阻塞了翅片間隙，進(jìn)而使得空氣流量降低，霜層生長(zhǎng)速度因此減慢；另一方面，當(dāng)霜層厚度達(dá)到一定高度時(shí)，水蒸氣主要用于增加霜層的密度而不是霜層高度。綜合這兩方面原因，霜層的生長(zhǎng)速度在結(jié)霜后期會(huì)慢慢減緩。結(jié)霜35 min時(shí)，常規(guī)翅片表面的霜層已經(jīng)堵塞了翅片間隙，實(shí)驗(yàn)上已無(wú)法再測(cè)得其霜層高度，因此認(rèn)為霜層高度不再增加。親水翅片和超疏水翅片分別在45 min與50 min時(shí)堵塞翅片間隙，高度不再增加。

圖4 換熱器表面霜層高度隨時(shí)間的變化Fig.4 Frost thickness changing with time on fin-tube heat exchangers

圖5為3種換熱器表面結(jié)霜量隨結(jié)霜時(shí)間的變化。結(jié)霜量的增長(zhǎng)與時(shí)間近似成線性關(guān)系，隨著時(shí)間的增加，結(jié)霜量也均勻增加。對(duì)比霜層高度隨結(jié)霜時(shí)間的變化可以看出，霜層高度停止增長(zhǎng)后結(jié)霜量仍在不斷增大，這是空氣中的水蒸氣滲入霜層內(nèi)部，霜層密度不斷增加所致。結(jié)霜工況運(yùn)行60 min后，常規(guī)、親水和超疏水換熱器表面的結(jié)霜量分別為0.27、0.36、0.22 kg。與親水和常規(guī)換熱器相比，超疏水換熱器表面的結(jié)霜量分別減少了18.5%和38.9%。從以上結(jié)霜高度和結(jié)霜量的對(duì)比分析可見(jiàn)，換熱器的表面特性對(duì)霜層的生長(zhǎng)有著顯著影響，相比于親水和常規(guī)換熱器，超疏水換熱器表面的抑霜效果最佳。

圖5 換熱器表面結(jié)霜量隨時(shí)間的變化Fig.5 Frost mass changing with time on fin-tube heat exchangers

換熱器表面的結(jié)霜特性，除了直接通過(guò)霜層高度和結(jié)霜量對(duì)比外，也可以間接通過(guò)風(fēng)量和換熱器的換熱量體現(xiàn)。當(dāng)換熱器表面結(jié)霜程度越嚴(yán)重時(shí)，通風(fēng)量和換熱量衰減越嚴(yán)重。圖6給出了3種換熱器的通風(fēng)量隨結(jié)霜時(shí)間的變化。結(jié)霜開(kāi)始時(shí)，換熱器的風(fēng)量穩(wěn)定在250 m3/h。結(jié)霜初始階段，常規(guī)換熱器的風(fēng)量迅速下降，而親水和超疏水換熱器的風(fēng)量下降緩慢。在結(jié)霜前20 min內(nèi)，常規(guī)換熱器的風(fēng)量從248.5 m3/h下降到198.8 m3/h，風(fēng)量衰減了19.9%，而親水和超疏水換熱器的衰減值分別為4.8%和3.9%。之后，常規(guī)換熱器的風(fēng)量一直保持較大的下降幅度，而親水和超疏水換熱器呈現(xiàn)先緩慢下降后迅速下降的變化規(guī)律。結(jié)霜60 min后，常規(guī)換熱器的風(fēng)量接近為0，表明翅片間隙已完全被霜層堵塞。親水和超疏水換熱器的風(fēng)量分別為49.6 m3/h和125.0 m3/h，降幅分別為79.7%和49.9%?？梢?jiàn)，在相同的結(jié)霜工況下，超疏水換熱器表面的風(fēng)量衰減最弱，由此也可推斷出超疏水換熱器的換熱性能受結(jié)霜的影響最小。

圖6 換熱器風(fēng)量隨時(shí)間的變化Fig.6 Air volume of fin-tube heat exchangers changing with time

圖7為換熱器的換熱量隨結(jié)霜時(shí)間的變化。在結(jié)霜60 min內(nèi)，常規(guī)換熱器的換熱量從850.0 W衰減至49.5 W，衰減率近94.2%；親水換熱器的換熱量從855.7 W衰減至214.2 W，衰減率為75.0%；而超疏水換熱器的換熱量從870.0 W衰減至397.7 W，衰減率僅為54.1%?？梢?jiàn)，超疏水換熱器通過(guò)抑制表面霜層生長(zhǎng)，從而減輕了結(jié)霜對(duì)其換熱性能的影響。

圖7 換熱器換熱量隨時(shí)間的變化Fig.7 Heat transfer rate of fin-tube heat exchangers changing with time

3.2 化霜性能

實(shí)驗(yàn)中觀察到3種翅片表面的化霜行為及化霜滯留水差異較大，如圖8所示。對(duì)于親水和常規(guī)換熱器，當(dāng)翅片表面溫度升高，與表面直接接觸的底部霜層最先融化。融化后形成的化霜水被其上部的霜層吸收，使得霜層演變?yōu)樗?水混合物。伴隨著底部霜層的不斷融化，霜-水混合物中化霜水的比例逐漸增大，致使混合物出現(xiàn)類似于“滑冰”的運(yùn)動(dòng)，即在重力作用下沿著翅片表面向下滑動(dòng)。在下滑過(guò)程中，霜-水混合物不斷從翅片表面吸收熱量用于霜層融化以及化霜水的蒸發(fā)。對(duì)于超疏水換熱器，其表面化霜過(guò)程的特性完全不同。從圖中可以看出，在經(jīng)歷了短暫的霜層預(yù)熱和底部霜層的部分融化后，由于超疏水翅片的低粘附效應(yīng)，霜-水混合物難以在翅片表面附著，因而在重力的作用下從換熱器表面直接剝離，整個(gè)過(guò)程未觀察到霜層融化和水膜運(yùn)動(dòng)。霜層融化后，對(duì)于潤(rùn)濕性極好的親水換熱器，化霜水平鋪在翅片表面，形成了一層薄薄的水膜，這是霜-水混合物從翅片表面滑落時(shí)黏附在表面的。對(duì)于常規(guī)換熱器，翅片表面形成了許多大小分布不一的“水橋”。“水橋”的形成阻礙了霜-水混合物的滑落，對(duì)化霜過(guò)程是不利的。而對(duì)于超疏水換熱器，由于霜層在基本未融化的情況下從翅片表面脫落，翅片表面保持相對(duì)干燥，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯地化霜水滯留。

為了量化比較3種換熱器的化霜性能，對(duì)比了評(píng)價(jià)化霜效率的兩個(gè)重要指標(biāo)：化霜時(shí)間和化霜能耗。實(shí)驗(yàn)中，親水、常規(guī)和超疏水換熱器的化霜時(shí)間分別為180、185、105 s。與親水和常規(guī)換熱器相比，超疏水換熱器的化霜時(shí)間分別縮短了41.7%和43.2%?；偤臒崃靠赏ㄟ^(guò)單位時(shí)間耗熱量在化霜時(shí)間內(nèi)的疊加計(jì)算得到。親水、常規(guī)和超疏水換熱器的化霜耗熱量分別為218.6、303.3、115.5 kJ。與親水和常規(guī)換熱器相比，超疏水換熱器的化霜耗熱量分別減少了47.2%和61.9%?？梢?jiàn)，超疏水換熱器可以大幅縮短化霜時(shí)間，節(jié)約化霜能耗。

3.3 抑霜/化霜性能分析

相比于親水和普通翅片，超疏水翅片能起到抑制結(jié)霜和改善化霜的效果，這與其表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)。通過(guò)掃描電子顯微鏡獲得了所制備的超疏水表面的微結(jié)構(gòu)，如圖9(a)所示，超疏水表面存在大量分布均勻的納米結(jié)構(gòu)，并呈散開(kāi)的倒楔形花狀。結(jié)霜初始階段的凝結(jié)液滴凍結(jié)后，水蒸氣在其表面凝華形成霜晶，可以說(shuō)，初始凝結(jié)液滴是后續(xù)霜層生長(zhǎng)的基體。超疏水表面的納米結(jié)構(gòu)及低能表面確保了凝結(jié)液滴不會(huì)潤(rùn)濕表面微結(jié)構(gòu)，即凝結(jié)液滴以Cassie模式存在于翅片表面，如圖9(b)所示。圖9(c)中，當(dāng)凝結(jié)液滴與翅片表面呈Cassie狀時(shí)，固-液接觸面積Asl=fπrl2sin2θ，f<1，從而減少了液滴與翅片表的實(shí)際接觸面積(導(dǎo)熱面積)。因此，構(gòu)造翅片表面的納米結(jié)構(gòu)，使凝結(jié)液滴呈Cassie狀，對(duì)削弱翅片與液滴間的傳熱，延緩后續(xù)霜晶的生長(zhǎng)具有重要意義。對(duì)于具有納米結(jié)構(gòu)的超疏水翅片，凍結(jié)液滴與表面呈Cassie狀，導(dǎo)致翅片與凍結(jié)液滴間的傳熱削弱，從而延緩了凍結(jié)液滴表面的溫降，減少了熱力過(guò)冷度，起到減緩霜晶生長(zhǎng)速率的作用。

化霜方面，如上文所述，凍結(jié)液滴與翅片表面呈Cassie狀，因而在凍結(jié)液滴與超疏水翅片的納米粗糙結(jié)構(gòu)間形成了空氣墊。圖10為超疏水翅片化霜時(shí)霜層脫落的原理示意圖。在納米結(jié)構(gòu)與霜層形成的封閉空間內(nèi)，霜層受到內(nèi)部空氣產(chǎn)生的壓力Fip。同時(shí)，霜層還受到大氣壓力Fatm、超疏水翅片的黏附力Fsf以及自身重力Fg。當(dāng)化霜開(kāi)始，在納米結(jié)構(gòu)與化霜水形成的封閉空間內(nèi)，空氣受熱膨脹，壓力Fip變大。由于超疏水翅片的黏附性較弱，化霜水在熱氣壓的作用下與翅片分離，并在重力作用下與未融化的霜層一起脫離表面。因此，要使得霜層在化霜初期從翅片表面脫離，關(guān)鍵是納米結(jié)構(gòu)與霜層形成的封閉空間內(nèi)空氣受熱膨脹，同時(shí)翅片表面的黏附性較弱才行。

圖10 超疏水翅片化霜時(shí)霜層脫落的原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of frost shedding from superhydrophobic fin surface

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)常規(guī)翅片管換熱器進(jìn)行溶液刻蝕和表面氟化，整體化制備了具有超疏水表面的換熱器。翅片表面的接觸角和滾動(dòng)角分別為156.8°和3.8°，具有高接觸角和低滾動(dòng)角特征。

2)結(jié)霜工況運(yùn)行60 min后，與親水和常規(guī)換熱器相比，超疏水換熱器表面的結(jié)霜量分別減少了18.0%和38.6%，抑制效果最佳。由于超疏水換熱器表面霜層生長(zhǎng)緩慢，風(fēng)量衰減最弱，其換熱性能受結(jié)霜的影響也最小。

3)與親水和常規(guī)換熱器相比，超疏水換熱器的化霜時(shí)間分別縮短了41.7%和43.2%，化霜耗熱量分別減少了47.2%和61.9%。超疏水換熱器可縮短化霜時(shí)間，節(jié)約化霜能耗，減少化霜水的滯留。

4)超疏水翅片表面的納米結(jié)構(gòu)，使凝結(jié)液滴在表面呈Cassie狀，對(duì)削弱翅片與液滴間的傳熱，延緩后續(xù)霜晶的生長(zhǎng)具有關(guān)鍵作用。并且，要使得霜層在化霜初期從翅片表面脫離，關(guān)鍵在于納米結(jié)構(gòu)與霜層形成的封閉空間內(nèi)空氣受熱膨脹。