水平冷面上霜晶生长规律的实验研究

    1 引 言

    冷表面上的结霜现象广泛存在于低温制冷、热泵空调及航空航天等领域。从上个世纪60年代开始,结霜问题一直受到了专家学者们的广泛关注,其中很多研究集中在提出霜层结构理论和建立霜层生长数学模型,进而对冷面上的结霜过程进行数值模拟。如Yonko和Sepsy[1]的霜层结构模型把冷面上霜层简化为均匀球状霜晶在湿空气中形成的立方点阵;Schneider[2]则取霜层中的柱状霜晶作为研究霜层高度增长率的物理模型; Hayashi[3]等研究了以强制对流方式流经平板金属冷表面的霜层生长规律后,认为霜层生长期可以近似为冰柱模型; Dielenberger[4]则提出冰柱、冰球、冰层及空气泡为主要结构的霜层模型。由此可见,对冷表面上霜晶生长规律的充分认识是提出合理的霜层结构理论和建立准确的霜层生长模型的基础,但从现有文献来看,各种霜层模型对冷面上霜晶形状的认识并不清晰,针对冷面上霜晶生长规律的研究较少。

    作者前期对冷表面结霜过程的研究发现冷表面结霜并非单纯的凝华过程,而是首先经历了结露、水珠冻结、初始霜晶形成等过程[5]。在此基础上,进一步对冷面结霜过程进行显微摄像观察,研究水珠冻结开始时间、冻结粒径以及初始霜晶形状等随工况的变化规律。

    2 实验装置

    实验装置示意图如图1所示。湿空气系统是由加湿器、整流段和有机玻璃气流通道组成。风道截面为50 mm×40 mm,整个风道长度为2 m。通过调节加湿器来控制空气的相对湿度,湿空气参数由温湿度传感器测取,其温度精度为±0.5e,湿度精度为±2%。当气流平稳并且相对湿度稳定后方开始实验。空气流速度由TSI 8384型气流速度仪测定,其精度为±0.1m/s。半导体制冷系统由铜板、半导体制冷片、散热器、直流稳压电源以及水冷却系统组成。实验用铜板尺寸为50 mm×50 mm×1 mm,表面粗糙度为0.055Lm,接触角为84b,水平放置。实验前清洁烘干铜板。铜板背面均匀布置有3条015 mm深的槽,用于埋设热电偶。热电偶为T型,经标准温度计标定,误差为±0.1℃。本实验显微镜头的观察点在铜板中央,所以取3个热电偶的平均值为冷面温度。冷表面温度由半导体制冷片的输入电压控制。数据采集系统由HP34970A数字采集仪与热电偶及温湿度传感器相连,每隔215 s采一组数据,并将数据传输到计算机,由计算机处理。霜晶生长过程通过CCD摄像系统记录下来,计算机每隔2.5 s采一帧图像,本次实验中摄像系统放大倍数调定为480倍。实验后回放图像,得到霜晶生长动态过程。实验开始图像采集和数据采集保持同步。表1为本实验的工况参数。

    3 实验结果与分析