CN110331404A - 一种热交换器的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热交换器的表面处理方法，其包括：第一步，采用铝箔组装热交换器；第二步，将热交换器放置在丙酮溶液中，采用超声波装置超声脱脂；第三步，取出，用去离子水洗涤残留的污染物；第四步，采用化学氧化法蚀刻形成表面纳米阵列；第五步，化学修饰获得疏水阵列热交换器。所述热交换器的表面具有疏水纳米阵列。对热交换器通过表面处理，利用冷凝液滴发生弹跳的现象，有效提高热交换器表面的抗凝结和抗结霜性能。

Description

一种热交换器的表面处理方法
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及一种热交换器的表面处理方法。
背景技术
提高空调的能效一直是空调行业极力解决的问题。据中国国家电网公司统计，到2015年，城乡居民用电量约为720亿千瓦时。假定空调用电量占家庭用电总量的10％左右，当能源效率提高1％时，每年可节约7200万千瓦时。
众所周知，热交换器上所使用的铝箔，在夏季和冬季暴露于潮湿空气时，会形成一层冷凝膜或霜层，该冷凝膜或霜层的存在显著降低了热交换器的冷凝传热效率。因此，如何抑制冷凝膜或霜层的形成是降低热交换器能耗的有效途径。迄今为止，空调的铝箔通常采用亲水表面涂层进行处理，预先在铝箔的表面形成一层冷凝物膜，以减少铝箔之间水桥的形成，这些水桥的存在会显著降低空气的流速，从而降低热交换器的冷凝传热效率。然而，亲水表面上的冷凝物膜是难以消除的，从而引起热阻。此外，通常采用周期性的加热工艺来融化冬季室外热交换器亲水箔上积聚的霜。然而，由于消除霜的困难，残留的水很容易再次冻结。显然，冷凝水膜和霜层在连续工作中导致额外的能量消耗。此外，由于热交换器成为吸附灰尘和繁殖细菌的温床，湿箔表面对居住在室内的人们造成潜在的环境危害。
近年，疏水表面技术具有延缓结霜和快速干燥的性能，而受到越来越多的关注，该技术可以提高冷凝结霜过程中的冷凝传热效率。然而，尽管疏水表面在自然环境下是Cassie态，大多数方法(例如在铝材料或合金材料上采用浸渍或化学腐蚀的方法)制备的疏水表面呈现Wenzel状态，容易形成冷凝液滴。Wenzel态下的冷凝液滴不利于防结露和防结霜。因此，如何实现冷凝液滴在疏水表面的快速解吸，对于有效提高抗凝结和抗结霜能力至关重要。
冷凝液滴会发生弹跳现象，可以适用于驱散表面的露珠，以有效提高抗凝结和抗结霜能力。本发明就是提供一种全新的制备疏水表面技术，获得的疏水表面利用冷凝液滴发生弹跳的现象，有效提高热交换器表面的抗凝结和抗结霜性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种全新的疏水表面处理技术处理空调热交换器，利用冷凝液滴发生弹跳的现象，有效提高热交换器表面的抗凝结和抗结霜性能。
基于此，本发明提供一种热交换器的处理方法包括：
第一步，采用铝箔组装热交换器；
第二步，将热交换器放置在丙酮溶液中，采用超声波装置超声脱脂5-10min；
第三步，取出，用去离子水洗涤残留的污染物；
第四步，采用化学氧化法蚀刻形成表面纳米阵列；
第五步，化学修饰获得疏水阵列热交换器。
所述第四步进一步具体为：
第4-1步，将热交换器浸入氢氧化钾溶液中；
第4-2步，将反应后的热交换器入去离子水中清洗反应后的残留物；
第4-3步，将热交换器浸入沸腾的去离子水中，形成纳米阵列；
第4-4步，取出，在强冷风的作用下干燥5-10min。
所述氢氧化钾溶液的浓度为0.2mol/L-0.3mol/L。
所述第4-1步中浸入浸入氢氧化钾溶液中180s-240s。
所述第4-3步中浸入沸腾的去离子水中1h-1.5h。
所述第五步进一步具体为在130℃-150℃的真空罐中用3-(二甲基硅氧基)-1,1,5,5-四甲基-3-(3,3,3-三氟丙基)三硅氧烷的饱和蒸汽对管式热交换器的表面进行氟化，获得疏水纳米阵列结构表面的热交换器。
所述氟化时间2-3h。
本发明提供一种全新的疏水表面处理技术处理空调热交换器，对热交换器通过表面处理，利用冷凝液滴发生弹跳的现象，有效提高热交换器表面的抗凝结和抗结霜性能。
附图说明
图1a和1b疏水表面铝箔场发射扫描电镜图像；
图2a-2d结霜、除霜情况比较；
图3额定输出工况下亲水和疏水表面热交换器的总冷却能力和热交换系数的增长指数随时间的变化。
具体实施方式
以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1疏水纳米阵列结构表面热交换器
将热交换器放置在丙酮溶液中，采用超声波装置超声脱脂10min；取出，用去离子水洗涤残留的污染物；将热交换器浸入浓度0.2mol/L的氢氧化钾溶液中240s；将反应后的热交换器入去离子水中清洗反应后的残留物；将热交换器浸入沸腾的去离子水中1.5h，形成纳米阵列；取出，在强冷风的作用下干燥5-10min；在130℃-150℃的真空罐中用3-(二甲基硅氧基)-1,1,5,5-四甲基-3-(3,3,3-三氟丙基)三硅氧烷的饱和蒸汽对管式热交换器的表面进行氟化，氟化2-3h，获得疏水阵列热交换器。
亲水表面热交换器，山东旭光水箱空调设备有限公司提供。
热交换器表面微观结构观察
采用场发射扫描电子显微镜观察热交换器表面的微观结构。在OCA 15Pro接触角测量仪上观察到静态接触角和滚动角。利用佳能EOS 700D单镜头反光式取景照相机和配备变焦镜头的FASTCAM Mini UX100型高速相机拍摄凝结水状态的光学照片。用JSZ6S型立体显微镜采集铝箔上的结霜和除霜状态。
图1a和图1b显示了铝箔典型场发射扫描电镜图像，可以看出铝箔上的疏水膜上均匀排列有纳米阵列，这些图像是在疏水热交换器随机位置截取的。纳米阵列的平均直径和间隔均为100+10nm。铝箔上5μL水滴的静态接触角为160±1.8°，10μL水滴的滚动角为3.5±0.2°。
观察热交换器表面的结露和结霜/除霜行为
为了捕捉结露，结霜和解冻行为，我们选取采用本发明方法制备的疏水热交换器上的随意的一块箔片，然后用导热胶将其粘贴在冷却台上。冷却台是OCA15Pro接触角测量仪的辅助设备，其温度可调范围-20℃～100℃(精度0.2)。所有工作环境稳定在25℃的空气温度和75％的相对湿度。冷却阶段的温度分别设定为6℃、10℃和20℃，分别用于结露、结霜和除霜试验。作为对比，我们选择经过处理获得的亲水表面热交换器进行比对，做同样的实验。
图2a和2b显示出了在冷却阶段局部亲水和疏水铝箔上的结霜过程。疏水铝箔的生长速率明显低于亲水铝箔。在结霜60分钟后，亲水表面和疏水表面箔的霜层高度分别为1.5mm和0.7mm。在除霜条件下，霜晶可在16s后迅速熔化，然后在亲水表面铝箔上留下水膜(图2c所示)。然而，如图2d所示，疏水箔只需要8s即可获得干燥表面，因为除霜层在完全除霜之前已经从疏水表面滑落。
夏天的焓差实验检测
采用浙江大学山东工业研究院石墨烯应用研究中心焓差实验室进行检测，测量标准采用GB/T 19232-2003，测量采用疏水热交换器(三列八排铜管)的风机盘管的冷凝水进口温度(T1)、冷凝水出口温度(T2)、空气入口温度(T3)、空气出口温度(T4)，显热(Qs)、潜热(Ql)、水流量作为对比，采用具有亲水表面的热交换器进行相同的参数比较。在额定和冷凝输出工况下的实验参数列于表1中。这些值的不确定性如表2所示。置信度约为98％。
表1在额定工况和冷凝输出工况下热交换器的工作参数
参数 额定工况 冷凝输出工况
干球温度(℃) 27.0 27.0
湿球温度(℃) 19.5 24.0
相对湿度(％) 50 75
空气体积流量(m<sup>3</sup>/h) 546.0 359.0
冷凝水供给温度(℃) 7.0 6.0
供给与返回温差(℃) 5.0 3.0
表2实验数据的不确定性
参数 不确定性(％)
显热 2.4
潜热 1.9
空气温度 1.4
水温 0.6
空气/水量 1.0
表3额定输出工况条件下各参数情况
图3显示了在额定输出工况下亲水和疏水风机盘管机组的总冷却能力(Qt)和热交换系数的增长指数随时间的变化。连续工作1小时至7小时变化不大，表明热交换器在1小时后仍处于稳定高温状态。亲水表面和疏水表面热交换器的冷却能力分别固定在1.94-1.97kW和2.10-2.12kW之间，疏水表面热交换器的热交换系数生长指数限制在1.8-2.5％之间。与亲水表面热交换器相比，疏水表面显示冷却能力和热交换系数增加到8.06和2.18％。
表4冷凝输出工况下的参数的平均值比较
为了进一步研究露水的重量，在本发明方法制备的疏水表面热交换器上进行了结露试验，作为对比，采用具有亲水表面的热交换器进行结露试验。考虑到重量误差度量，我们测量了一列八排铜管的热交换器上的总露水重量和残余露水重量。结露试验的工作参数为室温的25℃，相对湿度的75％，进水温度的6℃。
比较疏水表面热交换器和亲水表面热交换器，总的和剩余的露水重量随时间的变化。在亲水表面热交换器上，露水急剧增加，在一小时冷却后，由于膜缩合而没有任何排水，总重量越为30g。在疏水热交换器上只发现直径小于50μm的细小露珠，其表面只有4g左右的重量。
冬天的结霜/除霜试验
对两柱八排铜管热交换器的结霜量和能量转换进行了结霜/除霜试验，分别采用本发明方法处理获得的疏水表面热交换器和亲水表面热交换器。具体实验条件为：空气温度5℃、相对湿度65％、风速1.2m/s、入口温度-10℃/20℃(结霜/除霜)。这里，结霜试验中的制冷剂是60重量％水和40重量％乙二醇的混合物。测量60min后，两个热交换器结霜重量和除霜时间，结果见表5。
表5结霜/除霜试验
结霜重量(g) 除霜时间(s)
亲水 271.92 180±10
疏水 222.48 95±8
通过上面的分析可以看出，采用传统的亲水表面热交换器的总露水量是采用本发明方法制备的疏水表面热交换器的两倍，具有良好的防结露效果。露珠的连续弹跳行为可以维持亲水表面热交换器上的残余露珠重量在亲水表面热交换器上的5倍。在额定输出工况下，疏水表面热交换器与常规亲水表面热交换器相比，在疏水表面热交换器上进一步提高，获得了8％以上的制冷量和2％的热交换系数。在冬季，在60分钟内，亲水表面和疏水表面热交换器的霜重和相应的能量转化率约为1.22和0.54。这表明疏水铝箔提高了热交换器的热交换效率。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种热交换器的处理方法，其特征在于，包括：
第一步，采用铝箔组装热交换器；
第二步，将热交换器放置在丙酮溶液中，采用超声波装置超声脱脂5-10min；
第三步，取出，用去离子水洗涤残留的污染物；
第四步，采用化学氧化法蚀刻形成表面纳米阵列；
第五步，化学修饰获得疏水阵列热交换器。
2.如权利要求1所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述第四步进一步具体为：
第4-1步，将热交换器浸入氢氧化钾溶液中；
第4-2步，将反应后的热交换器入去离子水中清洗反应后的残留物；
第4-3步，将热交换器浸入沸腾的去离子水中，形成纳米阵列；
第4-4步，取出，在强冷风的作用下干燥5-10min。
3.如权利要求2所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述氢氧化钾溶液的浓度为0.2mol/L-0.3mol/L。
4.如权利要求2或3所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述第4-1步中浸入浸入氢氧化钾溶液中180s-240s。
5.如权利要求2至4所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述第4-3步中浸入沸腾的去离子水中1h-1.5h。
6.如权利要求2至5所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述第五步进一步具体为在130℃-150℃的真空罐中用3-(二甲基硅氧基)-1,1,5,5-四甲基-3-(3,3,3-三氟丙基)三硅氧烷的饱和蒸汽对管式热交换器的表面进行氟化，获得疏水纳米阵列结构表面的热交换器。
7.如权利要求6所述热交换器的处理方法，其特征在于：所述氟化时间2-3h。
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