初始成长阶段霜层特性实验研究

    冷表面结霜现象因对各种冷冻、制冷和热泵等系统的设计与运行有着重要影响,而受到广泛重视.人们已进行了大量研究[1~4],但主要集中在强迫对流条件下的霜层成长阶段.由于结霜现象极其复杂,迄今研究工作尤其是实验观测仍然不足,存在许多空白.文献[5~8]实验研究了自然对流条件下在竖直壁面的结霜.文献[5]应用Mach-Zehnder干涉法对霜层周围空气的温度分布进行了测量,显示霜层形成大约3h达到准平衡状态,霜层表面温度接近0℃.随后在0℃上下振荡.当环境相对湿度增大时,振荡周期缩短.并将Nusselt数关联为Grashof数函数的准则式.文献[6]用热电偶测量了霜层表面温度,也将实验结果关联为Nusselt数是Grashof数函数的准则式,并将霜层成长阶段分为一维阶段和三维阶段,并分别得到霜层厚度与无因次传热系数和传质系数间的关系式.文献[7]用红外法测量霜层表面的温度,将霜层厚度随时间的变化关联为霜层表面与冷壁面间温差的关系式.文献[8]利用显微镜细致观察了湿分在冷壁面的凝结或冻结、以及霜层成长过程.

    对于霜层表面温度的测量,热电偶法[6]因其对测点状态影响较大而不可避免地引入较大误差;红外法[7]则因所测的是区域中温度最低的表面,亦即是最弱红外源,周围其他表面的红外辐射必然会对测量产生干扰,而且红外法不能获得霜层周围空气的温度;Mach-Zehnder干涉法[5]因其设备昂贵、操作困难,而较少使用.

    对于许多应用中非常重要的自然对流条件下结霜的研究还非常有限.对霜层形成初期阶段还没有涉及.而无论是发展、检验和改进理论模型,还是实际应用中的优化设计与运行,都需要掌握这个阶段的霜层特性.本文对自然对流条件下水平表面的初始结霜过程进行了实验研究.

    1 实验方法

    1.1 实验装置和方法

    实验系统和实验方法参见文献[9].

    1.2 双曝光全息干涉法

    本文采用全息干涉技术测量空气霜界面温度,以及界面上方空气的温度分布.由INNOVAI90C-5离子激光器发射的激光束被VBA-200分光器分为2束,如图1所示.一束是物光,通过所测区域;另一束是参考光,通过环境区域.当2束光在全息感光版相遇时发生干涉,所产生的干涉条纹,既记录了物光的强度,也记录了其相位.物光相位的改变源于所通过被测区域折射率不均匀,而折射率不均匀则源于温度不均匀.因此,由全息感光版所记录的干涉条纹即可获得所测量区域的温度分布.本文采用双曝光法,较实时全息干涉法,避免了初始全息图必须准确复位的操作困难或由复位不准引入的测量误差.双曝光法的另一个优点是由于相干光束是由同一个光学系统产生,所以可以自动消除系统误差.