超疏水铝基表面换热器在空气源热泵系统中的理论与实验研究

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1、分类号:TU831.410710-2015129029硕士学位论文超疏水铝基表面换热器在空气源热泵系统中的理论与实验研究温婷婷导师姓名职称谷雅秀副教授供热、供燃气、通风及空申请学位类别工学硕士学科专业名称调工程论文提交日期2018年5月9日论文答辩日期2018年6月7日学位授予单位长安大学ResearchonFrostSuppressionPerformanceofAluminum-basedSuper-hydrophobicSurfaceofEvaporatorinAirSourceHeatPumpSystemADis

2、sertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WenTingtingSupervisor：AssociateProf.GuYaxiuChang’anUniversity,Xi’an,China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文

3、作者签名：2018年5月8日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。（涉密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：2018年5月8日导师签名：2018年5月8日摘要在我国很多南方城市，冬季没有集中供暖措施，但空气湿冷，体感温度很低。而空气源热泵既节能又环保，是良好的采暖设备。但是空气源热泵的室外机蒸发器会出现不同程度的结霜问题

4、。霜层的存在会严重影响热泵机组的运行，降低机组的COP，严重时甚至导致机组停机。因此,需要采取一些措施对热泵机组的室外机进行除霜，以确保机组的正常运行。目前国内外常用的针对空气源热泵室外机的除霜方法大多会影响室内舒适度或者消耗额外能源。本课题组基于超疏水理论及技术，对蒸发器翅片表面进行改性处理，提出了一种从根本上进行抑霜的方法，既不影响热泵系统的运行，又能延缓或抑制霜层的形成。本文通过理论机理分析和实验以及模拟的方法研究其抑霜性能。本文首先通过理论机理分析，得出当表面接触角越大时，水珠与冷表面的传热热阻越大，霜层越难生长

5、的结论。然后采用氢氟酸和盐酸进行化学刻蚀、用氟硅烷进行表面修饰的超疏水铝基表面制备技术，制备出平均接触角为154.6°的超疏水铝基表面，并且研究了氟硅烷修饰时长与接触角之间的关系。实验表明：当氟硅烷修饰时间为40min时修饰效果最佳，所制备的换热器翅片铝基表面达到超疏水效果。通过电镜扫描观察，疏水表面所形成的迷宫状微纳结构，是铝基表面具备超疏水性的关键因素。为测试超疏水铝基表面的抑霜性能，本文搭建了抑霜性测试实验系统，对竖直常规铝基表面和超疏水铝基表面的结霜和融霜过程进行了研究。实验中铝基表面的温度变化范围为0℃~-15

6、℃，表面风速设置为1m/s~3m/s，环境空气温度为10℃，相对湿度为70%。结果显示，当温度为0℃至-2℃时，铝基表面会出现冷凝水珠，超疏水铝基表面较常规铝基而言，出现冷凝水珠的时间有150s~200s的延迟；当温度为-3℃至-4℃时，两种铝基表面均表现为先出现冷凝水珠，后冷凝水珠冻结成冰珠的现象，除了超疏水铝基表面较常规铝基出现冷凝水珠的时间有90s~100s的延迟之外，超疏水铝基表面的冰珠体积细小，数量少，而常规铝基表面的水珠体积大，数量多；当温度低于-5℃时，两种铝基表面直接出现针状霜层，且超疏水铝基表面的霜层厚

7、度更小，表现出明显的抑霜效果；风速的变化对常规铝基表面霜层的形成有较大的影响：当风速变大时会加速霜层的形成，但对超疏水铝基表面霜层的形成影响不大；在融霜实验中，发现常规铝基表面的霜层先出现融化的迹象，但超疏水铝基表面霜层融化速率虽较常规铝基表面霜层融化慢，即固液相变速率较低，但由于其形成的细小水珠蒸发速率快，i极易蒸发，液汽相变速率提高，能有效避免融水的二次冻结，从而达到促进融霜的效果。为防止室外蒸发器翅片污垢热阻的产生，本文搭建翅片自洁性测试实验台，对超疏水铝基表面的自洁能力进行实验测试，与常规铝基表面的自清洁性能进行

8、了实验对比，发现在超疏水铝基表面存在液滴时，液珠极易滚落，能有效地带走表面的灰尘。本文应用FLUENT模拟软件对水滴在铝基表面附着的传热过程进行了数值模拟，结果显示，当铝基表面的接触角增大时，水滴在整个传热过程中的平均温度升高，水滴达到结霜点温度的时间延长。模拟结果从传热角度再次证明了超疏水铝基表面的抑霜性。通过本文