空调换热器长效性能衰减的研究进展

空调换热器长期使用后性能会衰减，导致整机制冷和制热能力出现不同程度的下降。分别从粉尘污垢、表面腐蚀、间歇运行及微生物污染四个方面分析了国内外空调换热器长效性能衰减的研究现状，指出了目前针对这些因素的研究中存在的问题，提出了今后空调换热器长效性能的研究及应用方向。

房间空调器是一种向密闭空间提供经过处理的空气的设备，包括制冷和制热系统，还可包括除湿和通风装置。我国是家用空调器产品的生产和使用大国，大量的空调产品被生产和使用将消耗很多的能源，因此空调器保持长效节能特性对于节能减排具有重要的意义。中国质量认证中心( CQC) 已于2012年5月发布了《空调器长效节能评价技术要求》，对空调的长效节能做了具体的评价要求，美的则于同年7月首次通过了该资格认定，未来将会有越来越多的空调产品参与到长效节能评定当中，对于空调换热器的长运性能研究也将会得到学者们越来越多的重视。

影响空调换热器长效性能衰减的因素包括有粉尘、腐蚀、间歇运行和微生物污染等，受这些因素的影响，换热器空气侧的热阻将增大，翅片的亲水性也会发生变化。粉尘污染是指空气中的粉尘会随着来流空气流经换热器并沉积在翅片表面，当翅片表面有凝结水时，粉尘颗粒还会与凝结水结合形成污垢团块；腐蚀是由于铜管和铝翅片之间存在金属电位差，当翅片表面的凝结水存在电解质时，铜铝间会发生电化学腐蚀而形成腐蚀污垢；微生物污染是由于换热器经常处于湿工况运行，翅片表面容易在黑暗和潮湿的环境下滋生微生物污垢。另外，空调换热器还经常处于间歇运行状态，包括高低温循环和干湿循环，高低温循环会增大管翅间的接触热阻，而反复的干湿循环会改变翅片的亲水性。针对空调换热器长效性能衰减状况，从粉尘、腐蚀、间歇运行和微生物污染四个方面对换热器的长效性能研究现状进行了分析，指出了目前研究中存在的问题并提出了今后空调换热器长效性能研究的方向。

1 粉尘

1.1实验研究

粉尘是空调换热器所受长效性能衰减最重要也是最典型的因素，受粉尘特性、换热器结构以及运行工况的影响，粉尘在换热器上的沉积原理非常复杂。对换热器粉尘污染的实验研究，研究者一般是从颗粒物特性、粉尘对换热器性能的影响、除尘技术三个方面来展开的。

1.1.1粉尘颗粒物

换热器空气侧粉尘污垢实际上是空气中的固体悬浮颗粒物在换热器表面上的沉积。室外粉尘主要为总悬浮颗粒物( TSP)，粒径小于100μm，而其中粒径小于10μm的颗粒物又被称为PM10。室外PM10是换热器粉尘污垢的重要来源，我国大气颗粒物PM10主要来自六类源：扬尘、燃煤、工业排放、机动车排放、生物质燃烧以及二次颗粒物。室内粉尘除了颗粒物外，还包括有纤维，如衣物、纸屑和宠物皮毛等。

粉尘一方面会在翅片及冷却盘管上进行物理沉积，另一方面在合适的条件下又会重新悬浮于气流中。附着在翅片管换热器上的粉尘粒径一般为5～100μm。而对于空气品质要求较高的飞机机舱环境，由于采用静电过滤器来减少粉尘颗粒物的浓度，沉积的粉尘粒径为超细微到直径10μm不等。相同的空调换热器在不同使用场合，其积尘的粒径分布情况也不同。通过采用微粒分析仪分别测定办公室、 旅馆和餐馆内蒸发器表面粉尘的粒径分布结果表明，在这三种场合内的蒸发器表面积尘的平均粒径分别为6.6μm、20.9μm 和9.8μm，这是由于不同室内场合的换热器安装高度不一致，使得人为活动引起的悬浮颗粒物浓度在不同高度处存在差异，从而沉积的粉尘粒径也存在差异。

1.1.2实验设计

通过在换热器迎风面喷射粉尘来模拟实际运行时的情况可以快速了解粉尘对空调长效性能的影响，其中如何合理设计粉尘测试实验台、如何设置合理的喷粉浓度和喷粉速度成为实验研究的关键。换热器粉尘实验研究包括干工况和湿工况两种情况。干工况下的换热器粉尘实验一般是通过搭建相应的换热器性能测试实验台来完成的，典型的实验装置如图1所示。

该实验装置包括风道、水循环回路、粉尘发生装置和测试件，其中测试件直接与水循环回路相连。可调速鼓风机将室内空气吹入预加热段后，经空气整流器后将粉尘发生装置中的粉尘均匀地吹向测试件，未沉积在测试件的粉尘将由过滤器收集，这样便能计算得到测试件表面的粉尘沉积质量。所采用的粉尘为ASHＲAE协会规定的合成测试粉尘，包括72%的标准空气滤清器测试粉尘( 平均直径为7.7μm的二氧化硅) 、23%的活性炭以及5%的棉毛纤维。

干工况下粉尘对换热器性能的影响研究，通常包括换热器表面的积尘分布、粉尘沉积质量、以及粉尘对换热器传热和压降特性的影响。干工况下所得的一些普遍结论有: 1) 粉尘主要沉积在翅片前缘而不是沉积在整个翅片表面，原因是翅片前缘正对着迎风面，粉尘直接撞击并沉积在翅片前缘，同时沉积厚度又阻挡了粉尘向翅片内部表面扩散；2) 粉尘沉积量主要受管排数和翅片几何结构的影响，翅片几何结构越复杂、管排数越多，粉尘沉积量也越大；3) 粉尘沉积率与粉尘浓度呈正比； 4) 一定风速范围内，风速越大，粉尘污垢的沉积率越大； 5) 小粒径的粉尘相对于大粒径的粉尘更容易沉积在翅片表面；6) 粉尘污垢对换热器压降特性的影响明显大于对传热特性的影响。总体来讲，粉尘污垢的存在会衰减换热器的性能，但是也有研究发现少量的粉尘沉积能够增大换热系数，其原因是翅片上分布的少量颗粒物能够提高进入换热器的空气湍流强度，从而有利于强化传热。

湿工况下的情形要比干工况复杂的多，少量的凝水与粉尘结合后会黏附在翅片表面，而过多的凝水又会将污垢冲刷掉。已有的针对湿工况下的粉尘污垢研究是基于CQC9202—2012《空调器长效节能评价技术要求》来展开的，相应的淋水模拟实验和粉尘模拟实验要求如图2所示，通过反复多次的淋雨和粉尘实验来模拟湿工况下粉尘对换热器性能衰减的影响。相应的研究结果表明，空调器在第一个粉尘模拟周期内的性能衰减状况最明显，而随着实验周期的增加，制冷量及能效比的性能衰减率会呈现递减的趋势。

实际过程中，不同地域和不同使用年限下的粉尘污染情况是不一样的，目前还缺乏不同喷粉类型和喷粉工况对换热器性能的影响研究，这方面的研究工作对于设计提高换热器的地域适应性和长效节能具有重要的意义。

1.1.3除尘技术

目前提高换热器防积灰长效性能的技术手段是通过设计换热器外围结构来阻止粉尘进入换热器内部，包括安装过滤器和采用静电除尘技术等。

降低换热器粉尘积垢的最直接有效的方法就是在换热器前端安装过滤器，在气体吹向换热器表面之前先将气体里面的粉尘颗粒吸附下来。高效过滤器不仅有助于提高空调系统的EEＲ，对于降低空气侧压降也具有明显的效果，安装有高效过滤器的换热器空气侧压降在粉尘作用下只增大6%左右，而未安装过滤器时的空气侧压降最高可增大200%。过滤器虽可以大幅降低粉尘沉积量，但长期使用变脏后会增大风机能耗，不过此时风机耗能的增加主要取决于风机性能曲线、风机系统负荷以及过滤器效率等级，受过滤器变脏的影响较小。

静电除尘技术在空调领域尤其是在中央空调系统中也有所应用，其原理是利用高压电场形成电晕，在电晕区里的自由带电粒子吸附在颗粒物上使其带电，从而使颗粒物在电场力的作用下被吸收并沉积到收集区。对静电除尘技术的研究，目前主要集中在电除尘理论、除尘器结构、供电技术等方面，如建立粉尘静电传输模型、设计新型除尘器结构以及开发新型脉冲供电技术等。

除了设计外围结构阻止粉尘进入换热器外，优化设计换热器结构也是提高防积灰长效性能的重要手段。然而，目前研究者对于空调换热器的设计往往都是从提高空气侧换热能力的角度出发，包括设计更复杂的翅片几何形状、加密翅片间距等，这些都会造成翅片表面更容易积灰。对于翅片管换热器的翅片结构设计需要找到防积灰能力与换热能力之间的平衡以同时满足换热器高效和长效的要求。

1.2理论模型研究

粉尘在翅片管换热器上的沉积是一个复杂的过程，涉及到动量、热量和质量传递，在某些场合还与化学动力学有关，其沉积速率与翅片结构、气流组织和翅片表面状态有关。

研究者往往通过开发粉尘沉积模型来预测和分析粉尘在换热器翅片表面上的沉积机理，包括半经验关联式模型和理论分析模型。半经验关联式模型是通过晶体传输理论与实验测量污垢热阻相结合所组成的模型。目前应用比较广的半经验关联式模型将污垢的产生、运输到表面、黏附在表面、从表面分离和沉积的老化这几个过程与晶体传输理论中的成核期、生长期和饱和期对应起来，通过实验数据所得到的半经验关联式可以预测污垢的生长规律。理论分析模型则考虑到污垢热阻随时间变化包括两个方面的作用，即沉积的污垢会增大热阻以及污垢被流体冲刷而使热阻减少，同时还要考虑到翅片边缘、重力、 换热管类型、气流组织和布朗扩散等因素的影响。 对于固定结构的换热器，1～10μm颗粒物的主要沉积机理是翅片边缘的碰撞作用，而对于粒径大于10μm的颗粒物，重力沉降、颗粒间相互碰撞、空气紊流是沉积的主要原因。

然而，目前的模拟研究对于粉尘颗粒在空调系统中的物理沉积机理和颗粒迁移过程的认识还具有一定的局限性，研究者所开发的颗粒物沉积模型也只适用于各自特定的场所。特别地，当翅片表面温度低于气体露点温度时会产生凝水，凝水一方面会冲刷粉尘，起到迁移粒子的作用，另一方面会改变换热器内部气流流动方式，从而改变颗粒的沉积机理，目前这些都无法用现有的颗粒物沉积机理加以解释。

2 腐蚀

2.1腐蚀机理

铜管铝翅片换热器发生电化学腐蚀，除了因为铜铝间存在电位差外，电解质的存在是重要的原因。研究表明有机或无机阴离子，如空气中的氯离子等在铝及其合金表面形成的络合物离子是发生局部腐蚀的主要原因。空调换热器翅片表面一般覆盖有高聚物有机涂层，其腐蚀机理如下图3所示。由于涂层在固化过程中不可避免地存在一定的缺陷，水分子、氧 分子和离子通过涂层的针孔渗透进金属基体处发生腐蚀反应，腐蚀产物堵塞涂层微孔导致不同部位间存在氧浓度差，富氧和贫氧区各自形成的阴阳区之间的腐蚀加剧，腐蚀产物增多导致涂层剥离。

2.2腐蚀对换热器性能的影响

研究腐蚀对换热器性能的影响通常包括翅片表面形貌变化、传热和压降特性变化两个方面。腐蚀形貌特征的研究是通过电镜扫描和能谱分析技术来进行的，而腐蚀对换热器性能的影响则通过搭建相应的换热器性能实验台来完成。

对于汽车空调中的铝翅片换热器电化学腐蚀的研究表明，铝翅片受防冻液中的氯离子腐蚀，其腐蚀深度与腐蚀直径之比大于1，同时聚集在腐蚀坑底部的氯离子溶液会继续使腐蚀坑增大。采用中性盐雾腐蚀实验对铝翅片与铜翅片进行盐雾腐蚀后的表面特征如图4和图5所示，两者表面的生成物有明显的区别：铝翅片表面产生Al2O3层，铜翅片表面没有氧化层，只有一些反应物沉积如 CuO、Cu2( OH2)CO3和NaCl。不仅翅片会受腐蚀，换热器铜管在长期使用过程中也会受腐蚀的作用。如船用制冷蒸发器所用的T2紫铜管会在与不锈钢折流孔形成的所有缝隙处发生点蚀，其中供氧差异和电偶电池的耦合作用是导致局部腐蚀穿孔的原因。

ZhaoY等通过测量铝翅片管换热器和铜翅片管换热器经盐雾腐蚀前后的性能变化发现，盐雾腐蚀均会恶化两种材料换热器的换热性能，但铜翅片管换热器的制冷量衰减率要更小些，同时随着盐雾腐蚀时间的增长，铜翅片管换热器的换热系数衰减率要比铝翅片管换热器更小；而空气侧压降受腐蚀影响很小，两种换热器经盐雾腐蚀后的压降变化均在5Pa以内。PuH等则研究了表面附带亲水层的铝翅片管换热器和表面不带亲水层的铜翅片管换热器经盐雾腐蚀前后的性能变化，该研究采用的盐雾实验方法与 ZhaoY等所采用的实验方法一致，并通过测量腐蚀前后翅片接触角的变化来分析腐蚀对翅片亲水性的影响。实验结果表明，带亲水层的翅片表面会产生针孔腐蚀，不带亲水层的翅片表面则产生锈蚀；随着盐雾腐蚀时间的增加，两种翅片的静态接触角、动态前进接触角和动态后退接触角均增大；空气侧压降受腐蚀的影响要比换热系数受腐蚀的影响小。

2.3抗腐蚀性研究

在换热器抗腐蚀性研究方面，最广泛的做法是在翅片表面覆盖防腐蚀层，或者设计抗腐蚀性更强的亲水层，包括采用环氧树脂材料的电泳涂层和采用聚氨酯材料的喷涂涂层。电泳涂层的优点是能够得到均匀的涂层厚度，但涂层表面有时会有微孔缺陷；而聚氨酯涂层很难做到喷涂均匀，但其抗腐蚀性要高于环氧树脂涂层。带有机抗腐蚀层的铝翅片能够表现出良好的抗腐蚀性，例如冰箱换热器的铝翅片表面喷涂SiO2Sol/Gel防腐层被证明是一种有效的防腐措施，但是防腐蚀层的厚度却并非越厚越好，最佳为5～7μm。除了在翅片表面喷涂有机涂层外，在空调铝翅片表面涂装二氧化钛也能防止因空调亲水涂料腐蚀失效而导致的翅片间形成水桥堵塞风道现象。另外，研究还表明碳含量对换热器铜管的抗腐蚀性有一定的影响，铜管中碳含量低于4mg/m2时能提高铜管的抗腐蚀性，而碳含量超过5mg/m2时容易使铜管发生点蚀。

对于换热器防腐蚀性能的检测方法，通常只是针对不同种类防腐蚀层的防腐蚀效果做定性上的优劣势对比，无法精确检测翅片表面膜层的腐蚀速度变化，因此检测结果无法揭示防腐蚀层的腐蚀特性。需要通过理论与实验的方法较准确地得到实验指标与膜层性能之间的定量关系，为提高膜层防腐蚀性提供理论支持。

3 间歇运行

3.1干湿循环

干湿循环主要通过影响翅片的亲水性来影响换热器的性能，翅片亲水性可用接触角来度量，包括静态接触角θ，动态前进接触角θa和动态后退接触角θr，如图6所示，其中θ越大，说明翅片表面的亲水性越差。

研究者针对换热器干湿循环特性研究的实验方法，一般是先将换热器样件浸入水中若干分钟后，再放置在空气中或用风扇吹干若干分钟，如此反复多次使翅片经历干湿循环。经过干湿循环后，不带亲水层的翅片表面静态接触角会减小，原因可能是翅片表面形成的氧化层改善了翅片的亲水性；而附带亲水层的翅片的亲水性会恶化，原因可能是湿工况下的凝水将亲水材料冲刷掉。经干湿循环后的翅片表面静态接触角、动态前进接触角和动态后退接触角均会减小。

通过对翅片表面进行特殊处理可以提高翅片的亲水性。一种简单而有效的方法是将翅片置于热水中一段时间以加速表面生成氧化膜(即Boehmite方法)，由于铝翅片氧化膜中的水合物Al2O3( OH)n具有细微的粗糙度，从而能够提高翅片的亲水性。翅片在热水中的浸泡时间越长，翅片亲水性越好，但是经一定干湿循环后亲水性会下降，原因是翅片表面的水合物很容易被冲刷掉。通过改进Boehmite方法，如将传统的热水用NaOH和K2S2O8的混合溶液代替，可以使翅片保持稳定持久的亲水性。近段时间还有学者通过在翅片表面喷涂二氧化钛并经紫外线照射的方法得到了表面具有超亲水性的翅片，其接触角随干湿循环后的变化不大。

3.2高低温循环

高低温循环主要影响的是管翅之间的接触热阻。管翅间接触热阻一般占到换热器总热阻的10%～20%，而且还会随着循环次数增加、翅片热疲劳加剧而增大。目前针对翅片管换热器管翅接触热阻的研究，主要还是集中在翅片几何结构以及不同胀接工艺对接触热阻变化的影响上。已有的单独针对高低温循环次数对翅片管换热器性能影响的研究，是将大巴空调系统中使用的铜管铜翅片和铜管铝翅片蒸发器分别放置在－25℃和85℃环境中来进行冷热交替实验，实验结果表明经高低温循环后的两种蒸发器的空气侧压降几乎一致，但铜翅片管蒸发器的换热系数衰减率要比铝翅片管蒸发器小，其在高低温循环下具有更好的长效特性。

换热器实际间歇运行过程往往是干湿循环和高低温循环的耦合，空调实际间歇运行次数对翅片管换热器性能的变化需要同时考虑这两种因素的影响。已有的研究是反复将翅片管蒸发器放在冷水浴中冷却1min和放在对流式暖风箱中加热3min的方法来模拟间歇运行对换热器性能的影响，其实验结果同样表明铜翅片管蒸发器在间歇运行条件下具有比铝翅片管蒸发器更好的长效性能。

4 微生物污染

对于房间空调器，不仅能在换热器内检出青霉属、曲霉属、枝孢霉属等有害致病菌，在空调隔尘网上也同样分布有大量的微生物污垢。目前针对微生物污垢对换热器性能衰减影响的研究很少，相关的研究需要解决两个方面的困难：1) 实际空调换热器的性能衰减受粉尘、腐蚀污垢、接触热阻增大、翅片亲水性变化等共同的作用，需要设计合适的实验方法来单独分析微生物污垢的影响；2) 实际的微生物生长周期较长，需要缩短在换热器翅片上的微生物培养时间。

已有的空调换热器受微生物污染的长效性能影响研究，是通过采用人工加速霉变的方法使换热器表面生长微生物：通过合理配置孢子悬浮液和营养液并涂抹在翅片样件表面，再将样件置于具有特定温度和湿度的环境中以加速微生物在翅片表面的生长。实验结果发现，铜翅片换热器的翅片表面几乎不生长微生物，而铝翅片换热器的翅片表面则能根据不同的孢子悬浮液喷涂浓度生长出不同数量的微生物，如图7所示。相应的性能测试结果表明，微生物污垢对压降的影响要明显大于对换热的影响，且微生物污垢容易聚集翅片间的凝水并形成水桥。同时研究还发现，较少的微生物污垢在低风速下对换热有一定的增强作用，原因是少量的微生物污垢团会增大翅片表面粗糙度，从而能够破坏空气流动的边界层并增强换热，但是风速较大时微生物污垢对换热只起到衰减的作用。

微生物污染对空调换热器性能衰减的研究目前还只是针对单一微生物来进行的，实际翅片上滋生的微生物种类较多，形成的菌落形态也各异，不同种类微生物对换热器性能影响的研究有待进一步展开。另外，室内蒸发器经常受粉尘和微生物污垢的共同作用，因此综合考虑粉尘和微生物对换热器性能衰减影响的研究具有更重要的意义。

5 结论

保持空调换热器的长效节能特性对我国节能减排具有重要的意义，研究空调换热器的长效节能特性在制冷系统中具有广阔的应用前景。本文综述了包括粉尘、腐蚀、间歇运行以及微生物污染在内的各空调换热器长效影响因素的研究现状，主要结论有：

1) 影响空调换热器长效性能衰减的因素包括粉尘污垢、表面腐蚀、间歇运行和微生物污染四个方面，其中粉尘污垢是影响换热器长效性能的最重要也是最典型的因素。

2) 深入了解粉尘颗粒物在换热器表面上的沉积机理亟需开发适用性更广、通用性更强的污垢沉积模型来进行预测，对于换热器的结构设计需要同时考虑换热能力和防积灰能力。

3) 翅片表面喷涂防腐蚀层能够提高防腐蚀性，但需要对膜层的腐蚀速率进行定量分析，从而为膜层防腐蚀性能本质及防腐蚀检测实验方法研究提供理论支持。

4) 对于间歇运行的研究需要综合考虑高低温循环和干湿循环，设计合理的换热管与翅片间的连接工艺能够减少接触热阻的影响，同时强化翅片表面处理能够改善翅片的亲水性。

5) 微生物污垢在翅片表面的形成过程中往往还伴有粉尘污垢的沉积，综合粉尘和微生物污垢对换热器性能影响的研究更具有实际工程意义。

（本文摘自2015年6月《制冷学报》第36卷第3期）