疏水涂层蒸发器抑霜性能

1.1　实验样品      

本文选取某单制冷循环系统对开门冰箱产品作为测试样机。实验样机的制冷循环示意图见图1，空气循环示意图见图2。

该冰箱所用蒸发器为铝翅片管、 顺排。冰箱制冷时热空气从蒸发器底部进入，流经翅片管换热后，从顶部吹出，蒸发器垂直空气流向2排管，平行空气流向20列管，将平行空气流向的20列管自上而下编号#1～#20，如图3所示，其中#1～#5 列翅片间距为5mm，#6～#10列翅片间距为7.5mm， #11～#14列翅片间距为10mm，#15～#18列翅片间距为15mm，#19～#20列翅片间距为20mm。

实验中蒸发器分为两组，其中一组表面不做任何处理（裸铝）作为参照组，另一组表面均匀喷涂接触角为106.5°的疏 水材料作为实验组，涂层厚度约10μm喷涂疏水涂层前后翅片表面的疏水性见图3。

1.2　实验装置       

实验中主要测点以及相应传感器精度如表1所示。按照国家标准GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》中耗电量测试规定的方法布置。另外，本文还对实验样机的蒸发器风道盖板进行开窗处理（图4）。

1.3　实验方法       

实验过程中将样机置于温度32.0℃±0.5℃，相对湿度85%±3%的测试环境中，样机冷藏室温度设置为 4℃、冷冻室温度设置为-18℃，为避免其他因素对测试结果造成影响，对比测试在同一箱体中进行，即对比 的两组测试变量仅为蒸发器是否有疏水涂层，测试结果见表2。

表2中的所有测试均进行480h。测试过程中，冰箱保持空箱运行、无化霜，整个测试周期内冰箱制冷系统平均冷凝压力、冷藏室平均温度、冷冻室平均温度、 冷藏与冷冻回风平均温度和湿度均没有出现明显的变化，即冰箱一直处在相对稳定的运行状态。在初次、二次结霜测试过程中，每间隔8h拍照记录蒸发器的结霜情况，在能耗测试中为避免摄像头耗电对实验结果的影响未进行拍照记录。

2.1　蒸发器初次结霜        

本文中初次结霜是指蒸发器从表面完全干燥状 态开始的结霜过程。图5所示为初次结霜开始以及测试结束时裸铝蒸发器与疏水蒸发器上、中、下位置霜层的分布情况。0时刻蒸发器为干表面，随着时间的 推移，霜逐渐积累，霜层厚度逐渐增加。测试结束时，裸铝蒸发器表面共结霜749g，疏水涂层蒸发器表面共 结霜626g，疏水涂层蒸发器比裸铝蒸发器结霜量少约 16.4%。

由于蒸发器表面第#4～#6列霜量积累最多，图6展示了这3列管的霜层厚度变化过程，相应的第 #4、第#6列翅片表面霜层厚度增长曲线如图7所示。

将霜层在某个翅片表面的积累过程分为结霜的初期阶段（如图7中0～144h）以及充分发展阶段（如图 7中>144h）。在结霜初期阶段，裸铝翅片表面除管路背风侧的弱换热区以外，几乎被霜全部覆盖，而疏水翅片表面霜呈斑驳状附着，即翅片表面存在较大面积的干燥区域（如图8），因而在图7中144h之前疏水翅片表面厚度未统计。

在结霜的充分发展阶段，从图7可以看出，相同管列数的裸铝翅片与疏水表面霜层厚度的增长率差别不大。因此，可以判断，初期阶段疏水表面霜结晶形成的滞后性是造成两种蒸发器表面最终结霜量差异的主要原因。当霜全部覆盖表面后，疏水作用基本失效，霜量增长速度趋于一致。需要说明的是，蒸发器不同位置结霜并不均匀，因此不同管列数初期 阶段维持的时间有所不同（并非都为144h）。

因为本文测试中480h内蒸发器始终没有结满霜，所以结霜滞后现象一直存在。

2.2　蒸发器二次结霜       

本文将蒸发器化霜排水后再次制冷过程中的结霜称为蒸发器的二次结霜。与初次结霜不同的是，二次结霜开始时蒸发器表面为湿表面。由上文分析，疏水涂层的主要贡献在于霜结晶初始层形成的滞后性，因此以下着重对结霜初期阶段展开讨论。

图9为二次结霜测试开始0时刻时蒸发器表面残余化霜水的分布情况。由于疏水表面更有利于化霜水的排出，疏水涂层蒸发器表面较裸铝蒸发器表面残留的水量明显要少。另外，水在蒸发器表面的存在形态也有所不同。在裸铝蒸发器表面残留水呈膜状，甚至在个别相邻翅片间形成水桥，而在疏水蒸发器表面，残留水则是以球状小液滴形态散布，液滴以外的区域为干燥表面。在结霜初期阶段，蒸发器开始制冷后其表面残留的液态水迅速冻结，其中裸铝翅片表面的水形成一层冰壳覆盖了整个管翅表面，而疏水蒸发器表面的水则形成小冰粒，并且仍然有大面积的干燥区域存在，如图10所示。

二次结霜测试最终得到的结果表明：裸铝蒸发器 表面结霜量约为981g，疏水蒸发器表面结霜量约为 756g，后者比前者结霜量约减少22.9%。由于结霜开 始前疏水蒸发器表面干燥区域的疏水作用，初期阶段的结霜滞后现象依然存在，且由于裸铝蒸发器在结霜 开始前已经被水全部浸润，两个因素同时作用加剧了 这种滞后现象。因此二次结霜过程比初次结霜过程疏 水涂层的抑霜作用更加明显。

2.3　整机能耗测试       

为追踪蒸发器结霜量对冰箱性能的影响，在测试 的480h内每24h作为一个时间单位进行数据统计，测 试过程中冰箱平均蒸发温度与蒸发器进出风平均温度 变化如图11所示。从图11中不难看出，随着时间的推移两种蒸 发器的蒸发温度、出风温度整体上呈下降趋势，同时进风温度呈上升趋势。

这主要是由于随着霜层增长换热热阻以及空气流阻逐渐增大，从而导致蒸发器换 热量以及风量变小。虽然总体趋势一致，但两种蒸发 器之间在变化的速率与幅度上存在着差异。裸铝蒸发器平均蒸发温度从最开始的-25.1℃下降到-26.1℃， 共下降1.0℃。疏水蒸发器的蒸发温度虽然在480h 内总体下降，但相对来说基本维持在一个比较稳定的水平，从最开始的-25.1℃到最终的-25.5℃，仅下降了0.4℃。进风温度裸铝蒸发器的蒸发温度共上升 0.7℃、疏水蒸发器的蒸发温度共上升0.5℃，出风温度 裸铝蒸发器的蒸发温度共下降0.8℃、疏水蒸发器的蒸发温度共下降0.4℃。

以上数据皆显示疏水蒸发器相 较于裸铝蒸发器各温度都变化速率低、幅度小。这可以从侧面说明，疏水蒸发器比裸铝蒸发器霜层增长更缓慢，即疏水蒸发器存在抑霜效果且可以使蒸发器高效换热时间延长。

测试周期内每24h冰箱稳定运行日耗电量的变化 如图12所示。从图中可以看出无论蒸发器是否具有疏水涂层，冰箱能耗随霜层厚度增加的变化趋势是一致的。在结霜开始后的一段时间内，随着霜的积累，冰箱能耗略有下降。这主要是因为针状的霜结晶在平翅片上附着，一方面增大了换热表面的粗造度，另一方面增大了换热接触面积，所以蒸发器单位时间内的换热量增大，冰箱能耗下降。

随后当霜层厚度持续增加，霜层的热阻以及空气侧风阻也随之增大，当阻值增大到一定程度蒸发器的换热量与风量均下降，因此冰箱的能耗又开始逐渐增大。

本文将冰箱能耗从最低开始增大的点称为蒸发器的换热恶化点。值得注意的是，当采用疏水蒸发器时换热恶化点比用裸铝翅片时延迟了约24h，即疏水涂层 的抑霜作用可延迟蒸发器换热恶化点出现的时间。在换热恶化点以后，采用疏水蒸发器的样机较采用裸铝 翅片的样机能耗增加更加缓慢，测试进行至240h以后前者的耗电量低于后者，且越到结霜后期降低的幅度 越明显。

在整个480h测试周期内，疏水蒸发器样机平均日能耗约为1.3354kW·h/24h，裸铝蒸发器样机平均日能耗约为1.3441kW·h/24h，前者比后者低约 0.65%。而在测试结束前的最后24h，疏水蒸发器样机日能耗约为1.3475kW·h/24h，裸铝蒸发器样机日能耗 约为1.3741kW·h/24h，前者比后者低约1.94%。可见疏水蒸发器的抑霜效果有利于冰箱整机能耗的降低以 及化霜周期的延长。

本文通过实验观测的手段对比研究了疏水涂层蒸 发器与裸铝蒸发器表面的初次结霜、二次结霜过程，并分析了两种蒸发器结霜对冰箱整机性能的影响，主要得到如下结论：

（1）在冰箱运行过程中，无论蒸发器初次结霜还是二次结霜，疏水蒸发器的结霜量都比裸铝蒸发器要少。

在本文的实验条件下结霜480h后，初次结霜减少约 16.4%，二次结霜减小约22.9%。

（2）疏水蒸发器能够延缓结霜的主要原因是，在结霜初期阶段霜晶体在疏水表面的形成有滞后性，此时霜在翅片上呈斑驳状分布，但当结霜中后期霜层覆盖全部表面后，疏水作用基本失效，霜量增长速率与裸铝翅片差别不大。

（3）相较于初次结霜，化霜后的二次结霜疏水蒸发 器的抑霜作用表现更明显，这主要是因为疏水涂层有利于化霜后排水，二次结霜开始时裸铝翅片几乎被残留水全部浸润，而疏水涂层表面仅有零散分布的小液滴，仍存在大面积的干燥区域。

（4）疏水蒸发器的抑霜作用有利于整机能耗的降低与化霜周期的延长。在本文的测试条件下，由于结霜引起的蒸发器换热恶化点延后约24h，结霜480h后下样机日耗电量下降约1.94%。