超声波抑制平板表面结霜的试验研究

　　引 言

　　当暴露在湿空气中的冷表面温度低于露点温度时,空气中的水蒸气会在冷表面凝结。如果冷表面温度低于冰点温度,水蒸气会凝结成霜。结霜现象广泛存在于各种航空航天飞行器表面以及制冷空调系统的蒸发器表面。霜层的形成严重影响飞行器飞行安全以及制冷空调系统运行的稳定性。因此,探求有效的抑霜和除霜方法无疑具有重要的工程应用价值。

　　大量研究通过改变冷表面的表面特性(如添加各种亲水或疏水的表面涂层)抑制结霜^[1-7],虽然在很大程度上延缓了霜的形成,但并没有从根本上解决结霜的问题。还有部分文献研究外电场的作用对结霜的影响^[8-9],虽然外电场的施加对霜的生长产生了一定的抑制作用,但作用并不明显。文献^[10]研究了机械振荡对霜层形成的影响,发现100~200Hz频率的振荡并不能有效抑制结霜。因此,寻求更加有效的抑霜方法便成了研究的重点。

　　近年来,超声波以其频率高、波长短,具有传播方向性强,遇到障碍物易反射的特点在暖通空调与制冷领域取得了广泛的应用,并在雾化加湿、促进传热传质、增强除垢等多方面取得了可喜的研究成果^[11]。而超声波在抑霜和除霜方面的研究却很少。阎勤劳等^[12]在超声波除霜方面做了研究,认为超声波频率为20kHz时,纵波除霜效果最好;当超声波频率为15kHz时,横波的除霜效果最好。双声源除霜效果明显优于单声源,尤其是横波双声源除霜效果最好^[11-12]。他们虽然对不同超声波频率下霜的生长做了定量的分析,但没有给出相应的霜生长的图片对比,对超声波除霜机理也没有进行深入的研究。

　　为此,本文对自然对流条件下的平板表面施加20kHz超声波以及不施加超声波两种作用机制下的霜层生长以及分布进行了对比显微观测,记录了两种作用机制下霜的不同生长过程以及结构形态,并对有无超声波作用下不同冷表面温度对霜层厚度的影响进行了对比试验分析,探讨了超声波对自然对流条件下平板表面结霜过程的影响。

　　1 试验装置

　　结霜试验装置简图如图1所示,整个试验系统由制冷系统、显微观测系统、数据采集系统、超声波振荡系统组成。制冷系统由半导体制冷片、U型水道、直流稳压电源、恒温水浴组成。半导体制冷片为试验提供冷源,可实现冷表面温度在-30~-12°C之间变化,其冷端和试验片接触,热端与U型水道接触,各接触面间涂有导热硅脂,以减少接触热阻。恒温水浴提供10°C的冷水流经U型水道,以带走制冷片热端的热量。试验片为60mmX60mmX6mm的抛光铜片,在其两侧靠近表面处各钻有两个直径1.2mm、深度20mm的小孔,均匀布置4根K型热电偶测量冷表面温度,热电偶布点位置如图2所示。霜的分布以及生长采用显微观测系统进行观测,霜层厚度由显微系统测量软件测量。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中,由图像采集卡记录试验过程。试验所用超声波换能器频率为20kHz,超声波为纵波,功率可实现0~100W内可调。试验中超声波的功率控制在50~60W之间微变。超声波换能器与平板的位置关系如图3所示,换能器和平板平行放置。整个试验过程在一个封闭的大空间进行,环境湿度由超声波加湿器进行调节,环境温、湿度由温湿度计采集。试验前,用细砂纸将试验铜片打磨抛光,调节显微镜使图像清晰的呈现于计算机上,同时开启直流稳压电源,调节电压,控制试验片冷表面的温度。超声波发生器在电源通电的同时开启,保障在制冷的同时对冷面施加超声波的作用。