再生熱交換器疏水性塗層的方法與流程
2023-07-05 03:50:16
背景
本公開涉及一種熱交換器，並且更詳細而言涉及一種再生所述熱交換器的疏水性塗層的方法。
霜凍積聚可能發生在熱交換器(例如像在製冷系統中使用的蒸發器)的熱傳遞表面上。熱傳遞表面上的霜凍沉積可能導致若干不良影響，如流體流動通道的堵塞、熱傳遞的劣化、壓降和風扇功率的增大以及整體更低的能量效率。另外，熱交換器通常設計有較大翅片間距和精細程度較低的增強特徵以便適應霜凍，從而導致以熱傳遞觀點來講的次最優設計。
概述
根據本公開的一個非限制性實施方案的一種在熱交換器上再生疏水性塗層的方法包括：將疏水性塗層暴露於約五十至一百五十攝氏度範圍內的溫度。
除前述實施方案之外，所述疏水性塗層還包括聚合物。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述溫度處於約五十至一百攝氏度範圍內。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述熱交換器為蒸發器，所述蒸發器包括多個管以用於使第一熱傳遞流體流動。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，至少部分地通過熱交換器的管來逆轉第一熱傳遞流體的流動而實現所述溫度。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，至少部分地通過控制流經塗布有疏水性塗層的、熱交換器的多個翅片的第一熱傳遞流體的流動速率來實現所述溫度。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，至少部分地通過控制流經塗布有疏水性塗層的、熱交換器的多個翅片的第二熱傳遞流體的第二熱傳遞流體溫度來實現所述溫度。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述方法包括：經由在一段時間上暴露於所述溫度來重組疏水性塗層的分子布置。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述疏水性塗層包括有機物質。
根據另一非限制性實施方案的一種再生在製冷系統中使用的蒸發器的疏水性塗層的方法包括：加熱塗布有疏水性塗層的、蒸發器的多個翅片；以及經由所述加熱來重組疏水性塗層的分子結構。
除前述實施方案之外，所述加熱還包括：通過製冷系統來逆轉第一熱傳遞流體的流動。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述加熱還包括：控制第二熱傳遞流體在所述多個翅片上的流動。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述加熱還包括：使第一熱傳遞流體流繞過冷凝器周圍。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，控制器初始化旁路裝置以便控制冷凝器周圍的第一熱傳遞流體流。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述疏水性塗層包括有機物質。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述疏水性塗層包括聚合物。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述加熱在一段時間上將聚合物暴露於約五十至一百五十攝氏度範圍內的溫度。
在前述實施方案中，作為上述內容的替代方式或除上述內容之外，所述溫度處於約五十至一百攝氏度範圍內。
前述特徵和元件可以按照非排他性方式組合在各種組合中，除非另有明確指示。根據以下描述和附圖，這些特徵和元件以及其操作將變得更為明顯。然而，應理解，以下描述和附圖意圖在本質上是示例性的和非限制性的。
附圖簡述
從以下對所公開的非限制性實施方案的詳細描述中，各種特徵對於本領域技術人員將變得顯而易見。伴隨詳細描述的附圖可簡述如下：
圖1是作為本公開的一個非限制性示例性實施方案的、使用熱交換器的製冷系統的示意圖；
圖2是熱交換器的透視圖；
圖3是熱交換器的第二實施方案的透視圖；
圖4是熱交換器的第三實施方案的透視圖；
圖5是圖4的熱交換器的翅片的局部透視圖；
圖6是熱交換器的第四實施方案的透視圖；
圖7是圖6的熱交換器的翅片的局部透視圖；
圖8是圖6的熱交換器的管陣列的橫截面；
圖9是圖6的熱交換器的翅片的橫截面；
圖10是可應用於熱交換器的第一、第二和第三實施方案的等邊管陣列的橫截面；
圖11是熱交換器的第一、第二、第三和第四實施方案的翅片的橫截面；
圖12是示出塗覆和未塗覆疏水性塗層的熱交換器設計的表格；
圖13是示出疏水性塗層的再生效果的圖表；以及
圖14是製冷系統的示意圖。
詳細描述
本公開涉及對熱交換器的熱傳遞表面上結霜的控制和/或預防。這類熱交換器可以是板狀翅片類型、可在空氣溫度調節系統中使用和/或還可以是在製冷和/或空調系統中使用的蒸發器。示例可包括適合用於調節將要供應至住宅、辦公樓、醫院、學校、飯店或其他設施內的氣候受控舒適區的空氣的製冷系統。製冷系統還可用於製冷供應至展示櫃、商品櫃、冷凍室、冷藏間或商業機構中其他易腐冷凍產品存放區域的空氣。此外，製冷系統可應用於運輸貨櫃和/或拖拉機掛車系統中和/或可以是運輸貨櫃和/或拖拉機掛車系統的組成部分。
參考圖1，作為一個非限制性示例，空氣溫度調節系統20可以是製冷系統。製冷系統20可大體上整合到容器22中，所述容器22界定含有貨物26的貨物隔間和/或可佔用隔間24，所述貨物26在不被製冷的情況下可能是易腐的。容器22可以是拖拉機掛車系統、運輸貨櫃、被佔用結構、用於食物冷藏的冷凍機和許多其他設備的一部分。可經由使流體流循環流入隔間24中並流過隔間24的製冷系統20來對隔間24進行冷卻，而將貨物26保持在期望溫度下。製冷系統20可包括壓縮機28、冷凝器30、膨脹閥32、蒸發器34和蒸發器風扇36。壓縮機28可通過由發動機系統40驅動的發電機38來供電。馬達41(如變速馬達)可由驅動器(如變頻驅動器)來供電，所述驅動器可驅動與蒸發器34相關聯的一個或多個風扇36。可進一步設想和理解的是，蒸發器34可以是包括(例如)空氣冷卻器的其他類型熱交換器。可進一步設想的是，熱交換器可以不是蒸發器，而可以是攜載低於冰點的流體的任何熱交換器；例如，二次迴路中的熱交換器。
在製冷系統20的正常冷卻循環期間，返回流體流42(例如，空氣流或第二熱傳遞流體)從隔間24通過製冷進口44流入到製冷系統20中，並且經由蒸發器風扇36流經蒸發器34，從而冷卻返回流體流42。一旦冷卻，返回流體流42便變為供應流體流46並且通過製冷系統20的出口48而供應至隔間24。進口44和出口48的邊界可由容器22界定，其中出口48位於進口44上方。可進一步設想和理解的是，流體流可以是處於氣態下的並且能夠在熱交換器上形成霜凍的任何流體。
還是在正常冷卻循環期間，第一熱傳遞流體(例如，製冷劑，參見箭頭52)在各種部件之間流過線路49。在進入蒸發器34的管之前，第一熱傳遞流體52可貫穿蒸發器膨脹閥32(例如像電子膨脹閥或恆溫膨脹閥)，並且在作為氣體/液體兩相混合物進入蒸發器34之前膨脹至較低壓力和較低溫度。隨著第一熱傳遞流體52貫穿蒸發器34，第一熱傳遞流體52在與第二熱傳遞流體(例如，周圍空氣)處於熱交換關係的情況下穿行，據此第一熱傳遞流體52的液相被汽化並且可過熱化至期望程度。離開蒸發器34的低壓汽相第一熱傳遞流體52穿過線路49到達壓縮機28的吸入口。可設想和理解的是，第一熱傳遞流體52可以是能夠經受從液體至氣體並再次復原的相變的任何物質。這類工作流體可包括任何製冷劑，所述製冷劑(例如)包括碳氟化合物、氨氣、二氧化硫、烴、二氧化碳和其他物質。
第二熱傳遞流體或流體流42可以是由一個或多個關聯風扇36從氣候受控環境(如與運輸製冷單元相關聯的易腐/冷凍貨物存放區或商業機構的食品展示或存放區域或與空氣調節系統相關聯的、有待冷卻的並且通常還被除溼的建築物舒適區)抽吸的並且由此返回至氣候受控環境的空氣。
參考圖2，蒸發器34可以是空氣冷卻熱交換器，例如像圓管板狀翅片(rtpf)熱交換器，其可具有促進第一熱傳遞流體52流動的管50以及緊固至管外部的眾多實質上平坦的翅片54。在操作中，流體流(參見箭頭56)移動穿過翅片54，並且熱量從空氣穿過翅片54而傳遞到流動的第一熱傳遞流體52中。利用熱量的吸收，第一熱傳遞流體52可在管50的內部蒸發。蒸發器34還包括翅片節距(即，翅片密度)，所述翅片節距可由每英寸翅片數量來表示(參見箭頭58)。可進一步設想和理解的是，熱交換器34的其他示例可包括：熱泵蒸發器(例如，熱泵微通道熱交換器)，其可位於戶外；或二次熱交換器，其與作為二次冷卻劑的冷卻劑52一起用於製冷系統中。
參考圖3至10，其他類型的蒸發器34被示出並且通過添加字母數字後綴作為識別符來進行識別。如圖3中所示，rtpf熱交換器34a可包括大體上波狀的翅片54a。
如圖4至5中所示，rtpf熱交換器34b可包括呈矛狀的翅片54b。
如圖6至9中所示，蒸發器34c可以是包括管50c和翅片54c的微通道熱交換器(mchx)。管50c可具有實質上矩形的的橫截面並且並排式對齊，從而形成管陣列60。每個翅片54c可包括多個褶皺62，其中每個褶皺具有多個百葉片64。一個翅片54c可位於鄰近管陣列之間，其中翅片54c的每個褶皺62在鄰近管陣列60之間延伸並且與鄰近管陣列60接觸。如圖9中最佳展示的，蒸發器34c(或其他百葉片式蒸發器配置)可包括翅片節距(參見箭頭58c)、百葉片角度(參見圖9中的箭頭66)和百葉片節距(參見箭頭68)。優選地，百葉片角度66約小於三十五(35)度(也參見圖12)。
參考圖10，相應蒸發器34、34a、34b的管50、50a、50b中的任一個或全部可包括配置在等邊管陣列70中的管。等邊管陣列70可包括管行節距(參見箭頭72)和實質上相等的管面節距(參見箭頭74)。管行節距72可約等於管面節距74的0.866倍。
當蒸發器34(即，同樣適用於蒸發器34a、34b、34c)在翅片表面溫度低於約三十二(32)華氏度(零攝氏度)的情況下運作並且流體流56的露點溫度高於翅片表面溫度時，來自空氣的冷凍溼氣可積聚在翅片54和管50上(即，霜凍)。霜凍的持續形成和/或堆積將會降低蒸發器34的冷卻能力和效率。這種效率降低可能是由會減少穿過蒸發器34的空氣流的空氣側壓降增大以及空氣與第一熱傳遞流體之間由於霜凍的絕緣效果造成的熱傳遞阻力增大所導致的。
翅片節距58以及蒸發器的前述其他物理特性可能影響蒸發器34上的結霜速率。霜凍積聚的增加導致空氣側壓降的增大和隨之發生的穿過蒸發器34的流體流56的減少。在理想情況下並且為了優化蒸發器性能，翅片節距58的減小(即翅片密度的增大)可能因翅片54的熱傳遞表面積的增大而為合乎需要的。然而，因為霜凍積聚在蒸發器34上，所以翅片節距58的這種減小導致可用流體流動面積的減小。隨著流體流動面積繼續減小，蒸發器34的操作能力將會降低，直至需要製冷系統20的除霜循環為止。然而，除霜循環本身需要能量，因而會降低製冷系統20的總效率。
由於霜凍積聚方面的問題，製冷蒸發器在傳統上受限於每英寸約兩個(2個)至六個(6個)翅片的翅片密度，並且一般避免了波狀蒸發器34a、矛狀蒸發器34b和百葉片式(即，瓦楞形)蒸發器34c。然而，本公開利用可覆蓋翅片54和管(未圖示)的外部表面的疏水性塗層62(參見圖11)。與不具有塗層的親水性表面或翅片相反，形成於疏水性塗層62上的冷凝小滴更小並且保持在液態中的時間更長。因此，疏水性塗層62延緩霜凍積聚並且減小霜凍造堆積速率。此外，當與形成於親水性和/或無塗層表面上的霜凍相比時，確實形成於疏水性塗層62上的霜凍一般是鬆散的並且微弱地附著至疏水性塗層的表面。疏水性塗層62的一個非限制性示例可以是有機塗層並且可包括聚合物。
參考圖12，其示出一個表格，所述表格例證出使用疏水性塗層62時用以優化熱交換器設計的能力。例如，由於對霜凍積聚的考慮，可以是帶有波狀表面幾何形狀和等邊管行節距的rtpf類型的、在運輸製冷中使用的蒸發器具有每英寸八個(8個)翅片的最大翅片密度。然而，當使用疏水性塗層62時，相同蒸發器類型和幾何形狀可使用處於每英寸約八個(8個)至二十五個(25個)翅片範圍內的翅片密度，並且優選地大於每英寸十個(10個)翅片。根據圖12，顯而易見的是，在使用疏水性塗層62的情況下，可用先前未嘗試過的方式對蒸發器設計進行優化。例如，可在改善蒸發器能力和效率的同時減小蒸發器的成本以及總尺寸和重量。空調和/或製冷系統可展現增加的性能係數(cop)、減小的功率消耗，並且可在更少循環下提供更為恆定的負載。此外，在利用疏水性塗層62的情況下，製冷系統20可能不需要除霜循環，或者可能僅需要最小程度的除霜需求。
參考圖13，疏水性塗層62的性能可隨時間退化，這可能導致熱交換器性能的退化和/或需要重新塗覆塗層。舉例來說並且針對在運輸應用中使用的製冷系統20而言，疏水性塗層62可在約兩百(200)至三百(300)次循環之後退化。本公開教示一種通過暴露於高溫而再生塗層62的過程。如圖13中最佳展示的，以接觸角來表示初始的、退化的和再生的條件，所述接觸角可包括前進和後退接觸角(ca)兩者。儘管未示出，但接觸角為通過液滴測量的角度，在所述液滴中，液體/蒸氣接面觸及由(例如)翅片54攜載的外部表面。接觸角經由楊氏方程來表示液體對外部表面的可溼性。接觸角越大，塗層的疏水特性就越好。
能夠再生疏水性塗層62的高溫可處於約50攝氏度至150攝氏度的範圍內並且優選地處於50攝氏度至100攝氏度之間持續一段時間(例如，約三十至九十分鐘)。在製冷系統20的前述應用中，系統本身可被用來提供必要熱量以便再生疏水性塗層62。例如，可通過允許第一熱傳遞流體繞開冷凝器30(參見圖1)以及控制風扇36的流量來實現再生。或者，可通過逆轉第一熱傳遞流體流(即，逆向循環)以及控制風扇36的速度來實現再生。更具體來說，可逆轉壓縮機，或者可將四通閥(未圖示)附加至類似於熱泵系統的系統。類似再生技術可應用於在熱泵應用中使用的熱交換器。
或者，流經熱交換器的所述多個翅片的第二熱傳遞流體42可由加熱器或輔助熱交換器(未圖示)加熱至再生疏水性塗層62所必需的升高溫度。
參考圖14，製冷系統20還可以包括控制器76、可具機械性的抗霜凍裝置78、壓縮機旁路裝置80和眾多連通路徑82。如本文所用的術語「控制器」指代用於控制的任何方法或系統，並且應理解為包含微處理器、微控制器、程序化數位訊號處理器、集成電路、計算機硬體、計算機軟體、電氣電路、專用集成電路、可編程邏輯裝置、可編程門陣列、可編程陣列邏輯、個人計算機、晶片以及離散模擬、數字或可編程部件或能夠提供處理功能的其他裝置的任何其他組合。
控制器76可與壓縮機28、閥32、抗霜凍裝置78、風扇36、旁路裝置80、各種傳感器(未圖示)、第一熱傳遞流體線路49中的各種流量控制閥(未圖示)以及其他部件操作性地關聯。控制器76可被配置來以各種操作模式控制製冷系統20的操作，所述操作模式包括若干能力模式和至少一個除霜和/或抗霜凍模式。能力模式可包括負載模式，其中製冷負載施加於需要壓縮機28在負載條件下運行的系統上以滿足冷卻需求。在能力模式的卸載模式中，施加於製冷系統20上的冷卻需求很低以至於可產生足夠的冷卻能力以便當壓縮機28在卸載條件下運行時滿足冷卻需求。控制器76也可被配置來控制變速驅動器38以改變輸送至壓縮機驅動馬達40的電流的頻率，從而回應於能力需求來改變壓縮機28的速度。類似地，控制器76可經由變速馬達41來控制風扇36的速度。
如前所述，製冷系統20也可以包括可由控制器76控制的至少一個除霜模式或循環。作為一個非限制性示例，控制器76可初始化抗霜凍裝置78，所述抗霜凍裝置78可被構造來在冷凍之前從蒸發器34移除液體冷凝物。或者，抗霜凍裝置78可利用堆積在疏水性塗層62上的積聚霜凍的鬆散附著特性和/或低密度特性。抗霜凍裝置78可以是振動器，其被構造來振動蒸發器34，從而抖落任何冷凝物和/或積聚的低密度霜凍。振動器78可經由旋轉質量、線性共振器或壓電設備來實現振動。或者，抗霜凍裝置78可以是聲學裝置，其被配置來將聲波直接發射在冷凝物和/或霜凍上。可進一步設想和理解的是，旋轉質量可以是風扇，並且風扇可以是風扇36。
抗霜凍裝置78可進一步包括傳感器84，所述傳感器84可以是光學傳感器，所述光學傳感器被配置來使蒸發器34成像以檢測冷凝物和/或霜凍。傳感器84可沿可以是有線或無線的路徑82將檢測信號發送(參見箭頭86)至控制器76。根據充分的冷凝物和/或霜凍檢測，控制器76可在路徑82上將起動信號發送(參見箭頭88)至抗霜凍裝置78。可進一步設想和理解的是，傳感器84可以是壓差傳感器或能夠檢測熱交換器上的霜凍積聚的其他傳感器。
替代地、除抗霜凍裝置78之外和/或作為抗霜凍裝置78的一部分，控制器76可利用製冷系統20中傳統上旨在單獨地幫助所述能力模式的其他部件。例如，除霜模式可包括流體流52的脈動、流體流52的速度的突然增加和/或聲學或空氣動力學共振(即，流動誘發的振動)。更具體來說，光學傳感器84可如前所述檢測冷凝物和/或霜凍。作為如前所述的一個示例，控制器76可隨後將控制信號輸出(參見箭頭90)至變速馬達41，所述變速馬達41一般運行風扇36來增加流體流速度和/或脈動。可進一步理解和/或設想的是，蒸發器34的部分可被堵塞以增加其他區域中的流體流52。這種堵塞可通過抗霜凍裝置78的另一實施方案來實現，其中抗霜凍裝置78可在蒸發器的區段上機械地移動以堵住流體流，進而增加其他區域中的流體流動速度。
雖然已經參考示例性實施方案描述了本公開，但是本領域的技術人員將理解，在不背離本公開的精神和範圍的情況下，可以進行各種改變並且可以用等效物來替換。除非在本文中另有指示或通過上下文清楚地辯述，否則術語「一個」和「所述」在本文中不表示對數量的限制，並且應解釋為涵蓋單數和複數兩者。另外，在不背離本公開的基本範圍的情況下，可以應用各種修改來使本公開的教示適合於特定情況、應用和/或材料。因此，本公開並不受限於本文所公開的特定示例，而是包括處於所附權利要求書的範圍內的所有實施方案。