CN107036337B - 再生热交换器疏水性涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在热交换器上再生疏水性涂层的方法包括：将所述疏水性涂层暴露于约五十至一百五十摄氏度范围内的温度。所述热交换器还可以是在制冷系统中使用的蒸发器，其中对涂布有所述疏水性涂层的、所述蒸发器的多个翅片进行加热。通过加热，所述疏水性涂层的分子结构可重组，从而再生归因于所述疏水性涂层的抗霜冻特征。

Description

再生热交换器疏水性涂层的方法
背景
本公开涉及一种热交换器，并且更详细而言涉及一种再生所述热交换器的疏水性涂层的方法。
霜冻积聚可能发生在热交换器(例如像在制冷系统中使用的蒸发器)的热传递表面上。热传递表面上的霜冻沉积可能导致若干不良影响，如流体流动通道的堵塞、热传递的劣化、压降和风扇功率的增大以及整体更低的能量效率。另外，热交换器通常设计有较大翅片间距和精细程度较低的增强特征以便适应霜冻，从而导致以热传递观点来讲的次最优设计。
概述
根据本公开的一个非限制性实施方案的一种在热交换器上再生疏水性涂层的方法包括：将疏水性涂层暴露于约五十至一百五十摄氏度范围内的温度。
除前述实施方案之外，所述疏水性涂层还包括聚合物。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述温度处于约五十至一百摄氏度范围内。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述热交换器为蒸发器，所述蒸发器包括多个管以用于使第一热传递流体流动。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，至少部分地通过热交换器的管来逆转第一热传递流体的流动而实现所述温度。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，至少部分地通过控制流经涂布有疏水性涂层的、热交换器的多个翅片的第一热传递流体的流动速率来实现所述温度。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，至少部分地通过控制流经涂布有疏水性涂层的、热交换器的多个翅片的第二热传递流体的第二热传递流体温度来实现所述温度。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述方法包括：经由在一段时间上暴露于所述温度来重组疏水性涂层的分子布置。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述疏水性涂层包括有机物质。
根据另一非限制性实施方案的一种再生在制冷系统中使用的蒸发器的疏水性涂层的方法包括：加热涂布有疏水性涂层的、蒸发器的多个翅片；以及经由所述加热来重组疏水性涂层的分子结构。
除前述实施方案之外，所述加热还包括：通过制冷系统来逆转第一热传递流体的流动。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述加热还包括：控制第二热传递流体在所述多个翅片上的流动。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述加热还包括：使第一热传递流体流绕过冷凝器周围。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，控制器初始化旁路装置以便控制冷凝器周围的第一热传递流体流。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述疏水性涂层包括有机物质。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述疏水性涂层包括聚合物。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述加热在一段时间上将聚合物暴露于约五十至一百五十摄氏度范围内的温度。
在前述实施方案中，作为上述内容的替代方式或除上述内容之外，所述温度处于约五十至一百摄氏度范围内。
前述特征和元件可以按照非排他性方式组合在各种组合中，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件以及其操作将变得更为明显。然而，应理解，以下描述和附图意图在本质上是示例性的和非限制性的。
附图简述
从以下对所公开的非限制性实施方案的详细描述中，各种特征对于本领域技术人员将变得显而易见。伴随详细描述的附图可简述如下：
图1是作为本公开的一个非限制性示例性实施方案的、使用热交换器的制冷系统的示意图；
图2是热交换器的透视图；
图3是热交换器的第二实施方案的透视图；
图4是热交换器的第三实施方案的透视图；
图5是图4的热交换器的翅片的局部透视图；
图6是热交换器的第四实施方案的透视图；
图7是图6的热交换器的翅片的局部透视图；
图8是图6的热交换器的管阵列的横截面；
图9是图6的热交换器的翅片的横截面；
图10是可应用于热交换器的第一、第二和第三实施方案的等边管阵列的横截面；
图11是热交换器的第一、第二、第三和第四实施方案的翅片的横截面；
图12是示出涂覆和未涂覆疏水性涂层的热交换器设计的表格；
图13是示出疏水性涂层的再生效果的图表；以及
图14是制冷系统的示意图。
详细描述
本公开涉及对热交换器的热传递表面上结霜的控制和/或预防。这类热交换器可以是板状翅片类型、可在空气温度调节系统中使用和/或还可以是在制冷和/或空调系统中使用的蒸发器。示例可包括适合用于调节将要供应至住宅、办公楼、医院、学校、饭店或其他设施内的气候受控舒适区的空气的制冷系统。制冷系统还可用于制冷供应至展示柜、商品柜、冷冻室、冷藏间或商业机构中其他易腐冷冻产品存放区域的空气。此外，制冷系统可应用于运输集装箱和/或拖拉机挂车系统中和/或可以是运输集装箱和/或拖拉机挂车系统的组成部分。
参考图1，作为一个非限制性示例，空气温度调节系统20可以是制冷系统。制冷系统20可大体上整合到容器22中，所述容器22界定含有货物26的货物隔间和/或可占用隔间24，所述货物26在不被制冷的情况下可能是易腐的。容器22可以是拖拉机挂车系统、运输集装箱、被占用结构、用于食物冷藏的冷冻机和许多其他设备的一部分。可经由使流体流循环流入隔间24中并流过隔间24的制冷系统20来对隔间24进行冷却，而将货物26保持在期望温度下。制冷系统20可包括压缩机28、冷凝器30、膨胀阀32、蒸发器34和蒸发器风扇36。压缩机28可通过由发动机系统40驱动的发电机38来供电。马达41(如变速马达)可由驱动器(如变频驱动器)来供电，所述驱动器可驱动与蒸发器34相关联的一个或多个风扇36。可进一步设想和理解的是，蒸发器34可以是包括(例如)空气冷却器的其他类型热交换器。可进一步设想的是，热交换器可以不是蒸发器，而可以是携载低于冰点的流体的任何热交换器；例如，二次回路中的热交换器。
在制冷系统20的正常冷却循环期间，返回流体流42(例如，空气流或第二热传递流体)从隔间24通过制冷进口44流入到制冷系统20中，并且经由蒸发器风扇36流经蒸发器34，从而冷却返回流体流42。一旦冷却，返回流体流42便变为供应流体流46并且通过制冷系统20的出口48而供应至隔间24。进口44和出口48的边界可由容器22界定，其中出口48位于进口44上方。可进一步设想和理解的是，流体流可以是处于气态下的并且能够在热交换器上形成霜冻的任何流体。
还是在正常冷却循环期间，第一热传递流体(例如，制冷剂，参见箭头52)在各种部件之间流过线路49。在进入蒸发器34的管之前，第一热传递流体52可贯穿蒸发器膨胀阀32(例如像电子膨胀阀或恒温膨胀阀)，并且在作为气体/液体两相混合物进入蒸发器34之前膨胀至较低压力和较低温度。随着第一热传递流体52贯穿蒸发器34，第一热传递流体52在与第二热传递流体(例如，周围空气)处于热交换关系的情况下穿行，据此第一热传递流体52的液相被汽化并且可过热化至期望程度。离开蒸发器34的低压汽相第一热传递流体52穿过线路49到达压缩机28的吸入口。可设想和理解的是，第一热传递流体52可以是能够经受从液体至气体并再次复原的相变的任何物质。这类工作流体可包括任何制冷剂，所述制冷剂(例如)包括碳氟化合物、氨气、二氧化硫、烃、二氧化碳和其他物质。
第二热传递流体或流体流42可以是由一个或多个关联风扇36从气候受控环境(如与运输制冷单元相关联的易腐/冷冻货物存放区或商业机构的食品展示或存放区域或与空气调节系统相关联的、有待冷却的并且通常还被除湿的建筑物舒适区)抽吸的并且由此返回至气候受控环境的空气。
参考图2，蒸发器34可以是空气冷却热交换器，例如像圆管板状翅片(RTPF)热交换器，其可具有促进第一热传递流体52流动的管50以及紧固至管外部的众多实质上平坦的翅片54。在操作中，流体流(参见箭头56)移动穿过翅片54，并且热量从空气穿过翅片54而传递到流动的第一热传递流体52中。利用热量的吸收，第一热传递流体52可在管50的内部蒸发。蒸发器34还包括翅片节距(即，翅片密度)，所述翅片节距可由每英寸翅片数量来表示(参见箭头58)。可进一步设想和理解的是，热交换器34的其他示例可包括：热泵蒸发器(例如，热泵微通道热交换器)，其可位于户外；或二次热交换器，其与作为二次冷却剂的冷却剂52一起用于制冷系统中。
参考图3至10，其他类型的蒸发器34被示出并且通过添加字母数字后缀作为识别符来进行识别。如图3中所示，RTPF热交换器34A可包括大体上波状的翅片54A。
如图4至5中所示，RTPF热交换器34B可包括呈矛状的翅片54B。
如图6至9中所示，蒸发器34C可以是包括管50C和翅片54C的微通道热交换器(MCHX)。管50C可具有实质上矩形的的横截面并且并排式对齐，从而形成管阵列60。每个翅片54C可包括多个褶皱62，其中每个褶皱具有多个百叶片64。一个翅片54C可位于邻近管阵列之间，其中翅片54C的每个褶皱62在邻近管阵列60之间延伸并且与邻近管阵列60接触。如图9中最佳展示的，蒸发器34C(或其他百叶片式蒸发器配置)可包括翅片节距(参见箭头58C)、百叶片角度(参见图9中的箭头66)和百叶片节距(参见箭头68)。优选地，百叶片角度66约小于三十五(35)度(也参见图12)。
参考图10，相应蒸发器34、34A、34B的管50、50A、50B中的任一个或全部可包括配置在等边管阵列70中的管。等边管阵列70可包括管行节距(参见箭头72)和实质上相等的管面节距(参见箭头74)。管行节距72可约等于管面节距74的0.866倍。
当蒸发器34(即，同样适用于蒸发器34A、34B、34C)在翅片表面温度低于约三十二(32)华氏度(零摄氏度)的情况下运作并且流体流56的露点温度高于翅片表面温度时，来自空气的冷冻湿气可积聚在翅片54和管50上(即，霜冻)。霜冻的持续形成和/或堆积将会降低蒸发器34的冷却能力和效率。这种效率降低可能是由会减少穿过蒸发器34的空气流的空气侧压降增大以及空气与第一热传递流体之间由于霜冻的绝缘效果造成的热传递阻力增大所导致的。
翅片节距58以及蒸发器的前述其他物理特性可能影响蒸发器34上的结霜速率。霜冻积聚的增加导致空气侧压降的增大和随之发生的穿过蒸发器34的流体流56的减少。在理想情况下并且为了优化蒸发器性能，翅片节距58的减小(即翅片密度的增大)可能因翅片54的热传递表面积的增大而为合乎需要的。然而，因为霜冻积聚在蒸发器34上，所以翅片节距58的这种减小导致可用流体流动面积的减小。随着流体流动面积继续减小，蒸发器34的操作能力将会降低，直至需要制冷系统20的除霜循环为止。然而，除霜循环本身需要能量，因而会降低制冷系统20的总效率。
由于霜冻积聚方面的问题，制冷蒸发器在传统上受限于每英寸约两个(2个)至六个(6个)翅片的翅片密度，并且一般避免了波状蒸发器34A、矛状蒸发器34B和百叶片式(即，瓦楞形)蒸发器34C。然而，本公开利用可覆盖翅片54和管(未图示)的外部表面的疏水性涂层62(参见图11)。与不具有涂层的亲水性表面或翅片相反，形成于疏水性涂层62上的冷凝小滴更小并且保持在液态中的时间更长。因此，疏水性涂层62延缓霜冻积聚并且减小霜冻造堆积速率。此外，当与形成于亲水性和/或无涂层表面上的霜冻相比时，确实形成于疏水性涂层62上的霜冻一般是松散的并且微弱地附着至疏水性涂层的表面。疏水性涂层62的一个非限制性示例可以是有机涂层并且可包括聚合物。
参考图12，其示出一个表格，所述表格例证出使用疏水性涂层62时用以优化热交换器设计的能力。例如，由于对霜冻积聚的考虑，可以是带有波状表面几何形状和等边管行节距的RTPF类型的、在运输制冷中使用的蒸发器具有每英寸八个(8个)翅片的最大翅片密度。然而，当使用疏水性涂层62时，相同蒸发器类型和几何形状可使用处于每英寸约八个(8个)至二十五个(25个)翅片范围内的翅片密度，并且优选地大于每英寸十个(10个)翅片。根据图12，显而易见的是，在使用疏水性涂层62的情况下，可用先前未尝试过的方式对蒸发器设计进行优化。例如，可在改善蒸发器能力和效率的同时减小蒸发器的成本以及总尺寸和重量。空调和/或制冷系统可展现增加的性能系数(COP)、减小的功率消耗，并且可在更少循环下提供更为恒定的负载。此外，在利用疏水性涂层62的情况下，制冷系统20可能不需要除霜循环，或者可能仅需要最小程度的除霜需求。
参考图13，疏水性涂层62的性能可随时间退化，这可能导致热交换器性能的退化和/或需要重新涂覆涂层。举例来说并且针对在运输应用中使用的制冷系统20而言，疏水性涂层62可在约两百(200)至三百(300)次循环之后退化。本公开教示一种通过暴露于高温而再生涂层62的过程。如图13中最佳展示的，以接触角来表示初始的、退化的和再生的条件，所述接触角可包括前进和后退接触角(CA)两者。尽管未示出，但接触角为通过液滴测量的角度，在所述液滴中，液体/蒸气接面触及由(例如)翅片54携载的外部表面。接触角经由杨氏方程来表示液体对外部表面的可湿性。接触角越大，涂层的疏水特性就越好。
能够再生疏水性涂层62的高温可处于约50摄氏度至150摄氏度的范围内并且优选地处于50摄氏度至100摄氏度之间持续一段时间(例如，约三十至九十分钟)。在制冷系统20的前述应用中，系统本身可被用来提供必要热量以便再生疏水性涂层62。例如，可通过允许第一热传递流体绕开冷凝器30(参见图1)以及控制风扇36的流量来实现再生。或者，可通过逆转第一热传递流体流(即，逆向循环)以及控制风扇36的速度来实现再生。更具体来说，可逆转压缩机，或者可将四通阀(未图示)附加至类似于热泵系统的系统。类似再生技术可应用于在热泵应用中使用的热交换器。
或者，流经热交换器的所述多个翅片的第二热传递流体42可由加热器或辅助热交换器(未图示)加热至再生疏水性涂层62所必需的升高温度。
参考图14，制冷系统20还可以包括控制器76、可具机械性的抗霜冻装置78、压缩机旁路装置80和众多连通路径82。如本文所用的术语“控制器”指代用于控制的任何方法或系统，并且应理解为包含微处理器、微控制器、程序化数字信号处理器、集成电路、计算机硬件、计算机软件、电气电路、专用集成电路、可编程逻辑装置、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、个人计算机、芯片以及离散模拟、数字或可编程部件或能够提供处理功能的其他装置的任何其他组合。
控制器76可与压缩机28、阀32、抗霜冻装置78、风扇36、旁路装置80、各种传感器(未图示)、第一热传递流体线路49中的各种流量控制阀(未图示)以及其他部件操作性地关联。控制器76可被配置来以各种操作模式控制制冷系统20的操作，所述操作模式包括若干能力模式和至少一个除霜和/或抗霜冻模式。能力模式可包括负载模式，其中制冷负载施加于需要压缩机28在负载条件下运行的系统上以满足冷却需求。在能力模式的卸载模式中，施加于制冷系统20上的冷却需求很低以至于可产生足够的冷却能力以便当压缩机28在卸载条件下运行时满足冷却需求。控制器76也可被配置来控制变速驱动器38以改变输送至压缩机驱动马达40的电流的频率，从而回应于能力需求来改变压缩机28的速度。类似地，控制器76可经由变速马达41来控制风扇36的速度。
如前所述，制冷系统20也可以包括可由控制器76控制的至少一个除霜模式或循环。作为一个非限制性示例，控制器76可初始化抗霜冻装置78，所述抗霜冻装置78可被构造来在冷冻之前从蒸发器34移除液体冷凝物。或者，抗霜冻装置78可利用堆积在疏水性涂层62上的积聚霜冻的松散附着特性和/或低密度特性。抗霜冻装置78可以是振动器，其被构造来振动蒸发器34，从而抖落任何冷凝物和/或积聚的低密度霜冻。振动器78可经由旋转质量、线性共振器或压电设备来实现振动。或者，抗霜冻装置78可以是声学装置，其被配置来将声波直接发射在冷凝物和/或霜冻上。可进一步设想和理解的是，旋转质量可以是风扇，并且风扇可以是风扇36。
抗霜冻装置78可进一步包括传感器84，所述传感器84可以是光学传感器，所述光学传感器被配置来使蒸发器34成像以检测冷凝物和/或霜冻。传感器84可沿可以是有线或无线的路径82将检测信号发送(参见箭头86)至控制器76。根据充分的冷凝物和/或霜冻检测，控制器76可在路径82上将起动信号发送(参见箭头88)至抗霜冻装置78。可进一步设想和理解的是，传感器84可以是压差传感器或能够检测热交换器上的霜冻积聚的其他传感器。
替代地、除抗霜冻装置78之外和/或作为抗霜冻装置78的一部分，控制器76可利用制冷系统20中传统上旨在单独地帮助所述能力模式的其他部件。例如，除霜模式可包括流体流52的脉动、流体流52的速度的突然增加和/或声学或空气动力学共振(即，流动诱发的振动)。更具体来说，光学传感器84可如前所述检测冷凝物和/或霜冻。作为如前所述的一个示例，控制器76可随后将控制信号输出(参见箭头90)至变速马达41，所述变速马达41一般运行风扇36来增加流体流速度和/或脉动。可进一步理解和/或设想的是，蒸发器34的部分可被堵塞以增加其他区域中的流体流52。这种堵塞可通过抗霜冻装置78的另一实施方案来实现，其中抗霜冻装置78可在蒸发器的区段上机械地移动以堵住流体流，进而增加其他区域中的流体流动速度。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本公开，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等效物来替换。除非在本文中另有指示或通过上下文清楚地辩述，否则术语“一个”和“所述”在本文中不表示对数量的限制，并且应解释为涵盖单数和复数两者。另外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以应用各种修改来使本公开的教示适合于特定情况、应用和/或材料。因此，本公开并不受限于本文所公开的特定示例，而是包括处于所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种再生热交换器上的疏水性涂层的方法，所述热交换器为蒸发器，所述蒸发器包括多个管以用于使第一热传递流体流动，所述方法包括：
将所述疏水性涂层暴露于五十至一百五十摄氏度范围内的温度，以及至少部分地通过使所述第一热传递流体逆转流过所述热交换器的管而实现所述温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述疏水性涂层包括聚合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述温度处于五十至一百摄氏度范围内。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中至少部分地通过控制流经涂布有所述疏水性涂层的、所述热交换器的多个翅片的第二热传递流体的流动速率来实现所述温度。
5.如权利要求4所述的方法，其中至少部分地通过控制流经涂布有所述疏水性涂层的、所述热交换器的多个翅片的所述第二热传递流体的第二热传递流体温度来实现所述温度。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其还包括：
经由在一段时间上暴露于所述温度来重组所述疏水性涂层的分子布置。
7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述疏水性涂层包括有机物质。
8.一种再生蒸发器的疏水性涂层的方法，所述蒸发器包括多个管以用于使第一热传递流体流动，并且所述蒸发器在制冷系统中使用，所述方法包括：
至少部分地通过使第一热传递流体逆转流过所述蒸发器的管来加热涂布有所述疏水性涂层的、所述蒸发器的多个翅片；以及
经由所述加热来重组所述疏水性涂层的分子结构。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述加热还包括：控制第二热传递流体在所述多个翅片上的流动。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中所述加热还包括：使第一热传递流体流绕过冷凝器周围。
11.如权利要求10所述的方法，其中控制器初始化旁路装置以便控制所述冷凝器周围的所述第一热传递流体流。
12.如权利要求8或9所述的方法，其中所述疏水性涂层包括有机物质。
13.如权利要求8或9所述的方法，其中所述疏水性涂层包括聚合物。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述加热在一段时间上将所述聚合物暴露于五十至一百五十摄氏度范围内的温度。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述温度处于五十至一百摄氏度范围内。
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