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冬季蒸发器结霜是制约空气源热泵技术推广应用的主要问题之一。低冰点溶液喷淋式蒸发器在实现热泵无霜连续运行方面表现出良好的性能及应用前景,已引起业界广泛关注。本文采用理论分析、数值模拟及实验相结合的方法,对喷淋式翅片管蒸发器空气侧气液流动及传热传质特性进行了系统研究,分析了运行参数和喷淋方式对蒸发器无霜运行性能的影响规律。搭建翅片表面气液（即空气-水）降膜流动可视化实验台,利用高速摄像仪观测了翅片管表面液膜分布及流动形态,运用液滴形状分析仪测量了翅片表面接触角,获得了接触角θw和气液流动参数对翅片管表面液膜流动特性的影响规律。研究发现,不同溶液流量Ql下,管下方翅片表面液膜厚度均比其他位置厚,壁面接触角越小越易形成满膜流。对于θw=60°的实验用翅片,当Ql≤45 L/h时,液膜未浸润整个翅片管表面;当Ql≥ 60 L/h时,液膜基本浸润了翅片管表面。同时,当Ql＞60 L/h时,管下方出现滴状流;当Ql=100 L/h时,管下方出现片状流。这表明翅片管表面液膜流态比竖直平板表面更加复杂,不适合液膜均匀分布假设。当气液两相流量增大到一定程度时,由于气液界面摩擦力增大,气液逆流和顺流工况下进入翅片管表面的溶液流量均会受到抑制,液膜厚度减小。基于VOF模型建立了以气液界面摩擦力为动量源项的翅片管换热器空气侧气液（即空气-水）降膜流动数值模型,经验证发现水膜厚度计算值与文献实验数据的最大偏差小于5.0%,证明该模型可用于此类问题的理论分析。利用数值模型研究了接触角、翅片间距和雷诺数对液膜形成及流动特性的影响规律,获得了翅片管表面满膜流动的形成条件。研究发现,当液膜Rel数较小时,浸润面积随接触角增大快速降低;当液膜Rel数较大时,随接触角增大浸润面积先缓慢降低而后快速降低;对于θw=10°的翅片,当翅片间距4.8 mm≤Fp≤6.0 mm时,易于形成满膜流动。基于数值计算结果建立了翅片管表面水膜平均厚度无量纲预测关联式。与Nusselt平板表面液膜厚度理论解相比,该关联式计算的翅片管表面平均液膜厚度比其高18.3%～32.5%,说明平板表面平均液膜厚度理论解不适于翅片管的翅片表面,本文获得的上述关联式与文献实验关联式预测值更接近。通过对上述模型的数值计算,发现在气液逆流工况下,当液膜Rel数较小时,气流Reg数大于1629.3后,难以形成满膜流动。在气液顺流工况下,对于不同液膜Rel数,当气流Reg数小于等于1303.5时,气液界面摩擦力较小,气液界面波形态变化较小;当气流Reg数大于1303.5时,气液界面摩擦力增大,气液界面波形态从独立滚动波转变为较小独立波和毛细波。同时,在较大逆向或顺向气流Reg数下,液膜厚度明显减小,与本文可视化实验结果一致。气液逆流时,平均界面摩擦力与气流Reg数呈三次曲线关系,平均壁面剪应力与气流Reg数呈凸二次曲线关系;气液顺流时,平均界面摩擦力与气流Reg数呈二次曲线关系,平均壁面剪应力与气流Reg数呈凹二次曲线关系。基于双膜理论和渗透理论建立了翅片管蒸发器翅片表面气液（即湿空气-LiCl溶液）降膜传热传质模型,对比发现吸湿量计算值与文献实验值吻合度较好,证明该模型可用于分析气液降膜吸收特性。利用该模型的数值计算结果建立了翅片管表面溶液平均膜厚预测关联式。通过上述模型研究了进风温湿度和溶液参数等因素对气液逆流降膜热质交换特性的影响。研究发现,在较低进风温度下,对于不同进风湿度和溶液参数等模拟工况,当不考虑喷淋过程形成的小液滴表面与气相的传热传质时,显热传热系数远大于潜热传热系数,表明在较低环境温度下气液降膜吸收过程的传质量相当小。随溶液LiCl浓度增加（30%～39%）,翅片管表面液膜的密度、动力粘度、表面张力及所受气液界面摩擦力等均显著增大,导致液膜波幅增大,气液界面扰动增强,气液两相总热阻降低约1 0%,强化了界面传热传质过程,故表面Nu数增大;溶液流量增加显而易见增强了界面扰动、降低了热阻,达到了强化气液热质传递的效果。综合上述研究结论,推断在溶液进入降膜区之前,利用表面积比翅片降膜表面大10倍以上的小液滴与空气在喷淋区进行充分热质交换,有望实现喷淋式蒸发器的高效低阻运行。研究了进风速度对翅片管蒸发器空气侧气液（即湿空气-LiCl溶液）降膜传热传质特性的影响,分析了进风速度对翅片管表面液膜总持液量的影响。研究发现,随着进风速度vin,g增大（0.2～1.2m/s）,翅片管表面液膜总持液量先增加后减少,气液界面波幅先升高后降低,气液界面扰动先增强后减弱,气液两相总热阻先减小后增大;在模拟工况范围内Vin,g=0.6 m/s时,气液两相总热阻最小,气液界面扰动强度最大,气液界面附近传热传质过程增强,平均表面Nu数达到峰值（超过990）。另外,基于Extreme和Poly模型分别初步建立了平均传热系数、平均表面Nu数和气相平均压降的无量纲关联式。在理论研究和分析的基础上,提出了一种由无填料喷淋区、翅片管降膜区及水平光管降膜区组合集成的喷淋式无霜热泵新型蒸发器结构,结合文献及理论分析设计了该蒸发器主要结构参数,设计并搭建了喷淋式无霜蒸发器性能实验系统。通过实验研究了进风温度、进风流量及LiCl溶液喷淋方式等对蒸发器能效比（即总换热量与风机和溶液泵二者耗功和之比）、换热扩大系数（即总换热量与显热换热量之比）和蒸发器（火用）损失的影响。实验发现,对于质量浓度36%的LiCl溶液连续喷淋运行方式,在不同的实验进风流量下,随进风温度增大（-10～15℃）,蒸发器能效比均提高约11%,换热扩大系数降低约3%～6%,说明与数值模拟纯降膜工况时较低环境温度下传热传质相比,在该蒸发器实验中由于喷淋区小液滴的存在潜热传热量占比增大。在不同的实验进风温度下,随进风流量增大（即风机频率从10Hz增至50Hz）,蒸发器能效比增大约8%～12%,换热扩大系数提高均不超过1.1%。另外,通过实验对比分析了无喷淋、间歇喷淋和连续喷淋运行方式对蒸发器能效比、换热扩大系数、（火用）损失和气流压降的影响,发现间歇喷淋方式是实现蒸发器无霜连续高效稳定运行较为经济可靠的方案。