孫金絹, 馬志恒, 田建輝, 左富林, 于璐洋

西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021

結(jié)霜現(xiàn)象是一種較為復(fù)雜的相變傳質(zhì)傳熱過程,廣泛存在于自然界、航空航天業(yè)、制冷行業(yè)等工程領(lǐng)域中。設(shè)備冷壁面接觸到濕空氣時,濕空氣中的水分會在冷壁面上凝結(jié)成水膜,并凍結(jié)成霜晶覆蓋于設(shè)備表面,導(dǎo)致設(shè)備傳熱性能變差,能耗增加。因此,深入研究不同條件下霜層生長特性對節(jié)約能源,提高設(shè)備效率具有重要意義。

近年來,學(xué)者對結(jié)霜研究進行了深入分析[1-4]。Chen等[5]分析出大傾角冷壁面能產(chǎn)生更多的液滴,沿傾斜冷壁面的重力分量可以抵消部分拖曳力,抑制液滴聚并,提高結(jié)霜質(zhì)量;任政等[6]在-60 ℃工況下分析了呈周期性融霜現(xiàn)象和霜層崩塌回融兩種不同特征的融霜過程;馬強等[7]研究了親疏水表面的結(jié)霜和融霜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)親水表面對結(jié)霜和排液效果較好;龔建英等[8]利用格子-Boltzmann方法實驗分析出霜層內(nèi)部溫度隨霜層厚度的增加呈線性增長規(guī)律;蘇偉等[9]研究出較低的表面溫度和較高的環(huán)境濕度由于相變過飽和度的增加會大大提升霜層增長速度;董濤等[10-12]探究出疏水性涂層會延遲水珠凍結(jié)時間,能夠有效抑制霜層的生長;李剛[13]通過實驗和數(shù)值模擬的方法探究出相對濕度對霜層的形成和發(fā)展過程的影響要高于溫度對換熱器結(jié)霜影響;周盛奇[14]通過實驗發(fā)現(xiàn),在有利于凝華結(jié)霜條件下,霜層厚度增長的臨界空氣流速很小;王洪利等[15]實驗分析出在高風(fēng)速區(qū)域霜層厚度增長較慢且密度較大：張?zhí)炖椎萚16]分析出自然對流使微柱間產(chǎn)生空氣渦旋,導(dǎo)致水蒸氣無法在凹槽停留,能有效減少結(jié)霜面積;范來富等[17-19]對親疏水性表面進行結(jié)霜研究發(fā)現(xiàn)疏水壁面的結(jié)霜效果最差,親水壁面更有利于霜層生長;Jeong等[20]分析出壁面溫度的降低對霜層厚度影響較大,而對結(jié)霜密度影響卻很小。

為了研究不同條件下的霜層生長特性,準(zhǔn)確地探尋霜層生長影響特性并闡明機理,為結(jié)霜抑霜機理的研究及防治措施設(shè)計提供理論依據(jù),本文通過實驗分析變溫與恒溫冷壁面溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)的改變對霜層生長的影響,以研究不同條件下霜晶厚度和結(jié)霜質(zhì)量變化規(guī)律。

1 實驗裝置與數(shù)據(jù)處理

冷壁面霜層生長過程可視化動態(tài)測量實驗平臺如圖1所示,平臺采用高精度顯微鏡圖像采集裝置及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等進行在線監(jiān)測采集,探尋變溫與恒溫冷壁面溫度、環(huán)境溫度等因素對霜層生長過程的影響規(guī)律。實驗平臺主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及壁面冷卻系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由記錄數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集器、體式顯微鏡、高精度攝像機(分辨率3 072 ppi×2 048 ppi)以及計算機組成;溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)環(huán)境室空氣濕度的加濕器,調(diào)節(jié)室溫的翅片式換熱器和感應(yīng)溫濕度的傳感器組成;壁面冷卻系統(tǒng)由高精度感應(yīng)溫度的T型熱電偶、0.04 m×0.04 m結(jié)霜實驗壁面、半導(dǎo)體制冷片以及負(fù)責(zé)換熱的低溫恒溫水槽組成。

圖1 實驗裝置示意圖

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到一系列霜層生長過程圖像,使用CapStudio軟件對拍攝的霜層生長圖像進行處理,如圖2所示,在攝像機拍攝的結(jié)霜圖片中取50個點,以這些點的霜層厚度平均值作為結(jié)霜厚度D的定義,即

(1)

式中,Hi為單個霜枝高度。

結(jié)霜質(zhì)量m1的定義為30 min時的霜層質(zhì)量m(霜層質(zhì)量m通過稱重法得到)與霜層體積V之比,

(2)

在軟件中進行圖像的標(biāo)定,并計算最小刻度所包含的像素,精確到0.001 mm,以此得到每個像素代表的實際長度(0.013 mm/ppi)。通過計算圖像中的像素,得到霜層厚度。為避免實驗結(jié)果的偶然性,進行多次實驗并取平均值,以確保數(shù)據(jù)可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 變溫冷壁面溫度對霜層生長的影響

結(jié)霜現(xiàn)象是伴隨著氣液、氣固、液固、固液等多種相變和移動邊界的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)問題,通過實驗研究不同工況下變溫冷壁面與恒溫冷壁面上的結(jié)霜過程,分析凝結(jié)結(jié)霜與凝華結(jié)霜兩種結(jié)霜過程的不同。為了研究變溫冷壁面溫度對霜層生長的影響特性,接通直流穩(wěn)壓電源,冷壁面溫度不斷降低,與制冷設(shè)備中壁溫下降的過程比較相符。觀察記錄霜層生長過程,由于冷壁面溫度同時低于水的三相點溫度和水蒸氣的飽和溫度時才會形成霜晶體,所以當(dāng)冷壁面溫度為0 ℃時開始計時,其中環(huán)境濕度RH=30%,冷壁面材料為銅,環(huán)境溫度Ta=20 ℃,實驗時間控制在30 min內(nèi),設(shè)置冷壁面溫度Tw由0 ℃分別降至-7.5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃五組工況。圖3為冷壁面溫度Tw=-15 ℃與Tw=-20 ℃的霜層生長情況。冷壁面接觸濕空氣結(jié)霜可分為3個階段：冰顆粒形成期、霜層形成期和霜層生長期。在冰顆粒形成期,由于壁面溫度未達到水蒸氣凝華的溫度,所以在濕空氣碰到冷壁面后先凝結(jié)成水珠繼而凍結(jié)形成冰珠,通過持續(xù)降溫,冰珠上方開始生長細(xì)小冰顆粒;霜層形成期,隨著溫度的降低,細(xì)小冰顆粒粘附在冰珠上積聚形成枝狀霜晶并伴有新的水蒸氣凝華產(chǎn)生顆粒;霜層生長期,枝狀霜晶通過吸收水分子以及冰顆粒不斷生長,形成茂密的霜晶林覆于壁面。與Tw=-15 ℃工況相比,Tw=-20 ℃工況在2 min后,空氣凝結(jié)產(chǎn)生的水珠較大,隨著溫降,在4 min時,水珠凍結(jié)成冰珠,并且有少量冰顆粒散布于冰珠上方,而Tw=-15 ℃工況的冰珠卻已有較為明顯的冰顆粒生長現(xiàn)象。這是由于冰顆粒形成初期的較小冰珠傳熱時,產(chǎn)生的傳熱阻小,因此結(jié)霜效果好一些。但8 min以后,由于溫度過低,霜晶不斷生長,Tw=-20 ℃時的霜層厚度和結(jié)霜質(zhì)量已明顯高于Tw=-15 ℃工況。

圖3 變溫冷壁面霜層生長情況

圖4為結(jié)霜厚度隨時間變化曲線。由圖可知,結(jié)霜厚度隨時間增長不斷增高,而結(jié)霜厚度增長率(ΔD/Δt)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在霜層生長初期,霜層枝干既不受自身頂部壓力影響,也不受相鄰霜枝擠壓的空間限制,表現(xiàn)出來的霜層生長厚度較大且較為疏松。當(dāng)霜枝生長到一定程度,會受到頂部壓力和相鄰霜枝擠壓的影響出現(xiàn)沉積傾斜現(xiàn)象,導(dǎo)致結(jié)霜速率降低。

圖4 變溫冷壁面霜層厚度隨時間變化曲線 圖5 單位面積的變溫冷壁面結(jié)霜質(zhì)量對比

圖5為單位面積的冷壁面結(jié)霜質(zhì)量對比圖。在相同時間,冷壁面溫度降低越快,結(jié)霜質(zhì)量越大,這是由于冷壁面溫降越快,水分子轉(zhuǎn)變?yōu)樗顟B(tài)時的相變驅(qū)動勢越大,單位時間內(nèi)凝結(jié)到壁面的冰珠越多,結(jié)霜質(zhì)量越大。通過數(shù)據(jù)擬合得到結(jié)霜質(zhì)量y與冷壁面溫度x之間表達式為y=-3.56x+84.36,因此,在冷壁面溫度為-7.5～25 ℃范圍內(nèi),結(jié)霜質(zhì)量平均增長率(Δm1/ΔTw)為-3.56。

2.2 恒溫冷壁面溫度對霜層生長的影響

為了研究恒溫冷壁面溫度對霜層生長的影響特性,先在冷壁面覆蓋一層保鮮膜,用來隔絕濕空氣,然后接通直流穩(wěn)壓電源,調(diào)節(jié)電壓,使冷壁面溫度降低至設(shè)置值,并保持穩(wěn)定。揭掉保鮮膜開始計時,利用高速攝像系統(tǒng)觀察并記錄霜層生長過程,其中環(huán)境濕度RH=30%,冷壁面材料為銅,環(huán)境溫度Ta=20 ℃,實驗時間控制在30 min內(nèi),冷壁面溫度Tw設(shè)置為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃五組工況。圖6為冷壁面溫度Tw=-15 ℃和Tw=-20 ℃的霜層生長情況。

由圖6中可以觀察到,在冰顆粒形成期,Tw=-15 ℃工況的冷壁面上未有水滴生成,而是生成不規(guī)則的點狀冰顆粒,發(fā)生凝華現(xiàn)象。霜層形成期,隨著霜晶繼續(xù)呈枝狀生長,冷壁面又產(chǎn)生新的霜晶,通過生長和互相擠壓、碰撞,最后霜晶呈枝狀互相交織,形成霜晶林并鋪滿壁面。與Tw=-15 ℃工況相比,Tw=-20 ℃工況在1 min時,已有較大枝狀霜晶和冰顆粒稀疏散布在冷壁面表面,并且霜晶生長得更快更密集,4 min以后,霜層厚度和結(jié)霜速率明顯更大。這是因為在結(jié)霜過程中,冷壁面溫度越低導(dǎo)致濕空氣中的水蒸氣由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的相變驅(qū)動勢越大,就會有更多水蒸氣凝華相變,促進結(jié)霜效果。

圖7為結(jié)霜厚度隨時間變化曲線。由圖可知,結(jié)霜厚度隨時間增長不斷增高,結(jié)霜厚度增長率同樣出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,與圖5的結(jié)論一致。通過觀察不同冷壁面溫度的結(jié)霜厚度大小關(guān)系,可以看出,冷壁面溫度Tw越低,對結(jié)霜厚度越有利。

圖7 恒溫冷壁面霜層厚度隨時間變化曲線 圖8 單位面積的恒溫冷壁面結(jié)霜質(zhì)量對比

圖8為單位面積的恒溫冷壁面結(jié)霜質(zhì)量對比圖。由圖可知,冷壁面溫度越高,結(jié)霜質(zhì)量越小。這是因為在同樣的外界溫度下,冷壁面溫度Tw越低導(dǎo)致溫差增大,增強了冷壁面通過熱傳導(dǎo)對水蒸氣的吸附能力和濕空氣中水分子轉(zhuǎn)變?yōu)樗У南嘧凃?qū)動能力,使結(jié)霜質(zhì)量變大。通過數(shù)據(jù)擬合得到結(jié)霜質(zhì)量y與冷壁面溫度x之間表達式為y=-3.73x+82.64,因此,在冷壁面溫度為-25～-5 ℃時,結(jié)霜質(zhì)量平均增長率為-3.73。

2.3 環(huán)境溫度對霜層生長的影響

為了研究環(huán)境溫度對霜層生長的影響特性,利用高速攝像系統(tǒng)記錄霜層生長全過程,其中環(huán)境濕度RH=33%,冷壁面材料為銅,冷壁面溫度Tw=-20 ℃,實驗時間控制在30 min內(nèi),環(huán)境溫度Ta設(shè)置為18 ℃、22 ℃、26 ℃、30 ℃四組工況。圖9為環(huán)境溫度Ta=22 ℃與Ta=26 ℃的霜層生長情況。由圖可以觀察到,Ta=22 ℃工況在冰顆粒形成期時,水蒸氣漸漸凝華形成點狀霜晶,隨著時間推移,霜晶頂部緩緩長出晶枝,并形成霜晶林覆蓋壁面,與Ta=26 ℃工況相比,兩種工況的霜層生長過程同步進行,并且結(jié)霜效果無顯著區(qū)別。

圖9 環(huán)境溫度變化時冷壁面霜層生長情況

圖10為結(jié)霜厚度隨時間變化曲線。由圖可知,在相同時間內(nèi),結(jié)霜厚度并不是隨空氣溫度的升高而增大,其原因在于當(dāng)冷壁面溫度較低時,水蒸氣會在冷壁面上直接凝結(jié),導(dǎo)致冷壁面和周圍環(huán)境的存在水蒸氣濃度差,水蒸氣就會逐漸向冷壁面靠攏。當(dāng)環(huán)境溫度增大時,會促進水分子熱運動,促進霜層生長。所以在環(huán)境溫度處于26 ℃以下時,溫度的升高會促進結(jié)霜厚度的增加,但在環(huán)境溫度處于30 ℃時,會抑制霜枝頂部生長,這是由于一方面厚度增大導(dǎo)致霜層導(dǎo)熱性變差,另一方面霜層上方熱空氣傳遞給霜層表面的熱量使得頂部霜層溫度上升,出現(xiàn)沉積、下垂現(xiàn)象,使結(jié)霜厚度增長速率下降。

圖10 不同環(huán)境溫度結(jié)霜厚度隨時間變化 圖11 不同環(huán)境溫度單位面積冷壁面結(jié)霜質(zhì)量

圖11為單位面積的冷壁面結(jié)霜質(zhì)量對比圖。由圖可知,環(huán)境溫度處于26 ℃以下時,環(huán)境溫度升高會對結(jié)霜效果具有促進作用,結(jié)霜質(zhì)量增大,但環(huán)境溫度在30 ℃時,會抑制霜層生長,結(jié)霜質(zhì)量不會隨溫度增加而持續(xù)升高。

3 結(jié)論

本文實驗研究了變溫、恒溫冷壁面溫度、環(huán)境溫度等因素對霜層生長的影響,得到了不同時刻的霜晶厚度和結(jié)霜質(zhì)量,通過分析得到以下結(jié)論：

1)變溫冷壁面不能直接達到水蒸氣凝華相變溫度,其結(jié)霜過程：凝結(jié)—凝結(jié)與凝華—冰晶生長,溫度下降越快,結(jié)霜效果越好,而結(jié)霜厚度的增長率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在壁面溫度為-25～-7.5 ℃時,結(jié)霜質(zhì)量平均增長率為-3.56。

2)恒溫冷壁面的結(jié)霜過程為：凝華—冰晶生長,溫度越低,結(jié)霜厚度和質(zhì)量越大,結(jié)霜厚度增長率同樣為先增大后減小,在壁面溫度為-25～-5 ℃時,結(jié)霜質(zhì)量平均增長率為-3.73。

3)當(dāng)環(huán)境溫度處于26 ℃以下時,隨著環(huán)境溫度升高,空氣相對濕度就越大,結(jié)霜效果越好,而環(huán)境溫度處于30 ℃左右會抑制霜枝頂部生長,不利于結(jié)霜。