纳米氟碳涂层对过冷水流动特性的影响

    1 引 言

    冰浆是一种高效的空调蓄冷和冷量输送介质，是一种冰水混合物，其冰晶呈很小的针状或鳞片状，与块状冰相比，泥状冰与冷媒之间的传热系数较大，能够在短时间内释放大量的冷量［1-3］。由于冰浆具有良好的热物特性，各种冰浆制取方式成为研究的热点，其中过冷水动态制冰技术受到了广泛关注，这种制冰方式与传统的静态制冰相比具有较高的制冰率和能量利用效率，但其主要缺陷是过冷却器内冰堵发生的随机性。

    过冷水制冰要求水在一定进口温度下通过换热后，在过冷却器内逐渐下降，直到冷却到0℃以下而不结冰，在过冷却器出口获得最大过冷度。过冷却器是过冷水动态制取冰晶关键的部件之一，过冷器一旦结冰发生冰堵，则整个制冰系统停止，可见过冷却器性能的好坏影响到整个系统的性能与效率。过冷度持续的时间及冰堵现象的产生受多种因素的影响，包括水的洁净度、基地材料、冷却速率与水的流动等。因此，需采取有效的措施避免过冷水在过冷却器内结冰而发生冰堵，以便在过冷却器出口获得较大过冷度，以保障系统安全、稳定、高效地运行。

    在过冷却器壁面涂一层纳米氟碳涂层，可以利用涂层的特性有效抑制冰堵，同时所形成的超疏水表面也对过冷水的流动状况产生影响。本文从超疏水表面流动特性的角度，分析了纳米氟碳涂层对过冷水在过冷却器流动时产生的影响。

    2 纳米氟碳涂层表面的特性

    2． 1 涂层的基本特点

    氟碳涂层材料是以氟碳链取代碳氢链作为分子中非极性基团的表面活性材料，其独特性质直接与氟碳链相关。氟元素是电负性最强的元素，它具有高氧化势、高电离能，这种特性一方面造成氟-碳键键能高，因而氟碳链结构远比碳氢结构稳定; 另一方面氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性，使氟碳链疏水作用远比碳氢链强烈，低极性又导致氟碳链相互作用力弱。纳米氟碳涂层表面改性涂层，除了具有高疏水性特点外，还因为氟碳分子与固体表面自由电子的结合，具有牢不可破的吸附力，从而对固体表面有着非常好的屏蔽功能。

    氟碳涂层材料涂到固体表面后，形成一层 4—8纳米厚的定向分子膜，可将水溶液的表面能降低到2—4毫牛/米，对固体表面起到以下作用:

    (1) 降低固体表面的粘性、提高耐压性。主要是因为氟碳活性分子在固体表面形成的分割膜，显著提高了表面耐磨性和抗粘性;

    (2) 降低接触表面的摩擦系数。主要因为氟碳表面活性分子形成的分割膜的表面能极低，在摩擦部位能够很好地将润滑油膜保持住;