学术报告

第一部分：研究作者、单位及发表信息

本文的主要作者为马志恒，其身份为硕士研究生，主要研究方向为换热器设计。其他合作者包括李丰、赵日晶、黄东。作者隶属于西安交通大学制冷与低温工程系（Department of Refrigeration & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University）和美的暖通与楼宇事业部研发中心（Media HVAC & Building Technologies Division Research and Development Center）。该研究发表于期刊《refrigeration and air-conditioning》第22卷第5期（2022年5月）。本文的研究受到山东省重大科技创新工程项目（2019jzzy020813）的支持。

第二部分：研究背景与研究目的

科学背景与研究领域
本文属于制冷与低温工程领域，重点探讨了微通道换热器（microchannel heat exchanger, MCHX）的排水性能和改进设计。传统MCHX体积小、质量轻、换热效率高、制冷剂充注量少，已广泛应用于空调、冰箱、热泵热水器等制冷系统。然而，这些设备在作为蒸发器使用时面临冷凝水积聚、结霜增快和性能下降等问题。

目前市面上的MCHX因结构局限性，不易完全排除冷凝水和融霜水，导致“顽冰”现象频发。不仅堵塞空气流道，还降低了换热效率并可能造成设备腐蚀。因此，研发具有更高排水性能的新型MCHX，特别是在湿工况与结霜工况下具有优异表现的换热器，对于提升制冷系统效率具有重要意义。

研究目的
竖插翅片微通道换热器（vertical fin microchannel heat exchanger, VMCHX）凭借特殊结构设计，有望解决上述问题。然而，目前关于VMCHX的研究较少，未见实际应用。本文以VMCHX为研究对象，通过仿真与实验方法探究其排水性能，旨在为其在蒸发器场景中的实际应用提供理论支撑。

第三部分：研究方法和实验流程

本文的研究分为仿真实验和动态浸渍实验两部分，以定性与定量相结合的方式系统分析VMCHX的排水性能。

1. 仿真实验

作者使用xFlow软件模拟竖插翅片的排水过程，验证其结构设计是否有利于冷凝水的快速排放。

• 结构设计
  VMCHX由集流管、扁管和平行贯通翅片组成。扁管内设微通道，水力直径约为1毫米。翅片的设计具有以下关键特点：
  1）翅片延裹扁管，在竖直方向贯通；
  2）翅片下缘设导水槽，用于引流冷凝水；
  3）翅片表面由平片、波纹片和开窗结构复合而成，可通过调整其比例优化换热与压降性能。

• 仿真环境
  仿真计算域包含两排翅片，顶部设圆形出水口，出水速度设为1 m/s。模型采用格子玻尔兹曼算法模拟重力驱动和表面张力影响，计算时间为0.5秒。

• 排水过程观测
  仿真结果显示，大部分冷凝水沿翅片延裹侧向下排放，并依次导入底部接水盘，无明显残留积水。与传统蛇形翅片的滞留水问题相比，VMCHX的设计结构大大减少了死角积液。图示结果还验证了沿翅片延裹侧与导水槽的流体交互作用，可有效驱动更多冷凝水纵向排放，形成高效排水通道。

2. 动态浸渍实验

为了进一步验证涂层对VMCHX排水性能的影响，使用动态浸渍法进行了定量试验，测量了最大持水量、稳定持水量及排水时间。

• 实验样品及参数设置
  研究对比了以下五种换热器：水平扁管MCHX（coils #1）、竖直扁管MCHX（coils #2）、裸铝VMCHX（coils #3）、亲水涂层VMCHX（coils #4）和超疏水涂层VMCHX（coils #5）。VMCHX采用“全开窗”翅片设计，结构参数一致（换热器高297.6 mm，宽227.9 mm，翅片间距1.3 mm）。

• 实验步骤
  1）将换热器垂直悬挂，完全浸入水中；
  2）缓慢上升水箱，以确保换热器刚好脱离水面，同时去除表面气泡；
  3）记录换热器脱离水面瞬间的重量变化，每隔0.2秒记录一次，直至20分钟后持水量趋于稳定。

第四部分：研究结果与数据分析

1. 仿真结果

xFlow仿真实验表明，相比传统MCHX，VMCHX的排水性能显著改善。其特殊结构驱动冷凝水沿翅片延裹侧均匀排放，大幅减少底部翅片积水和表面滞留水。

2. 动态浸渍实验结果

• 不同换热器的排水能力比对
  最大持水量（表面蓄积的最大水量）、稳定持水量（表面残留水量）和排水时间（达到最大排水量的耗时）的实验数据如下：
  

| 换热器 | 最大持水量 (g/m²) | 稳定持水量 (g/m²) | 排水时间 (s) | |——–|——————|——————|————–| | MCHX（水平） | 681.5 | 654.8 | 515 | | MCHX（竖直） | 416.7 | 143.7 | 382 | | VMCHX（裸铝） | 351.3 | 76.1 | 569 | | VMCHX（亲水） | 346.0 | 76.4 | 474 | | VMCHX（超疏水） | 64.1 | 61.4 | 6 |

• 关键数据分析
  
  • 相比MCHX（竖直扁管），裸铝VMCHX的稳定持水量减少47%，表明其设计有效减少死角积水；
    
  • 亲水涂层VMCHX在排水时间上较裸铝VMCHX减少17%，通过液膜效应提升水排放速率；
    
  • 超疏水涂层VMCHX表现最佳，其排水时间缩短至6秒，稳定持水量进一步降低19%，确保了最少的融霜水残留。
    

第五部分：研究结论及意义

本文系统研究了VMCHX的排水性能及涂层影响，主要结论如下：
1）VMCHX凭借创新设计，实现冷凝水的高效排放，有效减小积水与死角问题；
2）相较传统MCHX，在湿工况和结霜工况下具备显著优势，可避免残余融霜水加速结霜；
3）超疏水涂层显著提高排水速率并降低残留水量，为在复杂环境下延长换热器周期性能提供了解决方案。

本研究为进一步优化VMCHX结构与涂层工艺提供了实验依据，并奠定了其在制冷系统中的实际应用基础。

第六部分：研究亮点

1）提出并验证了VMCHX的创新结构设计，有助于推动微通道换热器领域的技术革新；
2）动态浸渍法与仿真实验的结合，实现了多维度的排水性能评估；
3）超疏水涂层的成功应用，为提升蒸发器性能和节能效果提供了创新解决方案。

第七部分：其他价值与展望

本研究为VMCHX在实际制冷与空调系统的应用提供了全新视角。未来的工作可围绕以下几个方面展开：
1）优化涂层材料与工艺，提高换热器表面疏水性及耐用性；
2）结合结霜/融霜工况下的长期实验，探索VMCHX在更复杂条件下的性能表现；
3）开发低成本、高性能的全铝型换热器制造方案，推动其规模化应用。

本研究在传热与排水性能优化领域具有重要的科学意义和工程价值。