空调换热器表面排水性能该如何提升？

    空气中含有一定量的水，当空气接触表面的温度下降到露点温度以下时，空气中的一部分水就会在该表面凝结从而产生冷凝水。 本文我们将来探讨下空调换热器表面排水问题。

     0 、 前言

制冷换热器表面如果附着的冷凝水若没有及时排除，将显著影响换热器的性能：    

① 残留在换热器表面的冷凝水会增加空气与换热器之间的换热热阻；

② 残留在换热器表面的冷凝水会占据空气的流动空间，增加流动阻力，增大空气侧压降；

③ 如果是传统空调系统，在停机阶段，换热器表面冷凝水将会二次蒸发，这大大降低了空调的除湿能力，进而会影响室内环境的热舒适；

④ 这些冷凝水还给细菌的滋生提供了温床，影响健康。

因此，我们需要合理地设计换热器肋片表面结构及特性，增强换热器的排水性能，提升系统除湿能力。    

首先我们来理解下换热器的亲疏水性。亲水性表面的接触角小于 90°，超亲水性表面的接触角小于5°，而疏水性表面的接触角大于 90°，超疏水性表面的接触角大于 150°。通过测量和分析接触角等参量，就能很好地进行物体表面排水性能的评价。

对于一般物体表面，疏水性表面的排水性能是要优于亲水性表面的。然而在空调应用中，多个表面在蒸发器上紧密排列，疏水性过强的表面会导致冷凝水液滴高度超过表面间距，从而在两个表面之间形成水桥，反而会大大阻碍液滴下落，从而降低蒸发器整体的排水性能。因此在实际应用中，除了考虑单一表面的排水性能外，还需要兼顾多个表面之间的相互影响以及换热器整体的排水性能。

另外，附着的冷凝水对换热器换热效率的影响也并非简单的线性关系。甚至在某些情况下， 附着的冷凝水因为强化了气流的湍流度反而提升了换热器的换热系数。因此，空调换热器表面冷凝水的附着特性，以及对换热器和整体系统性能的影响是一个包含多重因素的复杂问题。

 

 

     1、  液滴状态的理论模型和影响因素

1.1 表面液滴状态的理论模型       

1.1.1液滴的表观接触角    

在这里我们介绍如下几个模型：

(1) Young模型：

 

(2) Wenzel模型：

 

(3) Cassie模型：

1.1.2 表面液滴的接触角滞后性    

一般情况下，接触角越小说明液体越容易在该物体表面铺展开来，从而在下滑时，受到更大的摩擦力阻碍。而接触角越大则说明液体越容易从该物体表面脱落。当然，仅仅凭借静态接触角的大小来评价物体的表面润湿性是不全面也不准确的。

对在水平表面处于平衡状态的液滴，如图3a 所示，当向其内注入液体时，在固-液接触面不变的情况下液滴会鼓胀变大，直至液固界面向外发生移动，取代原先的气固界面。在移动发生前的一瞬间，液滴的静态接触角达到最大值，即为前进接触角；

反之当从其内抽出液体时，在固-液接触面不变的情况下液滴会收缩变小，直至气固界面取代液固界面，在移动发生前的一瞬间，液滴的静态接触角达到最小值，为后退接触角。

如图3b所示，此时前端接触角达到最大值，其数值等于前进接触角θa，后端接触角达到最小值，其数值等于后退接触角θr，其液滴滑落的临界倾斜度即为临界角α。前进接触角和后退接 触角之差 q a -q i就是接触角滞后，可以看出，前进接触角越小后退接触角越大，即接触角滞后越小则液滴越容易从表面滑落，其临界角也越小，这也说明临界角越小，表面的排水能力越好。

1.1.3 表面液滴形状的描述和相关受力分析    

若忽略重力的影响，则液滴在平滑表面呈现球缺状，而其静态接触角θ就是球缺面与球缺底面交线上球缺面的切线与球缺底面的夹角，圆形三相接触线半径r即为球缺底面的半径，由几何关系可得球缺的体积：

液滴在表面的接触线形状还存在除了圆形以外的非完全对称的情况，当液滴两端受约束时， 轮廓线两侧平行前后为圆弧，如图4b所示；当液滴沿斜面滑落时，其轮廓线如图4c所示，此时液滴侧面的轮廓线是一段半径连续变化的圆弧。

1.1.4 液滴尺寸分布模型    

肋片表面液滴的尺寸分布不仅与单个液滴尺寸及其受力状况有关，还受到液滴之间的合并作用、扫除效应等因素的影响。

1.2 表面液滴状态的其他影响因素        

单个肋片表面的冷凝水滞留量主要受肋片表面性质和环境因素的影响。除了上文提到的如表面粗糙度等肋片表面性质相关参数的影响，还有以下影响因素：

（1）来流气体的温湿度和风速会通过对传热传质速率的影响影响冷凝水量；

（2）环境的干球温度和含湿量都对滞留量有影响，而空气的雷诺数则不影响滞留水量；

（3）肋片密度和换热器布置等因素也会影响整个换热器的冷凝水滞留量；

（4）冷凝水滞留量如果不断增加，直到最大值，在达到最大值之后冷凝水质量会很快开始下降，并最终停留在一个稳定值；

 

     2、 换热器排水性能对空调系统的影响

2.1 普通换热器结露对空调系统的影响       

夏季制冷工况条件下室内换热器常处于凝露状态，肋片上冷凝水较多，而冷凝水的不及时排出，对空气侧的换热和流动特性都会造成影响。这种影响通常会被视为增加了空气与肋片表面的换热热阻，但实际情况要更为复杂。

如图7所示，当肋片间距较小或空气流速较大时，空气的流动边界层的厚度不及冷凝液滴的高度，这时附着的冷凝液滴就会打断边界层的连续，从而促使湍流的产生，对换热会起到一定的强化作用；而当肋片间距较大，空气流速较低时，其流动边界层充分发展，会淹没冷凝液滴，此时液滴的存在增加了传热热阻，对换热起到了恶化作用。

需要指出的是，对于具有亲水表面的肋片来说，冷凝水在其表面往往形成连续的水膜，这时其对换热的影响更多的是增加换热热阻。另外，对于流动特性来说，冷凝液滴相当于占据了流动空间，导致空气通路的堵塞也增加了扰流，使得通风阻力及空气侧压降增大。

有关这个问题，近几年研究结论如下：

（1）湿工况下换热器的摩擦因数会显著上升，其增加量随着肋间距的下降而变大；

（2）冷凝水在肋片表面的运动有可能会导致肋片温度的重新分布，从而改变肋片效率；

（3）冷凝水的重新蒸发会使得开停控制 的空调系统的除湿能力大幅下降；

（4）当室内温度设定值 从26 ℃下降到24 ℃时，空调能耗会增加9%左右， 并且附着的冷凝水也进一步导致压缩机能耗上升 5%～7%；

（5）受到冷凝水自上而下的流动，制冷剂不均匀分配及重力的影响，可能出现不均匀结露结霜的现象，严重时可能破坏换热器。

2.2 表面特殊处理换热器对空调系统的影响        

为了提升换热器在湿工况下的性能，学者们进行了很多研究，通过换热器表面的亲水和疏水处理防止传热和流动性能恶化。

2.2.1亲水性处理提升换热器表面的排水性能    

（1）在亲水翅片换热器中，残留水以膜状分布能避免普通翅片换热器上形成的水桥现象，从而更容易排出，且不易堵塞空气通道。

（2）水膜面积大有利于残留水的蒸干，在采用开停控制的情况下，其翅片上基本无残留水(当然，这也导致了更强的二次蒸发)。但在管路与翅片交接处有一定积水且在换热器底部有较多积水，如果换热器倾斜一定角度则有利于底部积水的排出。

（3）亲水翅片换热器中翅片上的冷凝水以膜状形式容易排出，特别是在高湿度工况下冷凝水排出量较大，同时空气侧风阻下降，风量增大，迎风面风速有所增加，使空调制冷量略有增加。

（4）但其他研究也表明，膜状冷凝水覆盖翅片表面会使换热器换热系数相对于珠状冷凝的情况有所下降，因而，整体上将表面润湿性制备为亲水特性对制冷量影响不明显。

（5）从换热器传热过程来分析，亲水性表面可以避免水桥的形成从而增加有效传热面积，由于压降的减小，在风机转速不变的情况下传热温差会有所增加，但其表面传热系数是略有下降，总的来说，其换热量是有所增加的。

2.2.2采用疏水性处理提升换热器表面的排水性能。    

（1）如果液滴脱落的临界直径小于肋片间距的一半，防止水桥的形成，则疏水肋片可以大大提升换热器的排水性能，减少冷凝水滞留量；反之，则有可能恶化排水性能。

（2）不同的换热器种类，疏水性表面的排水性能差别较大。微通道换热器，百叶窗翅片的疏水性会造成水桥现象，会使空气侧压降增大，以致换热效率下降；翅片管换热器，在纯蒸汽条件下的传热性能是疏水表面优于超疏水表面，普通表面最差；

（3）在含少量不凝性气体条件下的传热性能是超疏水表面优于疏水表面，普通表面最差；在不凝性气体含量较高时，三者传热性能差别不大。对于激光表面改性的换热管，其能促进滴状冷凝，增强冷凝换热效果。

另外，SOMMERS等研究发现：

通过加工微型槽道而建立阻止液滴自由延展的连续性，可以减少大于27%的冷凝水滞留量，并减少30%～36%的流动压降。

 

 

     3、  排水性能的优化方法

3.1 亲水表面制备       

（1）亲水涂料的涂覆作用：

可使表面呈现超亲水性，这是由于亲水涂料化学组成中含有大量易与水结合的羟基或碱金属，从而能够吸住水分，达到亲水效果。

（2）亲水涂料的原料：

在亲水涂料制备中使用表面活性剂，如十二烷基磺酸钠等，对表面亲水性的形成也有很大作用。此外，材料表面的微孔结构能使水吸附停留在表面的凹缝内，剩下的液滴则在固-液混合面上流动，微观结构与水分子具有相同物化性质的亲水涂覆表面上的液滴也可在表面上自行覆盖展开。

（3）亲水涂料的分类：

亲水涂料涂覆的亲水膜可分为有机亲水膜、无机亲水膜和有机-无机复合亲水膜。

有机亲水膜是通过分子量较小的亲水树脂缩合而形成的高分子聚合物，其成膜剂可为水溶性纤维素CMC等。

无机亲水膜的主要成分为二氧化硅和氧化钠，通过其在水中解离后相邻粒子表面间的硅醇键发生缩合而形成三维网状结构，通常加入一定量的高分子聚合物以提高其韧性。

复合亲水膜是由亲水性树脂和少量的 硅酸盐或可溶性硅胶组成，其可分别单独成膜，也可相互形成化学结合而共同成膜。

（4）亲水涂料制备方法：

包括化学气相沉积法、液相沉积法、电化学法，溶胶-凝胶法等。其中最常用的亲水膜制备方法是溶胶-凝胶法，因为其制备方法较简单且效果较好。利用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜可在大面积和任意形状的基底上镀膜。

其化学反应过程分为水解和缩合两部分：

首先以金属醇盐等作为前驱体进行水解，然后经羟基缩合发生失水缩聚或失醇缩聚，交联形成三维空间网络结构的凝胶。其中，前驱体可以选择钛醇盐(包括钛酸乙酯、钛酸丁酯、钛酸异 丙酯)、四氯化钛、硫酸钛及硫酸氧钛等。其TiO2 薄膜的制备过程主要包括溶胶制备、溶胶陈化、镀膜和后续热处理等步骤。

而后，通过浸渍或溅射等过程，经一定时间紫外线照射即可使表面具有超亲水性。而且，采用复合SiO2、掺杂金属或非金属元素、利用模板构造薄膜表面微结构等方法可增强 TiO2薄膜的超亲水性。当然，TiO2薄膜超亲水性的长效性和稳定性仍是其应用中的重要问题。

3.2 疏水表面制备       

研究者发现荷叶具有很强的疏水性能，因此，人们提出上文的表面润湿模型，并发现通过对实际表面微观结构的改造，可以改变表面疏水性，其粗糙表面的表观静态接触角与复合表面各物质的接触面积比例有关。

合理的设计表面微结构，从而影响复合润湿状态，能够很好地增强疏水性。

（1）为了提高固体表面的疏水性，研究者们提出了不同的复合尺寸微观结构。

通过印刷模板，结合自组装的单分子层和硅烷化技术，来仿照天然植物，可得到具有较好超疏水性的仿植物结构聚合物膜。此外，使用校准过的碳纳米管，电沉积氧化锌，等离子碳氟化合物都可以用于形成这种特殊的表面微观结构。

GRONNDIJK等通过毫微秒激光技术在不锈钢表面实现了这种微观结构，同一技术也可以被运用于聚合物表面。通过覆激光雕刻的硅膜和纳米铜丝都可以将原来亲水的表面修饰成疏水表面。

KIETZIG等将毫微秒激光技术用于表面变性，首次不用覆膜就实现给不同的亲水金属表面赋予超疏水性。

（2）通过降低表面自由能和提高表面粗糙度也可以提升固体表面的疏水性能。

使用有机硅氟材料，如聚二甲基硅氧烷、全氟烷等，和有机合成材料以及两亲性PVA纳米纤维等，通过聚合物溶液成膜的方法，可降低表面自由能来获得超疏水表面。通过层层自组装技术可得到由含氟聚电介质和棒状黏土复合形成的超疏水表面。组装过程中聚集黏土而形成微米尺度的聚集体，由黏土堆积形成的粗糙表面与含氟聚电介质具有的低表面能共同作用而增强表面的疏水性。

（3）采用蚀刻技术可得到不同微观形状的表面粗糙结构以实现表面的超疏水性。

如QIAN 等的化学蚀刻和BAYIATI 等的等离子蚀刻。SOMMERS 等采用光刻蚀的方法制造了一种各向异性的由微米级平行槽道构成的特征表面，这种处理使得临界滑落体积减少了50% 以上。

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