壁面结霜初始状态实验研究

    结霜现象广泛存在于各种冷冻设备和制冷系统的蒸发器表面.其结果是导致蒸发器传热率下降,气流阻力增大,甚至阻塞气流通道.所以,这类设备需要定期或不定期地进行除霜操作,除耗费大量能量外,还对保持冷藏物品的品质带来不利影响.为优化这类系统的设计和运行,对结霜机理的研究受到广泛重视.

    结霜在不同阶段呈现出不同特征[1],而大量文献的研究主要集中在强迫对流条件下的霜层成长阶段[2,3],对结霜初始阶段的研究则相对较少.

    文献[4]中实验观察到随着壁面温度的降低在靠近壁面区域空气湿度先达到过饱和,然后水蒸气在冷壁面凝结成液滴,小液滴不断聚合变大直到冻结为冰粒,霜层随后在冰粒顶部开始生长.文献[5,6]也观察了初始结霜现象,并报告了水蒸气在冷壁面直接凝华成霜的现象.文献[7,8]从空气中水蒸气在冷表面上凝结为液滴或凝华为冰粒需克服Gibbs能垒的热力学平衡理论出发,分析了冷表面上发生凝结或凝华的成核条件.

    已有研究显示,冷表面上的凝结或凝华现象异常复杂,影响因素众多,这方面的研究还处于起步阶段.已发表的实验观测还都是针对干燥表面,对于在除霜后的湿润表面上的结霜现象还未涉及.对于凝结或凝华现象,以及结霜初始阶段的特征,迄今还不能定量表示,对其规律还远未能认识和掌握.本文对自然对流条件下干燥和湿润2种初始状况平板表面上的初始结霜现象进行了显微观测,并提出基于分形原理建立一种定量表示方法,以表达过冷液滴在表面形成和转变成冰的结霜临界状态的显微特征.

    1 实验研究

    1.1 实验装置

    实验装置如图1(a)所示,包括实验段、恒温浴、显微观测系统和温度测量系统等.实验段由试验片、导热块、半导体制冷片、热阱换热器和保温层等组成,如图1(b)所示.试验片为40mm×40mm×1.6mm的抛光铝片,其上表面为实验表面.组合应用半导体制冷片和热阱换热器,可将实验表面温度降至-40℃.半导体制冷片由导热双面胶粘在热阱换热器上;在半导体制冷片上同样用导热双面胶粘合一片40mm×40mm×12.7mm的铝制导热块,以留有空间在热阱换热器的其余表面和试验片侧面安装玻璃纤维绝热层,以尽量减少冷量从实验表面以外的部位散失.

    将4只50µm厚的OMEGA粘贴2型热电偶(测量精度为±0.1℃)分别安装于试验片与导热块之间四角距边缘10mm处,由此造成的间隙由OMEGATHERM201高热导率硅基水泥紧密充填.应用稳态导热模型,由这4只热电偶测得的试验片底面温度获得实验表面温度.在导热块与半导体制冷片之间也用同样方法布置了4只热电偶.由这2组热电偶所测得的导热块上下表面温差可估算出通过实验表面的热流密度.