疏水性翅片管换热器表面融霜特性与系统耦合机制

空气源热泵冬季运行存在结霜问题，严重影响性能，掌握翅片管换热器表面的融霜特性与系统耦合机制是空气源热泵融霜过程优化的基础。本项目提出一种可实现融霜过程系统参数调节的新型除霜方式- - 显热除霜，采用理论、实验和模拟相结合的方法，探析基于显热除霜的疏水性翅片管换热器表面的融霜特性。理论分析与可视化实验揭示除霜过程中翅片表面霜层融化、水膜运动的细微观物理特征，探索翅片表面的疏水特性对水膜流动强化的作用机制，阐明由其引起的各融霜流路换热非均匀性的机理，揭示制冷剂、翅片、霜层、水膜和空气的热质传递规律，建立非平衡过程的翅片管换热器融霜数理模型，进而构建出空气源热泵除霜循环模型，揭示融霜时系统宏观参数与系统融霜特性的耦合机制，提出空气源热泵融霜过程优化控制策略，采用非平衡热力学，优化除霜循环热力学特性，构建空气源热泵除霜循环优化与评价方法。本研究将为融霜过程优化与探索新型空气源热泵除霜方法提供理论基础。

空气源热泵冬季制热运行存在结霜问题，严重影响性能，掌握翅片管换热器表面的融霜特性与系统耦合机制是空气源热泵融霜过程优化的基础。本项目采取理论分析、建模仿真和试验研究相结合的方法，系统地揭示了翅片管换热器表面的融霜特性，为融霜过程优化与探索新型除霜方法提供了理论基础。以单个翅片为研究对象，通过实验手段实现了结霜/融霜过程细微观物理特征的可视化观测和霜层热工特性参数的测量，探究了具有不同接触角的翅片表面对结霜/融霜过程的影响，揭示了疏水性翅片的抑霜和融霜机理。结果表明，接触角越大的表面其抗凝露和抑霜效果越好。融霜时，超疏水表面的霜层能够整体从表面快速脱离，有利于缩短融霜时间和减少耗热量。重点研究了翅片表面融霜水的滞留机理及影响因素，指出接触角滞后△θ是造成融霜水滞留的原因，接触角θ则决定了滞留液滴的形态，并且翅片表面存在最大滞留液滴，其半径由θ和△θ共同决定。融霜水在亲水表面铺展形成薄薄的水膜，而在超疏水表面凝聚成微小的球形水珠，且分布稀疏，超疏水表面的滞留水量比亲水表面减少了79.8%。普通表面的滞留水量及分布受结霜程度影响，而超疏水表面则不受影响，改变融霜温度对融霜水滞留几乎没有影响。建立了滞留融霜水的预测模型，研究了θ和△θ对最大滞留液滴半径、分布密度及滞留水量的影响，当接触角在110°～150°范围内，该模型精确度较高。以翅片管换热器为研究对象，基于显热除霜方式，模拟研究了除霜过程中制冷剂温度、流量对除霜效率和时间的影响。同时，通过构建翅片管换热器结霜/融霜实验系统，研究了亲水型、普通型和超疏水型翅片管换热器的结霜/除霜特性。结果表明，超疏水型换热器的抑霜效果最佳。亲水型、普通型和超疏水型翅片管换热器表面的滞留水量占结霜量的比例依次为27.5%、25.2%和18.1%，超疏水型翅片管换热器除霜耗时短，消耗能量少，选用这类翅片管换热器更有利于空气源热泵的高效运行。以空气源热泵系统为研究对象，建立了空气源热泵除霜循环的系统模型，该模型能够有效预测空气源热泵结霜/除霜过程中系统性能的变化规律与传热传质现象。通过构建空气源热泵除霜实验系统，对显热除霜和逆向除霜方式进行了对比分析，比较了除霜过程中压缩机吸排气压力、压缩机功率、供水温度、能耗等参数，总结了两种除霜方式的优缺点，为进一步研究空气源热泵除霜控制策略提供了基础。