梁彩華 汪 峰 呂 艷，2 范 晨 吳春曉 張小松 張友法

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

(2江蘇華晟建筑設(shè)計(jì)有限公司，徐州221006)

(3東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

空氣源熱泵冬季制熱運(yùn)行結(jié)霜問題不可避免，霜層的形成與生長(zhǎng)加大了蒸發(fā)器表面與空氣間的傳熱熱阻及空氣流動(dòng)阻力，導(dǎo)致空氣源熱泵性能下降，不能正常工作［1］.因此，研究翅片表面結(jié)霜機(jī)理、探索有效的抑霜除霜方法一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注.目前，關(guān)于結(jié)霜現(xiàn)象的研究主要集中在兩方面:①結(jié)霜機(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究，探究翅片表面霜層生長(zhǎng)規(guī)律及其影響因素［2-4］;② 結(jié)霜過程的物理和數(shù)學(xué)模型，模擬預(yù)測(cè)結(jié)霜過程及霜層熱工特性的變化規(guī)律［5-7］.但是，以上研究沒有考慮翅片表面特性對(duì)結(jié)霜過程的影響.

近年來，隨著各種新型材料的研究與開發(fā)，許多學(xué)者展開了表面改性在抑霜方面的研究［8-10］.Lee等［11］對(duì)蒸發(fā)器翅片表面進(jìn)行了親水性涂層試驗(yàn)，結(jié)果表明親水性涂層可有效抑制霜層的生長(zhǎng)，延遲霜層出現(xiàn)時(shí)間.丁云飛等［12］通過靜電紡絲方法，制備出具有納微結(jié)構(gòu)疏水表面，對(duì)其疏水性能和結(jié)霜過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，疏水表面能有效延遲初始霜晶出現(xiàn)的時(shí)間，表面霜晶覆蓋率低，具有較好的抑霜性能.

這些研究主要針對(duì)表面改性的特定翅片，沒有系統(tǒng)地對(duì)不同表面特性的翅片進(jìn)行結(jié)霜過程的探究.因此，本文通過構(gòu)建可視化的翅片結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)具有不同接觸角的翅片表面進(jìn)行結(jié)霜過程的細(xì)微觀可視化研究，分析表面特性對(duì)結(jié)霜過程細(xì)微觀物理特征及霜層熱工特性的影響規(guī)律，從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)和掌握翅片表面特性的抑霜效果，為進(jìn)一步探索高效抑制結(jié)霜的翅片提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成

翅片結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括翅片結(jié)霜冷臺(tái)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境營(yíng)造系統(tǒng)和綜合測(cè)量系統(tǒng)(見圖1).翅片結(jié)霜冷臺(tái)可調(diào)節(jié)翅片表面溫度，使翅片表面在設(shè)定溫度下結(jié)霜;實(shí)驗(yàn)環(huán)境營(yíng)造系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)翅片所處結(jié)霜環(huán)境的溫濕度調(diào)節(jié)，保證翅片在恒定環(huán)境下結(jié)霜;綜合測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)霜過程細(xì)微觀物理特征的可視化觀測(cè)與霜層熱工特性參數(shù)的測(cè)量.

翅片結(jié)霜冷臺(tái)采用半導(dǎo)體溫差電制冷方式制冷，冷臺(tái)溫度調(diào)節(jié)范圍為－20～150℃，最大樣品尺寸為94 mm×94 mm;為了使冷臺(tái)熱端的熱量能夠及時(shí)散去，采用低溫恒溫槽對(duì)冷臺(tái)熱端進(jìn)行散熱，溫度范圍為－20～100℃，溫度波動(dòng)度為±0.01℃.

圖1 翅片結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境營(yíng)造系統(tǒng)如圖1(a)所示.該系統(tǒng)通過恒溫槽對(duì)空氣進(jìn)行冷卻降溫，通過水槽調(diào)節(jié)空氣相對(duì)濕度，利用調(diào)節(jié)閥門開度控制空氣流量，溫濕度穩(wěn)定后的空氣經(jīng)過噴頭引到翅片試樣表面，營(yíng)造一個(gè)溫濕度相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)霜環(huán)境.

綜合測(cè)量系統(tǒng)如圖1(b)所示，主要包括圖像采集系統(tǒng)與霜層熱工特性參數(shù)的測(cè)量?jī)x器.圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)霜過程圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，包括CCD視頻系統(tǒng)、體式顯微鏡等，實(shí)驗(yàn)過程中利用CCD視頻系統(tǒng)、體式顯微鏡分別記錄結(jié)霜側(cè)面、正面情況.采用紅外熱像儀測(cè)量霜層表面溫度的分布情況，熱靈敏度小于0.03℃(在溫度為 +30℃時(shí))，波段范圍為7.5～13 μm;采用超薄型熱流密度計(jì)測(cè)量通過翅片試樣表面的熱流密度，熱流密度計(jì)使用溫度為－180～200℃，輸入范圍為±200 kW/m2，靈敏度優(yōu)于3%;在試樣背面布置4個(gè)T型熱電偶，測(cè)量其下表面的溫度，測(cè)溫范圍為－200～+350℃，精度為±0.1℃.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在一個(gè)空氣溫濕度相對(duì)恒定的結(jié)霜環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中采用冷光源進(jìn)行照明，以減少熱量，提高實(shí)驗(yàn)精度.實(shí)驗(yàn)前，截取一定尺寸的翅片試樣，利用超聲機(jī)清洗儀清洗后，采用OCA20視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣表面的接觸角;開啟實(shí)驗(yàn)環(huán)境營(yíng)造系統(tǒng)，獲得實(shí)驗(yàn)所需的結(jié)霜環(huán)境;送風(fēng)溫濕度穩(wěn)定后，將翅片試樣固定于冷臺(tái)，布置T型熱電偶和熱流密度傳感器;待調(diào)節(jié)好顯微鏡焦距和圖像采集系統(tǒng)，將翅片結(jié)霜冷臺(tái)溫度降低至預(yù)定溫度(－15℃)，通過圖像采集軟件對(duì)結(jié)霜過程進(jìn)行定時(shí)拍照，間隔1 min;利用紅外熱像儀測(cè)量霜層表面溫度分布.

實(shí)驗(yàn)過程中，如采用霜柱最高點(diǎn)作為霜層高度，由于霜晶生長(zhǎng)過程中隨機(jī)性很大，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別霜晶生長(zhǎng)較快，導(dǎo)致求得的霜層高度不能代表真實(shí)的霜層生長(zhǎng)情況.本實(shí)驗(yàn)采用取最高霜高和最低霜高平均值的方法計(jì)算霜層高度.將霜層沿寬度方向分成5部分，取5個(gè)部分平均霜層高度的平均值作為霜層高度，這樣獲得的霜層高度更加精確.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

所謂接觸角，就是液滴在固體表面達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，氣液界面與固液界面所夾的角度［13］.接觸角θ是判定表面潤(rùn)濕性好壞的依據(jù)，θ越小，表面潤(rùn)濕性越好.θ＜90°，固體表面稱之為親水表面;90°＜θ＜150°，固體表面稱之為疏水表面;θ＞150°，固體表面稱之為超疏水表面.圖2為液滴在不同表面上的接觸角示意圖.

圖2 不同表面的接觸角示意圖

本實(shí)驗(yàn)選取或制備了親水性鋁、普通鋁、疏水性鋁和超疏水性鋁4種表面作為翅片試樣，測(cè)量其接觸角，所得接觸角分別為 13.2°，112.4°，140.5°和154.9°(見圖3)，對(duì)4種表面的結(jié)霜過程細(xì)微觀特征進(jìn)行了可視化研究.

圖3 實(shí)驗(yàn)用不同翅片試樣的接觸角

2.1 接觸角對(duì)凝結(jié)-凍結(jié)過程的影響

翅片試樣結(jié)霜環(huán)境如下:環(huán)境溫度8℃，相對(duì)濕度53%，翅片結(jié)霜冷臺(tái)溫度－15℃.

實(shí)驗(yàn)中觀察到在初始霜晶出現(xiàn)前，親水性鋁、普通鋁、疏水性鋁和超疏水性鋁4種表面都發(fā)生了結(jié)露現(xiàn)象，但是液滴形狀、分布及開始凍結(jié)的時(shí)間有所不同.4種表面在不同時(shí)刻的凝結(jié)-凍結(jié)過程如表1所示.初始霜晶出現(xiàn)前，4種表面都發(fā)生了凝結(jié)現(xiàn)象，小水珠在翅片表面上生成后，不斷長(zhǎng)大直至凍結(jié).但是通過比較發(fā)現(xiàn)，又有所不同:① 凝結(jié)速度不同.親水性鋁表面的水珠出現(xiàn)得最早，而超疏水性鋁表面的水珠出現(xiàn)得最遲，在2 min左右，親水性鋁表面已經(jīng)布滿了小水珠，普通鋁表面有少量水珠分布，而疏水性鋁、超疏水性鋁表面則沒有水珠出現(xiàn).②液滴分布不同.對(duì)于接觸角最小的親水性鋁表面，所形成的水珠大且分布密集，在4 min時(shí)，水珠幾乎連成一片;而對(duì)于接觸角較大的超疏水性鋁表面，表面潤(rùn)濕性比親水性鋁弱，不斷凝聚的液滴形成珠狀，粒徑小而分布稀疏.③ 水珠開始凍結(jié)的時(shí)間不同.在6 min時(shí)，親水性鋁、普通鋁表面上水珠已經(jīng)全部?jī)鼋Y(jié)，而疏水性鋁表面只有部分水珠凍結(jié)，超疏水性鋁表面水珠還沒有開始凍結(jié);12 min時(shí)，親水性鋁表面凍結(jié)的水珠上面已經(jīng)形成了連續(xù)的霜晶，而超疏水性表面上霜晶比較稀疏，正是由于超疏水性表面初始霜晶的滯后出現(xiàn)影響了整個(gè)霜晶生長(zhǎng)過程，因此超疏水性表面的結(jié)霜量比較少，霜晶比較稀疏.親水性表面上的水珠與翅片表面的接觸面積較大，因此其表面溫度更接近于翅片表面而易于凍結(jié)，這是親水性鋁表面上水珠較早凍結(jié)的原因.以上分析表明，接觸角越大的翅片表面抗結(jié)霜能力越強(qiáng).

2.2 接觸角對(duì)霜層生長(zhǎng)過程的影響

表2對(duì)親水性鋁、普通鋁、疏水性鋁和超疏水性鋁4種表面在不同時(shí)刻霜層生長(zhǎng)情況進(jìn)行了對(duì)比.觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，4種表面上結(jié)霜過程都經(jīng)歷了水珠生成、長(zhǎng)大、凍結(jié)，初始霜晶生成，霜晶成長(zhǎng)(包括部分霜晶的倒伏)的過程.但不同接觸角的表面上的結(jié)霜過程又有不同:①隨著接觸角的增大，表面的霜層積累速度越慢，霜晶高度越低.超疏水性鋁表面霜晶的生長(zhǎng)速度比其他表面都慢，并在整個(gè)生長(zhǎng)過程中出現(xiàn)多次倒伏現(xiàn)象，因此超疏水性鋁表面的結(jié)霜量要小于其他鋁表面，其表面具有明顯的延緩結(jié)霜作用.② 接觸角越大，霜晶出現(xiàn)得越晚.6 min時(shí)，親水性鋁表面上已長(zhǎng)滿連續(xù)霜晶，普通鋁、疏水性鋁表面有少量的霜晶，而超疏水性鋁表面上幾乎無霜晶.③ 霜晶的形態(tài)不同.親水性鋁、普通鋁等接觸角較小的表面霜晶纖長(zhǎng)且致密，枝晶多且分布均勻;而疏水性鋁表面的霜晶則相對(duì)矮小且疏松，枝晶分布不均勻，在結(jié)霜過程中很容易出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象.表2直觀地反映出，接觸角越大的翅片表

面其抑霜效果越明顯.

表1 不同表面不同時(shí)刻凝結(jié)-凍結(jié)過程

表2 不同表面不同時(shí)刻霜層生長(zhǎng)情況

不同接觸角表面的抑霜效果也可以從霜層高度來反映.親水性鋁、普通鋁、疏水性鋁和超疏水性鋁4種表面上霜高隨時(shí)間的變化如圖4所示.從圖中可以看出，隨著接觸角的增大，疏水性鋁表面在抑霜的時(shí)間及抑霜量上都有明顯的改善.超疏水性鋁表面初始霜晶出現(xiàn)的時(shí)間比親水性鋁表面推遲3 min左右.結(jié)霜60 min后，4種表面霜高分別為1.82，1.60，1.36 和0.99 mm，超疏水性鋁表面霜高比親水性鋁表面減少了45%，抑霜效果明顯提高.

圖4 不同表面霜層高度隨時(shí)間的變化

以上分析表明，疏水性表面能夠延遲初始霜晶出現(xiàn)，抑制霜層生長(zhǎng).分析其原因:① 疏水表面初始霜晶出現(xiàn)較晚，初始霜晶的滯后影響了整個(gè)霜晶生長(zhǎng)過程.②表面接觸角大，凝結(jié)在表面上的水滴成珠狀，與翅片表面的接觸面積小，不易凍結(jié).此外，隨著翅片表面結(jié)霜的進(jìn)行，在已有霜晶上成霜所需的表面自由能要比在金屬表面成霜小得多［14］，由此導(dǎo)致首先形成霜晶的親水鋁表面更容易著霜.

2.3 接觸角對(duì)霜層熱工特性的影響

圖5(a)為4種表面上同一點(diǎn)的霜層表面溫度隨時(shí)間的變化.4種表面上同一點(diǎn)的霜層表面溫度都隨著時(shí)間的推移逐漸升高，在結(jié)霜初始階段溫度升高較快，隨后速度變緩;在同一時(shí)刻，親水性鋁表面霜層表面溫度最高，而普通鋁、疏水性鋁和超疏水性鋁表面霜層溫度依次降低.在結(jié)霜30 min時(shí)，親水性鋁表面霜層溫度為－13.05℃，而超疏水性鋁表面霜層溫度為－13.38℃.

結(jié)霜問題的重點(diǎn)是霜層物理性質(zhì)的研究，其中最重要的參數(shù)之一是霜層的導(dǎo)熱系數(shù).本文中霜層導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)傅里葉公式和熱流密度計(jì)等所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，即

圖5 不同表面霜層表面溫度和導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間的變化

式中，q為翅片表面熱流密度，W/m2;λ為霜層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);h為霜層高度，m;ΔT為翅片表面溫度與霜層表面溫度之差，℃.

實(shí)驗(yàn)所得霜層導(dǎo)熱系數(shù)如圖5(b)所示.霜層導(dǎo)熱系數(shù)隨著結(jié)霜的進(jìn)行不斷地增大，變化速率初始較大，隨著時(shí)間推移，導(dǎo)熱系數(shù)變化速率逐漸減小.這是因?yàn)槌崞砻娴乃獙訉?dǎo)熱系數(shù)與表面霜層的疏松程度有關(guān)，結(jié)霜初期，空氣中的水蒸氣凝華形成冰晶，主要用于增加霜層高度，此時(shí)霜層較疏松，導(dǎo)熱系數(shù)變化較快;而當(dāng)結(jié)霜過程進(jìn)入充分生長(zhǎng)期，空氣中的水蒸氣滲入霜層內(nèi)部用于增加霜層的密度，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)變化速率逐漸減小.同一時(shí)刻，接觸角越大的翅片表面，霜層導(dǎo)熱系數(shù)越小，實(shí)驗(yàn)中4種翅片表面的霜層導(dǎo)熱系數(shù)由大到小依次為:親水性鋁，普通鋁，疏水性鋁，超疏水性鋁.表面霜層越疏松，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，這也反映了4種翅片表面霜層的疏松程度.

3 結(jié)語

本文通過構(gòu)建翅片結(jié)霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和制備具有不同接觸角的翅片，對(duì)4種不同特性的翅片表面結(jié)霜過程的細(xì)微觀特征進(jìn)行了可視化研究，獲得了翅片表面特性對(duì)結(jié)霜過程細(xì)微觀物理特征及霜層熱工特性的影響規(guī)律.

在霜晶生長(zhǎng)初期，隨著翅片表面接觸角的增大，凝結(jié)形成的液滴粒徑不斷減小，分布越稀疏，液滴開始凝固的時(shí)間越滯后延長(zhǎng);霜層生長(zhǎng)過程中，接觸角大的鋁表面霜晶相對(duì)矮小且疏松，枝晶分布不均勻，而接觸角較小的鋁表面霜晶纖長(zhǎng)且致密，枝晶多且分布均勻.隨著接觸角的增大，霜層高度減小，超疏水性表面霜高比親水性表面減少了45%.霜層表面溫度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨著接觸角的增大而減小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接觸角越大的翅片表面其抑霜效果越明顯.

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