强制对流条件下结霜现象的实验研究

    结霜现象普遍存在于空调热泵、低温制冷及航空航天等领域,冷表面结霜使制冷设备运行效率降低,飞行器安全性受到影响。多年来国内外学者对结霜现象进行 了大量的研究,其研究结果表明[1,2],冷面温度、空气湿度和空气流速对结霜有较大的影响。但是以往的研究大多是对充分生长的霜层的宏观研究,对于作为 霜层生长的基础——霜层底层的形成特别是其微细观程的研究很少。由于冷表面上的结霜是一个特殊的变空隙率多孔介质伴随有边界移动的复杂的热质传递问题,人 们对结霜过程的认识仍停留在宏观表面现象层面上,对结霜微观机理的认识尚不清晰。对于强制对流条件下结霜初期的微观现象更是很少有研究人员涉及。

    作者对结霜初期过程进行的研究发现[3 7]:表面湿润性对结霜过程有影响,在疏水表面上霜晶较晚出现,生长较慢,即疏水表面有抑制结霜效果;大多数情况下,冷表面上先出现过冷水珠,过冷水珠冻 结后,霜晶在水珠上生成并生长;冷面温度和空气相对湿度等对铜表面上过冷水珠存续时间、冻结粒径及初始霜晶形状等有影响[6,7]。本文在此基础上,进一 步研究强制对流条件下,铝表面上结霜初期微细观现象。

    1　实验装置及实验条件

    实验装置如图1所示,空气通路为一开放式风洞,由整流段、风道、实验段及风机组成。风道截面为50mm×40mm,整个风道长度为2m。通过调节加湿装置 来控制进入实验段的湿空气的湿度;采用半导体冷片提供冷源;通过调节风机的出风口开度来控制空气流速的大小。试件是尺寸为50mm×50mm×0.2mm 的铝片,其表面粗糙度为0.18Lm,接触角为88°,水平放置。冷表面温度由3个均布在试片下表面的T型热电偶测量,精度为±0.1℃;湿空气的温湿度 由温湿度传感器测取,其温度精度为±0.3℃,湿度精度为±1.5%;流速由气流速度仪测取,精度为±0.1ms^-1。实验工况参数见表1。

　　实验过程中,首先打开风机调到设定的空气流速,调好加湿装置的加湿量,接通冷却水,待空气温湿度、冷面温度均达到稳定后,接通电源制冷,同时进行数据和图像的同步采集。采集间隔为3s,图像放大倍数为80～484。

    2　实验结果及分析

    2.1　过冷水珠存续时间及冻结粒径

    为叙述方便,称冷面温度降至0℃到水珠发生冻结的时间间隔为过冷水珠存续时间(τ_LT);称过冷水珠发生冻结时的平均直径为过冷水珠冻结粒径(φ)。图2、3为空气流速为1.5 ms^-1、含湿量为4.08g/kg干空气时,以空气温度为参变量,SLT和φ随θw的变化规律。从图中可以看出:对于相同的冷面温度,空气温度越高,过冷水珠存续时间越长,水珠冻结粒径越大。