空气源热泵蒸发器铝基超疏水表面抑霜性能实验研究

摘要

我国南方城市冬季湿冷气候严重，人们体感温度较低，虽无集中供暖但人们采暖需求强烈空气源热泵以其较好的节能性和环保性，被广泛地作为采暖设备。但空气源热泵在使用过程中存在一个无法避免的问题——室外蒸发器表面结霜，霜层的存在会降低空气源热泵机组的整体能效，严重时甚至导致热泵机组无法正常运行。目前，常用的除霜方式多会消耗室内热量，降低室内舒适度。本课题另辟蹊径，将超疏水技术应用于热泵领域，达到抑制蒸发器表面结霜的目的。
　　本文首先分析了超疏水表面的抑霜机理，得出基底表面接触角越大，水滴与基底之间的传热热阻越大，气相系统的相变能障越大，湿空气中水蒸气越不易相变。其次，本文阐述了现有的超疏水制备技术，并根据蒸发器翅片管的结构特征，采用十四酸乙醇混合溶液一步浸泡法制备超疏水铝片，并在制备过程中对铝片试件进行打磨预处理。结果表明：经120＃砂纸打磨后的铝片试件可制备出接触角为155.4°的超疏水表面，表面具有与荷叶表面相似的微纳二次结构。
　　为了进一步研究湿空气在低温铝片表面的相变现象，本课题组搭建了半导体冷板制冷系统实验装置和强制对流冷板制冷系统实验装置，并利用此系统对制备出的超疏水铝片进行了相关实验测量，实验过程中室内空气温度为9℃，相对湿度为70％。结果表明：滴定水滴在低温冷板表面的冻结过程主要分为：过冷水滴阶段、冰水混合阶段和完全冰珠阶段，且随着冷板表面温度的降低，不同体积的滴定水滴的冻结次序前后相反。当冷板表面温度在-8℃～-4℃范围内时，体积越小的滴定水滴越早出现冰霜薄膜；当冷板表面温度为-9℃时，不同体积的滴定水滴的冻结时间基本相同；当冷板表面温度在-20℃～-10℃范围内时，体积越大的滴定水滴越早出现冰霜薄膜。超疏水铝片表面滴定水滴出现冰霜薄膜的时刻均晚于常规铝片，当铝片表面温度为-11℃时，超疏水表面滴定水滴出现冰霜薄膜的时刻较常规铝片表面推迟了28分钟，超疏水表面呈现出较为明显的延缓冻结特性。当低温铝片表面风速为1m/s时，湿空气中的水蒸气在不同温度的低温铝片表面的相变现象不同，铝片表面温度范围为-3℃～-1℃时，湿空气在低温铝片表面生成冷凝水滴；铝片表面温度范围为-9℃～-4℃时，湿空气在低温铝片表面生成珠状霜层；铝片表面温度范围为-15℃～-10℃时，湿空气在低温铝片表面生成针状霜层。超疏水铝片表面生成的冷凝水滴量、珠状霜层量和针状霜层量均少于常规铝片的生成量，超疏水铝片表面整体呈现出较好的抑霜性能。当低温铝片表面风速为1m/s时，超疏水铝片表面的部分融霜水滴被吹落铝片表面，且超疏水铝片表面的融霜水滴会自发凝聚为体积较大的水滴，使得铝片表面出现了部分无融霜水滴区域，超疏水铝片的融霜排液特性优于常规铝片。

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2空气源热泵表面结霜现象及其危害

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究的意义及内容

1.5 本章小结

第二章 湿空气的相变及超疏水表面抑霜机理分析

2.1湿空气的三相变化

2.2 超疏水表面抑霜机理分析

2.3 本章小结

第三章 铝基超疏水表面的制备及分析

3.1 实验室的介绍

3.2 超疏水表面制备方案的选定

3.3铝基超疏水表面的制备实验

3.4本章小结

第四章 自然对流条件下低温铝片表面滴定水滴冻结实验及分析

4.1 冷板制冷系统实验装置

4.2实验内容与方法

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章 强制对流条件下湿空气在低温铝片上的结霜实验及分析

5.1 强制对流冷板制冷系统实验装置的搭建

5.2实验内容与方法

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

致谢