冷铜表面上水滴冻结时的变形

    结霜是低温、制冷和空调工程中的常见现象. 采用热力除霜的换热设备每次完成除霜操作后要经历一个温度逐渐下降的过程. 这时, 湿空气与低于露点温度的冷表面相接触, 空气中的水蒸气凝结并黏附在冷表面上, 形成直径很小的液滴, 随着凝结的进行, 液滴逐渐长大, 且相互之间发生团聚, 形成更大的液滴.冷表面温度继续降低到冰点以下时, 水滴发生冻结. 然后, 霜在其表面上开始生长. 结霜会对换热器产生不良影响, 例如, 增加传热热阻和流动阻力损失, 降低其传热能力. 严重时可能堵塞空气通道, 损坏换热设备.

    Hayashi 等人[1]把结霜分成三个阶段: 霜晶生长阶段、霜层生长阶段和霜层充分生长阶段. 目前, 结霜研究大都集中在霜层生长阶段和充分生长阶段以及电场[2]和表面性能对结霜的影响等方面[3~5], 关于初始阶段内冷表面上水滴冻结过程的研究, 特别是水滴冻结过程中发生变形的理论和实验研究相对较少. 冻结所需的时间非常短, 在初始阶段中只占一个很小的时间段, 常被研究者忽视. 但水滴的冻结不仅是结霜的起点, 而且是结霜过程数值模拟的初始条件. 它还与成核、相变等问题密切相关, 因此, 对水滴冻结进行研究具有重要的意义.

    Feuillebois 等人[6]对过冷状态下圆球状液滴的冻结过程进行了传热分析.Richard 和 Mochel[7]对液滴相变的热力学问题进行了详细分析. Tabakova 等人[8]假设水滴表面温度始终等于周围气体温度, 研究了过冷状态下的水滴冻结. 上述研究针对球状液滴, 也没有涉及到相变所导致的体积变化和突出的形成. 这与结霜条件下球缺状水滴冻结过程中会发生变形有很大不同. 实际上冷表面上的液滴为球缺状, 在冻结过程中发生变形并在顶部有突出形成. Hindmarsh 等人[9]研究了单个水滴的冻结过程, 他们将黏附于热电偶上的小水滴放置于冷空气中冷却,发现冻结后水滴不再呈现规则的球形, 在上部某一位置有突出形成, 他们认为这是由于体积的膨胀所致, 并认为冻结过程中产生的气泡使水滴表现出不透明的特性. Wang 等人[10]对水蒸气在冷表面的凝结长大过程进行了分析, 发现水滴的数量随相对湿度增大而增加, 当水滴直径超过临界尺寸(80 µm)时, 观察到了六角形的结构. 但没有详细研究单个水滴冻结过程的形状变化, 也没有涉及到突出的形成. Isao等人[11]的水滴冻结实验中也没有发现突出的形成. Ismail和Salinas[12]为霜层的生长建立了较为完整的数学模型, 但不包括水滴冻结时的形状变化.Kawanami 等人[13]观察了冷表面上液滴的冻结过程并采用朗道理论进行了数值模拟. 但他们没有研究突出的形成, 计算结果在水滴的顶部与实验存在明显差别.Hoke[14]采用高速摄像的方法研究了冷表面上水滴的冻结过程, 观察到了水滴在冻结过程中的形状变化, 发现在冻结的末尾阶段有突出形成并猜测它是由于水滴表面的对流和冰与水的比容不同造成的. 它只在疏水性表面观察到了突出的形成, 而在亲水性表面则无突出.