冷表面结霜的微细观可视化研究

    有关结霜的研究始于20世纪60年代,但以往有关结霜的研究主要侧重于霜层本身,如霜层的密度、成长速度、导热系数、霜层模型以及结霜对不同类型换热片蒸发器换热性能的影响等。所有这些研究都忽略了冷表面特性对结霜的影响,而且对于结霜初期过程特别是其微细观过程的研究很少。

    蒸发器表面结霜一直是热泵供暖、制冷及空调领域所面临的最棘手的问题之一。另外航空航天领域也存在着因航空及航天器表面结霜而影响其操纵性和安全性的问题。因此如果能抑制或减少结霜无疑具有重大的实际意义。国外一些研究者曾尝试利用干燥剂对进入蒸发器前的空气进行除湿以减少蒸发器的潜热负荷,从而减少蒸发器表面的结霜量。如Kinsara等[1,2]为空调系统设计了使用液体干燥剂的除湿系统,称该系统可连续工作,但该系统过于复杂,需要增加一个制冷循环系统和许多热附件,这无疑将大大增加设备的成本,其实用价值令人怀疑。也有研究者提出外加电场,在电场的作用下霜柱长得较为纤细[3],流速较高的空气流可把霜柱吹断并掠走,从而达到抑制结霜的效果。但是外加电场不仅需要增加附件而且还存在安全隐患。最近,Okoroafor[4]等报告有交键结构的亲水高分子涂层具有吸收并保持一定水分的功能,可降低霜增长率10%～30%。但该涂层厚度干燥时为0. 3～0.7mm,吸附水后会变得更厚,这对于翅片厚度只有0.10～0.25 mm的蒸发器来说,显然是不适合的。

    作者的前期研究[5]发现,改变表面特性可改变霜的形态,即在疏水性和亲水性表面上霜的形态及分布有所不同。本研究试图通过对湿空气在湿润性不同表面上结霜过程的微细观可视化研究,从本质上认识和掌握湿空气在冷面上结霜的微细观机理,进一步明确表面湿润性对该过程的影响,为探讨有效抑制结霜对策打下基础。

    1　实验装置及实验方法

    实验装置简图示于图1,由试验段、水流通道、电荷耦合器件(CCD)摄像系统和数据采集系统组成。试验段由试验片、半导体制冷器及散热片组成。半导体制冷器提供冷源,其冷面朝上与试验片背面接触,热面与散热片接触。各接触面间涂有导热硅脂,以减小接触热阻。散热片背部有6条肋片,肋片浸在水槽里,以使热量通过散热片被水流带走。水通路由水槽和水流管道组成。通过调节半导体制冷器的输入电流及水流量可以调节试件的表面温度。试验片的尺寸为50mm×50mm×1mm。本实验测试了两种表面:一种是铜片裸面;另一种是被覆表面,即在铜片表面上涂覆了含氟聚合物疏水性涂层,水在两种表面上的接触角分别为56°和110°。试验片背部均布3条0.5mm深的槽以埋设热电偶。