魯祥友，潘雨陽(yáng)，景艷陽(yáng)，謝遠(yuǎn)來(lái)，張進(jìn)新

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031）

0 引言

結(jié)霜現(xiàn)象普遍存在于熱泵、空調(diào)及航空等諸多領(lǐng)域，其對(duì)設(shè)備運(yùn)行及性能具有非常大的影響，因而研究如何抑制或降低結(jié)霜具有很大的實(shí)際意義［1-3］。關(guān)于表面特性對(duì)結(jié)霜/抑霜的影響國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的試驗(yàn)研究。劉耀民等［4］通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其建立的結(jié)霜模型可以有效對(duì)霜晶生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。Menini等［5］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超疏水表面在多次試驗(yàn)后仍保持較好的性能。勾昱君等［6］研究發(fā)現(xiàn)在較高環(huán)境濕度及較低壁溫條件下新型親水涂料的抑霜效果較以往

親水涂料有明顯改善。張毅等［7］在表面結(jié)霜機(jī)理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了影響結(jié)霜的各種因素相應(yīng)除霜/抑霜技術(shù)。李棟等［8］運(yùn)用相變動(dòng)力學(xué)理論對(duì)低溫表面上冷凝液滴的形成過(guò)程進(jìn)行分析。研究表明較低的冷面溫度是產(chǎn)生冷凝水珠的重要因素。文獻(xiàn)［9-11］用超疏水表面與普通表面進(jìn)行了結(jié)霜對(duì)比試驗(yàn)，證明超疏水表面可降低固液間的熱傳導(dǎo)，從而達(dá)到抑霜的目的。文獻(xiàn)［12-16］對(duì)結(jié)霜初始階段的液滴行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明，材料的疏水性質(zhì)可有效延緩冷凝水珠的產(chǎn)生與生長(zhǎng)，而隨著冷面溫度的持續(xù)降低加速了冷凝水珠的生長(zhǎng)。Sheng等［17］總結(jié)了約束霜技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)近年來(lái)各種約束霜法的各種可能影響因素進(jìn)行了綜述和總結(jié)，提出用于約束霜的冷表面處理有3種方法：表面拋光，表面涂層和表面微槽。此外，還介紹了約束霜技術(shù)的未來(lái)研究和潛在應(yīng)用，為抑霜防凍研究指明了研究方向。馬強(qiáng)等［18］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)親水表面具有較好的排液效果，其循環(huán)再結(jié)霜量最小。

目前，對(duì)于水平冷面結(jié)霜的研究和對(duì)整體換熱器表面結(jié)霜引起傳熱系數(shù)及壓降變化已有較多研究，但僅有很少的研究針對(duì)翅片結(jié)構(gòu)表面結(jié)霜。本文在低溫中高濕條件下對(duì)裸鋁表面、粗糙表面和腐蝕表面的結(jié)霜過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要考察不同表面特性對(duì)冷凝水珠凍結(jié)和霜層生長(zhǎng)過(guò)程的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由試驗(yàn)段、風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯微攝像系統(tǒng)（CCD）組成。試驗(yàn)段由試驗(yàn)件、半導(dǎo)體制冷器及風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體制冷器提供冷量，其熱面朝下與風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)相接觸，冷面朝上與試驗(yàn)件接觸，兩接觸面間均涂有導(dǎo)熱硅脂以增強(qiáng)傳熱。散熱系統(tǒng)由散熱片和風(fēng)扇組成，溫控器通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的輸入電流和輸入風(fēng)扇的功率來(lái)調(diào)節(jié)試驗(yàn)件的表面溫度。試驗(yàn)件的尺寸為30 mm×30 mm×0.5 mm。本試驗(yàn)測(cè)試了3種鋁材表面：裸鋁表面、粗糙表面和腐蝕表面。腐蝕表面是將試驗(yàn)件浸泡于強(qiáng)堿溶液中制作而成，粗糙表面是用砂紙打磨而成。

圖1 結(jié)霜性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，在試驗(yàn)件背面布置熱電偶來(lái)讀取冷表面的溫度，空氣的溫濕度由溫濕度傳感器來(lái)測(cè)取。圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)霜過(guò)程圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，包括CCD圖像采集系統(tǒng)、立體顯微鏡等，試驗(yàn)過(guò)程中利用CCD圖像采集系統(tǒng)、立體顯微鏡記錄試驗(yàn)件正面、側(cè)面結(jié)霜情況。試驗(yàn)環(huán)境溫度為4 ℃，相對(duì)濕度為62%～64%，結(jié)霜時(shí)間為30 min，融霜溫度為環(huán)境溫度。

表1 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)將制冷試驗(yàn)臺(tái)傾斜放置。試驗(yàn)件與水平面呈40°，冷面上有感溫探頭，感溫探頭將冷面溫度傳遞給溫控器以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器輸入電流、風(fēng)量可將冷面溫度穩(wěn)定在試驗(yàn)設(shè)定值-9 ℃。由顯微攝像系統(tǒng)記錄表面結(jié)霜過(guò)程。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在對(duì)霜晶高度的測(cè)取過(guò)程中，首先將利用圖像采集系統(tǒng)獲得的霜晶生長(zhǎng)圖片經(jīng)二值化處理，再利用圖像分析軟件測(cè)量霜晶的高度?？紤]到霜晶在生長(zhǎng)過(guò)程中隨機(jī)性較大，因此采用取平均值的方法計(jì)量霜層高度，即每張圖片測(cè)量6組數(shù)據(jù)取平均值。裸鋁表面、粗糙表面和腐蝕表面在不同時(shí)刻霜晶的生長(zhǎng)情況如圖2所示，3種試驗(yàn)件上的結(jié)霜過(guò)程都經(jīng)歷了水珠生成、長(zhǎng)大、合并、凍結(jié)、初始霜晶生成、霜晶生長(zhǎng)的過(guò)程。然而不同表面結(jié)霜的過(guò)程有區(qū)別，裸鋁表面霜層出現(xiàn)的最早，在結(jié)霜5 min時(shí)表面就有明顯的霜層出現(xiàn)，且霜晶主要沿高度方向生長(zhǎng)，粗糙表面和腐蝕表面此時(shí)沿高度方向增長(zhǎng)較慢，主要以沿傾斜平面方向生長(zhǎng)為主，粗糙表面沿平面方向上晶枝細(xì)小且分布均勻密實(shí)，在10 min時(shí)表面有明顯的晶枝出現(xiàn)，此時(shí)裸鋁表面已經(jīng)長(zhǎng)滿枝狀霜晶，而腐蝕表面在20 min后才有少許的霜晶出現(xiàn)。三種表面的霜晶生長(zhǎng)形貌也各不相同，裸鋁表面的霜層生長(zhǎng)茂盛，形狀細(xì)長(zhǎng)且分布較為離散，粗糙表面上的晶枝較裸鋁表面更加粗壯，其緊貼表面的底部霜晶分布均勻密實(shí)，而腐蝕表面上霜晶生長(zhǎng)不均且晶枝短小。

圖2 不同表面不同時(shí)刻結(jié)霜過(guò)程

圖3示出從霜晶的高度上反映了3種表面的結(jié)霜與抑霜情況。

圖3 不同表面霜晶高度隨時(shí)間變化折線

由圖3可以看出，裸鋁表面霜晶生長(zhǎng)高度最高，霜晶沿高度方向生長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，沿平面方向分布稀疏，粗糙表面和腐蝕表面霜晶沿高度方向生長(zhǎng)較慢，沿平面方向較快。結(jié)霜30 min鐘后，裸鋁表面、粗糙表面和腐蝕表面的霜晶高度分別為1.62，0.95和0.46 mm。粗糙表面的霜晶高度是裸鋁表面的58.6%，而腐蝕表面只有28.4%。在結(jié)霜30 min后，斷開(kāi)半導(dǎo)體制冷器的電源，讓3種結(jié)霜表面在4 ℃的空氣溫度下融霜，裸鋁表面、粗糙表面和腐蝕表面的融霜時(shí)間分別是152，270，162 s，融霜時(shí)間越長(zhǎng)說(shuō)明結(jié)霜越嚴(yán)重，這表明粗糙表面的結(jié)霜效果最嚴(yán)重，而其霜晶高度并非最高，而平面方向上霜晶分布較為質(zhì)密，分析原因，可能是因?yàn)榇植诒砻娌还饣?，表面上有很多凹孔槽，在結(jié)霜初始階段冷凝液滴填充其內(nèi)，隨著結(jié)霜過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，霜晶開(kāi)始在孔槽內(nèi)生長(zhǎng)，待將孔槽內(nèi)填滿之后繼續(xù)向上豎直生長(zhǎng)，因而其霜晶高度較裸鋁表面矮而其融霜時(shí)間卻最長(zhǎng)。

3種表面在融霜后再結(jié)霜的過(guò)程如圖4所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，裸鋁表面在融霜過(guò)程中融化的霜晶液滴沿平面方向流淌，在某處小液滴聚集成較大液滴駐留在表面，待溫度降低后逐漸再次結(jié)晶，形成較為高大且形狀規(guī)則的霜晶，而粗糙表面和腐蝕表面沿高度方向結(jié)霜依然較慢，沿平面方向粗糙表面霜晶細(xì)密，分布均勻，腐蝕表面晶枝較為粗壯，分布更加離散。

圖5示出3種表面二次結(jié)霜霜晶高度隨時(shí)間的變化。

圖5 不同表面再結(jié)霜霜晶高度隨時(shí)間變化折線

從霜晶生長(zhǎng)高度的角度來(lái)看，裸鋁表面由于在融霜過(guò)程中融霜液滴的局部聚集，使其表面形成了較大的液滴，因此在二次結(jié)霜時(shí)其霜晶的平均高度依然明顯高于粗糙表面和腐蝕表面，腐蝕表面和粗糙表面的霜晶生長(zhǎng)高度相差不大，但腐蝕表面的霜晶較為稀疏，密度較小，而粗糙表面的霜晶密度最大，且表面凹坑內(nèi)被霜晶填充，這一點(diǎn)結(jié)合圖6 3種表面的融霜時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，裸鋁表面的平均融霜時(shí)間比粗糙表面減少了38.0%，腐蝕表面比粗糙表面減少了38.2%。

圖6 2次融霜時(shí)間柱狀圖

與裸鋁表面相比，腐蝕表面上由于強(qiáng)堿對(duì)其產(chǎn)生了刻蝕作用，在表面形成了一層較為均勻的微細(xì)結(jié)構(gòu)，因此其表面粗糙度增加，形成了親水表面，由文獻(xiàn)［6，18］可知，具有親水特性的表面可有效延緩霜晶的生長(zhǎng)，同時(shí)具有較好的排液效果，因而其2次結(jié)霜量均較小，且顯示出出色的排液效果。相對(duì)于粗糙表面，其表面雖然也具有粗糙結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)尺寸較大，在凹坑位置坑底與冷源接觸距離減小，傳熱效果增強(qiáng)，使得霜晶生長(zhǎng)加快，在結(jié)霜過(guò)程中，霜晶由凹坑底部開(kāi)始生長(zhǎng)，此時(shí)霜晶位于測(cè)量平面以下，待霜晶將凹坑填充完全后繼續(xù)沿豎直方向生長(zhǎng)，因此雖然粗糙表面的霜晶高度低于裸鋁表面，但其融霜時(shí)間卻明顯長(zhǎng)于裸鋁表面。

在結(jié)霜后的融霜試驗(yàn)中，裸鋁表面光滑平整，融霜水沿傾斜平面滑落，在局部位置液滴聚集成較大的水珠滯留于表面上，對(duì)二次結(jié)霜冷面的局部位置產(chǎn)生較大影響。腐蝕表面實(shí)際上具有親水特性，其較強(qiáng)的親水性質(zhì)使得融霜水不易附著其表面上，即使有所附著，在本試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)臺(tái)與水平面有40°夾角，可使融霜水從表面上輕易脫落，從而表現(xiàn)出良好的排液特性，最大程度的減小二次結(jié)霜量。粗糙表面雖具有與親水表面相似的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可在一定程度上增加排液量，但其微細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸較大，使得融霜水一部分滯留在了凹坑內(nèi)部，眾多滯留在凹坑內(nèi)部的融霜水在粗糙表面形成一層薄薄的水膜。

在二次結(jié)霜過(guò)程中，由于融霜水的滯留與填充，結(jié)霜過(guò)程最先發(fā)生在凹坑內(nèi)部，隨著結(jié)霜過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，粗糙表面上的水膜逐漸凍結(jié)，之后在其表面霜晶沿豎直方向均勻密實(shí)的生長(zhǎng)，由圖4可見(jiàn)，粗糙表面上霜晶的高度雖略低于腐蝕表面，但由圖6可以發(fā)現(xiàn)粗糙表面的融霜時(shí)間明顯長(zhǎng)于腐蝕表面，說(shuō)明雖然霜晶在粗糙表面上沿豎直方向高度增長(zhǎng)較慢，但霜晶生長(zhǎng)密度較大。具有親水特性的腐蝕表面二次結(jié)霜高度較第一次略有提高，但融霜時(shí)間相近，展現(xiàn)出較好的排液性能。

由圖7也可以發(fā)現(xiàn)，裸鋁表面和腐蝕表面的霜晶分布疏松，密度較小，裸鋁表面上的圓形霜晶顆粒是融霜液滴聚集之后再凍結(jié)后形成的。粗糙表面已經(jīng)形成了整體性的冰面，雖然霜晶沿豎直方向上高度較低，但霜晶密度大，霜層更加堅(jiān)硬，融霜耗費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)。

圖7 再結(jié)霜表面結(jié)霜形態(tài)

3 結(jié)論

（1）在一次結(jié)霜過(guò)程中，裸鋁表面沿豎直方向霜晶生長(zhǎng)較快，粗糙表面和腐蝕表面沿垂直方向霜晶生長(zhǎng)較慢，粗糙表面的霜晶高度只有裸鋁表面霜晶高度的58.6%，具有親水性質(zhì)的腐蝕表面的霜晶高度只有裸鋁表面的28.4%。

（2）在融霜過(guò)程中，裸鋁表面上的融霜水聚集形成了較大的液滴；腐蝕表面由于具有親水特性，擁有較好的排液性能；粗糙表面上一部分融霜水滯留于凹坑內(nèi)部，其排液性能弱于腐蝕表面。

（3）在二次結(jié)霜過(guò)程中，裸鋁表面上由于融霜液滴的駐留，導(dǎo)致霜晶沿高度方向增長(zhǎng)劇烈，霜晶的平均高度明顯高于粗糙表面和腐蝕表面。粗糙表面由于凹坑的影響，結(jié)霜過(guò)程首先在凹坑底部開(kāi)始，雖然霜晶高度較低，但其明顯較長(zhǎng)的融霜時(shí)間表明粗糙表面上霜晶的密度更大，霜晶生長(zhǎng)更加劇烈。腐蝕表面由于具有親水性質(zhì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的抑霜和排液能力，在結(jié)霜/融霜循環(huán)運(yùn)行的設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。