自然对流条件下疏水表面与普通金属表面霜生长的对比研究

    1 引言

    当暴露在湿空气中的表面温度低于露点时,会发生凝结现象,如果表面温度在0℃以下,水蒸汽就会直接凝华生成霜。随着霜层的增厚,霜会成为冷面与潮湿空气的 绝热体,使传热效率降低,能耗增加。并且,结霜在制冷、低温设备中产生,给设备带来了许多危害。例如,热泵机组在冬季运行时,由于环境温度的降低,空气盘 管表面会结霜,霜的积聚不仅增加了空气流通阻力,而且使传热热阻增加,机组传热量明显下降[1];在航空航天领域,机翼和航天器表面的结霜也影响到其操纵 性和安全性。因此,探索有效的除霜、抑制霜生长的方法无疑具有重要的现实意义。目前,广泛应用在热泵机组上的有定时除霜法、根据空气温度来控制时间除霜 法、根据温度和压力双重参数来控制时间除霜法[2]。但这些方法全是基于/融霜0的思路,增加了大量的能耗。

    以前的研究大都是针对多孔的霜层,很少有学者对霜的生长过程特别是初始形态进行细微研究。近期,国内外有些学者开始注重这方面的研究,并且通过对初始时刻 霜的微观研究发现,改变结霜表面特性可以改变霜的形态。如E.U.Okoroafor[3]做了普通金属表面和亲水表面结霜的对比实验,指出亲水高分子涂 层具有吸收水并保持吸收的水在较低温度下不结冰的功能,可以延缓霜晶的形成。本实验对自然对流下竖直冷平板上的结霜现象进行了微观观察,记录了霜生长的过 程,基于抑霜的思路,进行了疏水表面与金属表面的结霜对比实验,初步探讨了疏水表面对结霜过程的影响,为进一步探索表面抑霜的研究打下了基础。

    2 实验装置

    本实验的冷却装置采用半导体温差电制冷器件,制冷电源采用单相桥式硅元件整流,最低温度可达到-26℃。结霜表面为光滑的紫铜表面,尺寸为150 mm×52 mm×6 mm,在铜板的两侧靠近表面处钻孔,深度为13 mm,布置四根T型热电偶连接数据采集仪进行铜表面测温。采用显微系统观察霜的生长,利用目镜中的刻度进行显微读数测量霜厚,精度为±0.05 mm。CCD摄像镜头与显微镜连接,通过视频电缆将显微镜放大的图像传输到计算机,由图像采集卡记录实验过程,采集速度为30 f/s。图1为实验系统图。

    实验前,将显微镜调焦,接通冷却水,打开冷台电源,通过上面的温度显示仪表设定需要的温度,然后打开制冷电源。实验时,借助冷光源照明,通过计算机进行实时监控。

    3 实验结果及理论分析

    3.1 疏水表面结霜实验

    在结霜实验中,由显微观察可明显地看到,在霜形成初期冷壁上会有液滴出现,这很容易使人想到疏水表面上会出现珠状凝结,而且疏水表面上的凝结水与壁面的接 触面积与普通表面相比要小得多,容易吹落。本实验中,采用硅油做为疏水涂料,实验现象恰恰证实了这一理论。冷板的左表面为普通金属表面,右侧涂有很薄的硅 油层,实验时,将冷板从室温逐渐冷却至零下相应温度,可以看到疏水表面初始冰珠出现的晚,如图2所示,金属裸面上有露珠出现的时候,疏水面上却看不到。由 于疏水涂层采用的硅油,涂层冻结后,接下来的微细观察过程本实验未能清楚的辨别。刘凤珍[5]等人在文献中记录了疏水涂层与裸面上结霜现象的区别为:裸面 出现露珠后会形成水膜继而形成冰层,霜的枝晶多且数量均匀,而疏水表面不形成水膜,会形成冰珠,霜的枝晶分布不均匀。