超疏水铝基表面换热器在空气源热泵系统中的理论与实验研究

发布时间：2020-11-19 02:39

【摘要】：在我国很多南方城市,冬季没有集中供暖措施,但空气湿冷,体感温度很低。而空气源热泵既节能又环保,是良好的采暖设备。但是空气源热泵的室外机蒸发器会出现不同程度的结霜问题。霜层的存在会严重影响热泵机组的运行,降低机组的COP,严重时甚至导致机组停机。因此,需要采取一些措施对热泵机组的室外机进行除霜,以确保机组的正常运行。目前国内外常用的针对空气源热泵室外机的除霜方法大多会影响室内舒适度或者消耗额外能源。本课题组基于超疏水理论及技术,对蒸发器翅片表面进行改性处理,提出了一种从根本上进行抑霜的方法,既不影响热泵系统的运行,又能延缓或抑制霜层的形成。本文通过理论机理分析和实验以及模拟的方法研究其抑霜性能。本文首先通过理论机理分析,得出当表面接触角越大时,水珠与冷表面的传热热阻越大,霜层越难生长的结论。然后采用氢氟酸和盐酸进行化学刻蚀、用氟硅烷进行表面修饰的超疏水铝基表面制备技术,制备出平均接触角为154.6°的超疏水铝基表面,并且研究了氟硅烷修饰时长与接触角之间的关系。实验表明:当氟硅烷修饰时间为40min时修饰效果最佳,所制备的换热器翅片铝基表面达到超疏水效果。通过电镜扫描观察,疏水表面所形成的迷宫状微纳结构,是铝基表面具备超疏水性的关键因素。为测试超疏水铝基表面的抑霜性能,本文搭建了抑霜性测试实验系统,对竖直常规铝基表面和超疏水铝基表面的结霜和融霜过程进行了研究。实验中铝基表面的温度变化范围为0℃~-15℃,表面风速设置为1m/s~3m/s,环境空气温度为10℃,相对湿度为70%。结果显示,当温度为0℃至-2℃时,铝基表面会出现冷凝水珠,超疏水铝基表面较常规铝基而言,出现冷凝水珠的时间有150s~200s的延迟;当温度为-3℃至-4℃时,两种铝基表面均表现为先出现冷凝水珠,后冷凝水珠冻结成冰珠的现象,除了超疏水铝基表面较常规铝基出现冷凝水珠的时间有90s~100s的延迟之外,超疏水铝基表面的冰珠体积细小,数量少,而常规铝基表面的水珠体积大,数量多;当温度低于-5℃时,两种铝基表面直接出现针状霜层,且超疏水铝基表面的霜层厚度更小,表现出明显的抑霜效果;风速的变化对常规铝基表面霜层的形成有较大的影响:当风速变大时会加速霜层的形成,但对超疏水铝基表面霜层的形成影响不大;在融霜实验中,发现常规铝基表面的霜层先出现融化的迹象,但超疏水铝基表面霜层融化速率虽较常规铝基表面霜层融化慢,即固液相变速率较低,但由于其形成的细小水珠蒸发速率快,极易蒸发,液汽相变速率提高,能有效避免融水的二次冻结,从而达到促进融霜的效果。为防止室外蒸发器翅片污垢热阻的产生,本文搭建翅片自洁性测试实验台,对超疏水铝基表面的自洁能力进行实验测试,与常规铝基表面的自清洁性能进行了实验对比,发现在超疏水铝基表面存在液滴时,液珠极易滚落,能有效地带走表面的灰尘。本文应用FLUENT模拟软件对水滴在铝基表面附着的传热过程进行了数值模拟,结果显示,当铝基表面的接触角增大时,水滴在整个传热过程中的平均温度升高,水滴达到结霜点温度的时间延长。模拟结果从传热角度再次证明了超疏水铝基表面的抑霜性。通过本文的研究,发现超疏水技术在空气源热泵室外换热器翅片上的应用对解决空气源热泵室外机结霜问题有很大的意义,可以使空气源热泵系统的使用性能得到极大的提高,使用范围也会得到推广。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU83
【图文】：

1.1 我国冬季供暖现状建筑是能源消耗大户，我国每年的建筑能耗占全国商品总能耗的 30％以上，与交工业并列，成为我国三大耗能大户之一。其中，夏季空调制冷能耗和冬季供热能耗筑能耗的主要形式，减少冬季供暖能耗是建筑节能的必要环节。而我国地域辽阔，气候差异性极大，供暖形式多样化。根据《民用建筑热工设计标准》，我国可以划温和、夏热冬暖、夏热冬冷、寒冷和严寒 5 个区域[1]。其中，主要位于长江流域的冬冷地区，以武汉、长沙为例，冬季阴冷，太阳辐射量小于 750 MJ/m2，1 月平均气 0～8.6℃[2]，极端最低气温甚至低达-18.1℃和-11.3℃，平均相对湿度为 77%和 83%[我国的供暖区域划分大致是以秦岭为分界，如图 1.1 所示，在秦岭以南的武汉、长地未实行集中供暖。由于相对湿度高，当地的居民在冬季的体感温度极低。为了达作和居住环境的舒适性要求，采暖设备成为必需品。

泵工作原理泵是热泵的一种类型，由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流外环境中的空气作为冷热源，向建筑物内部（或者被调节。空气源热泵的工作原理是逆卡诺循环，在系统运行时，比如：电能、机械能），驱动压缩机工作，将来自蒸发器高温高压的气态制冷剂；高温高压的气态制冷剂通过冷凝机放出大量的热量；流出冷凝器后，制冷剂变成了高温低压压力降低，变为低温低压的液体；高温低压的液态制冷剂热量，发生气化相变，变为低温低压的气态制冷剂，进入循环，将空气中的低品位热能提升为高品位热能，加以利如图 1.2 所示。

（a）结霜现象整体图 (b)结霜现象局部图图 1.3 热泵机组轻霜霜层和重霜霜层图面的霜层的导热热阻大,使换热器表面的传热系数降低。而且的有效间距变窄，流过换热器的空气流量减小。上述原因会制热量减少,风机性能衰减，降低机组的 COP，严重时甚至导取一些措施对热泵机组的室外机进行除霜，以确保机组的正泵室外换热器翅片结霜现象的研究现状源热泵结霜的因素热泵结霜的因素有很多，从结霜的源头来看，空气源热泵所情况的一个重要因素。针对该因素，国内外学者采用模拟和结霜现象进行了研究：
【参考文献】

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本文编号：2889573