張?zhí)炖?趙彥杰

(天津大學機械工程學院 天津 300350)

結霜現(xiàn)象廣泛存在于日常生產(chǎn)生活中，對制冷空調、低溫工程、航天航空等領域產(chǎn)生很大影響。當濕空氣流經(jīng)的冷表面溫度低于露點溫度時，濕空氣中的水蒸氣會在冷表面凝結，若冷表面溫度低于水的三相點溫度，水蒸氣會發(fā)生相變形成霜[1-2]。在許多工業(yè)應用中，環(huán)境條件和物體表面特性使得冷凝結霜更易發(fā)生。熱交換器、機翼、電線、路面和管道等工程設備或系統(tǒng)，都可能會受到結霜的影響。霜層的存在對傳熱面危害極大。因此國內外學者一直致力于尋求有效的除霜方法。

除霜方法可以分為主動除霜和被動除霜，傳統(tǒng)的主動除霜方法通常需要耗費大量的資源，而具有特定紋理表面和界面能量的被動除霜方法通常更有效、更經(jīng)濟[3]。研究表明，超疏水表面具有優(yōu)異的抗凝露抗結霜性能，因此是該領域研究的熱點之一[4]。超疏水表面的制備方法有：溶膠-凝膠法[5-7]、蝕刻法[8-10]、浸涂法[11]、旋涂法[12-13]、陽極氧化法[14-15]、電化學沉積法[16-17]等。Liu Zhongliang等[18]在超疏水表面上觀察到非常特殊的霜層結構。在接觸角為162°的超疏水表面上，霜晶沿水平方向(平行于表面)圍繞中心生長，并最終顯示出菊花狀的圖案。徐文驥等[19]通過電化學加工技術及氟化處理方法制備出鋁基體超疏水表面，其接觸角達160°，滾動角小于5°，與普通鋁表面相比，鋁基體超疏水表面具有明顯的抗結冰結霜性能。S.Farhadi等[20]通過旋涂和浸涂方法制備了有機硅烷、含氟化合物及硅橡膠超疏水涂層，進行了12次結冰/除冰循環(huán)，并測試了黏附力的變化。結果表明，表面結構會隨著結冰/除冰的循環(huán)進行而受到損壞，導致超疏水表面冰層的黏附喪失疏冰性能。

超疏水表面存在機械穩(wěn)定性及抗沖擊性差、在低溫高濕環(huán)境下的適應性較弱、壽命周期短、易失效和成本較高等問題。因此，許多學者對其防冰性能提出了質疑[21]。本文提出的使用常規(guī)工藝加工得到的陣列方微柱表面具有很好的抑制結霜性能，采用由成熟的電火花切割技術(WEDM)加工制備的陣列方微柱金屬表面作為有效的抗結霜表面，實驗研究了其在自然對流下的結霜特性，分析了表面溫度和持續(xù)時間對霜層厚度和霜重量的影響，提出了陣列方微柱表面的抗結霜機理，并通過仿真模擬進行了驗證。

1 表面制備與實驗

1.1 制備陣列方微柱結構表面

實驗采用50 mm×50 mm的紫銅作為加工的基材，使用工藝簡單成熟的電火花線切割技術來加工陣列方微柱結構表面。陣列方微柱結構表面示意圖如圖1所示，具體的尺寸為：柱寬D=0.5 mm，柱間距L=1 mm，柱高H=2 mm。

圖1 陣列方微柱結構表面示意圖

1.2 實驗裝置

實驗建立了低溫恒溫系統(tǒng)，用于觀察陣列方微柱結構表面的結霜過程。實驗裝置如圖2所示，包括3D顯微鏡、恒溫槽、數(shù)據(jù)采集儀、結霜觀察單元和顯示器等。其中，結霜觀察單元示意圖如圖2(b)所示，該單元包含紫銅導熱基板和留有方形孔的樹脂長方體腔體。將導熱基板固定在腔體的方形孔處，并在縫隙涂抹膠水以達到密封效果。腔體內部是循環(huán)流動的載冷劑，與導熱基板直接接觸。采用T型熱電偶測量實驗表面溫度，修正后測量誤差為±0.1 ℃。在基板底部加工寬為5 mm、深為1 mm的通槽，用來焊接熱電偶，熱電偶焊接位置如圖3所示，冷表面溫度取3個熱電偶的平均值。涂抹導熱硅膠覆蓋熱電偶并粘合導熱基板，從而最大限度地減少由于接觸熱阻造成的熱損失。

圖2 低溫恒溫系統(tǒng)實驗裝置

圖3 熱電偶位置(單位:mm)

1.3 實驗過程

實驗前，將基板置于酒精溶液中漂洗1 min，以避免由于灰塵引起的異質成核。實驗時，將顯微鏡調焦，將恒溫槽溫度調至所需溫度，再將制冷劑循環(huán)打開。通過改變制冷劑的溫度來調節(jié)樣本基板的溫度。實驗為自然對流條件下樣本基板上的結霜，結霜過程通過計算機實時監(jiān)控，樣本表面的霜晶形貌通過3D顯微鏡拍攝，霜層厚度通過處理由CCD工業(yè)相機拍攝的霜層的側視圖得到。通過與平表面結霜的對比和對不同樣本基板溫度的影響的研究，來研究陣列方微柱表面的結霜特性。

2 實驗結果

2.1 陣列方微柱表面霜晶形貌的變化

結霜可以描述為兩個過程相互競爭的結果：1)水蒸氣直接沉積為霜；2)水蒸氣先凝結為液滴，再凍結，隨后在凍結液滴上生長霜晶。第一個過程被稱為沉積或去升華結霜，而第二個過程通常被稱為冷凝結霜。

圖4所示為陣列方微柱表面上的霜晶形貌隨時間的變化，實驗條件為：環(huán)境溫度Tatm=24 ℃，冷表面溫度Tw=-17.5 ℃，相對濕度RH=17%。通過實驗記錄霜晶形貌的變化，觀測到結霜過程經(jīng)歷了液滴生成、液滴合并、液滴凍結和霜晶生長4個過程。如圖4前兩行紅框內的銅柱表面所示，t=24 min時，冷面上出現(xiàn)大量液滴，液滴直徑較??；t=33 min時，部分小液滴合并成直徑較大的液滴；t=44 min時，所有小液滴合并為一個覆蓋整根柱表面的大液滴；t=49 min時，液滴透明度降低，凍結成冰；t=53 min時，冰層上出現(xiàn)霜晶，隨著時間的推移霜晶不斷生長。此外，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱表面的頂部，微柱之間的凹槽內沒有觀察到結霜現(xiàn)象。

圖4 陣列方微柱表面霜晶形貌

綜上所述，陣列方微柱表面的結霜過程可分為3個階段：結露過程、液滴凍結、霜晶生長。其中，結露過程是水蒸氣液化為液滴和液滴合并的過程，為氣液相變；液滴凍結是液態(tài)液滴凍結成固態(tài)冰，為液固相變；霜晶生長是水蒸氣在冰層上凝華成霜，為氣固相變。

2.2 冷表面溫度對陣列方微柱表面結霜的影響

陣列方微柱表面霜層厚度與冷表面溫度的關系如圖5所示。由圖5可知，當環(huán)境溫度和濕度不變時，冷表面溫度越低，同一時刻陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度越大。結露過程和液滴凍結階段霜層厚度增幅很小，霜層厚度出現(xiàn)明顯變化是在霜晶生長階段。當冷表面溫度為-5、-10、-15 ℃時，霜層厚度發(fā)生明顯變化的時間分別為10 min、2 min、20 s。即冷表面溫度越低，霜晶生長階段開始的時間越早，結露過程和液滴凍結階段所需的時間越短。霜晶生長階段開始時霜層厚度的增長速度分別為3.6、15.7、22.8 μm/min。這主要是由于當環(huán)境溫度和濕度不變時，冷表面溫度越低，則與空氣的溫差越大，熱量的傳遞速度越快，所以霜晶生長階段開始的時間就越早，霜層厚度的增長速度越快，導致同一時刻陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度越大。

圖5 陣列方微柱表面霜層厚度與冷表面溫度的關系

2.3 陣列方微柱表面與平表面上霜層厚度的對比

圖6所示為在環(huán)境溫度Tatm=25 ℃±1 ℃，相對濕度RH=23%±1%，冷表面溫度Tw分別為-5.2、-10.1、-15.2 ℃時測得的陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度隨時間的變化。由圖6可知，隨著時間的推移，霜層的厚度逐漸增加，霜層厚度的增長速度逐漸降低。對比陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度變化情況可得，霜晶生長階段，陣列方微柱表面邊緣處的霜層厚度總大于平表面。

圖6 陣列方微柱表面和平表面邊緣處霜層厚度隨時間的變化

由于實驗裝置水平放置，空氣中較重的難冷凝氣體會沉積在樣本表面中間處，導致中間處的水蒸氣分壓力小于邊緣處，這就使得樣本表面中間處比邊緣處更難結霜，所以樣本表面邊緣處的霜層厚度大于中間處。因此，對比樣本表面邊緣處霜層的厚度無法正確反映樣本表面的結霜效果，本實驗采用對比霜的質量來度量樣本表面的結霜效果。

2.4 陣列方微柱表面和平表面結霜質量的對比

實驗結束后，立即將實驗表面取下置于電子天平上，稱重m1，待霜融化且完全干燥后稱重m2。電子天平的測量精度為±0.001 g。

霜層質量：

M=m1-m2

(1)

單位有效結霜面積上霜的質量：

mf=M/S×10-3

(2)

式中：m1為樣本結霜后的質量，g；m2為霜融化干燥后的質量，g；S為樣本有效結霜面積，m2；mf為單位有效結霜面積上霜的質量,kg/m2。

圖7所示為環(huán)境溫度Tatm=25 ℃±1 ℃，相對濕度RH=23%±1%，冷表面溫度Tw分別為-5、-10、-15 ℃，結霜時間為2 h時測得的陣列方微柱表面和平表面的霜重。由圖7可知，在相同的實驗條件下，冷表面溫度越低，樣本表面單位有效結霜面積的霜重越大；陣列方微柱表面的霜重始終小于平表面，當Tw=-10 ℃時，陣列方微柱表面的霜重比平表面降低約32%。

圖7 陣列方微柱表面與平表面在不同冷表面溫度時結霜質量的對比

2.5 不同尺寸陣列方微柱表面結霜特性的對比

實驗對5種不同尺寸的陣列微柱表面進行了結霜實驗，命名及具體尺寸如表1所示。實驗條件為：環(huán)境溫度Tatm=31 ℃±1 ℃，相對濕度RH=39%±1%，冷表面溫度Tw=-20 ℃，結霜時間為20 min。實驗得到霜重與結霜面積之間的關系，如圖8所示。橫坐標k為每個表面的微柱垂直投影面積與垂直投影總面積之比。由圖8可知，5種不同尺寸的陣列方微柱表面的霜重均小于平表面。表面1、表面2(k=24.4%，D=0.5 mm，L=1.0 mm)上的霜層質量最小，而不是表面3(k=10.6%，D=0.5 mm，L=1.5 mm)，說明存在臨界尺寸。當柱間距L過大時，凹槽內會形成冷凝液滴并結霜。當k相同時，霜重相差不大。

圖8 霜重與結霜面積之間的關系

表1 陣列微住表面的5種尺寸

3 結霜機理及Fluent模擬

3.1 陣列方微柱表面的結霜機理

基于前文實驗本文提出一種結霜機理以闡明陣列方微柱表面上霜晶的生長過程。圖9所示為陣列方微柱表面的結霜過程。當?shù)蜏仃嚵蟹轿⒅砻嫣幱谧匀粚α鳝h(huán)境中時，由于微柱邊緣處的相變驅動力大，空氣中的水蒸氣會先在方微柱的邊緣冷凝，再向中心傳播，形成大量小液滴，小液滴積聚形成覆蓋整根方微柱表面的大液滴。隨著時間的推移，大液滴凍結成冰層，樹杈狀的霜晶在冰層上方生長。自然對流使微柱之間產(chǎn)生了空氣渦旋，水蒸氣會隨著空氣渦旋流動而無法在微柱間凹槽內停留，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱頂部，凹槽內不結霜。

圖9 陣列方微柱表面結霜過程

3.2 陣列方微柱表面的Fluent模擬

為了驗證微柱間凹槽內空氣渦旋的存在，采用Fluent對陣列方微柱表面近壁處的空氣流動進行模擬。自然對流換熱較為復雜，故進行如下簡化：只考慮溫度引起的自然對流，認為空氣中無水蒸氣，不考慮實際結霜過程，得到的控制方程式為：

質量守恒方程：

(3)

動量守恒方程：

(4)

(5)

能量守恒方程：

(6)

得到的密度隨溫度變化公式為：

ρ=10-5T2-0.012 1T+3.638 7

R2=0.998 4

(7)

結合圖1的側視圖尺寸建立了如圖10(a)所示的二維模型，邊界條件及初始條件為：

1)左/右/上邊界：恒溫恒壓條件，T=300 K，p=0.1 MPa；

2)下邊界：恒溫條件，T=300 K；

3)初始條件：整個區(qū)域的初始溫度為300 K。

圖10(b)、圖10(c)所示分別為局部放大的空氣速度矢量圖和跡線圖。由圖10(b)和圖10(c)可知，自然對流條件時，微柱之間產(chǎn)生了明顯的空氣渦漩。圖11所示為局部網(wǎng)格劃分及其跡線圖，網(wǎng)格數(shù)量依次為217 563、56 500、25 899，相應的跡線圖均有明顯的渦旋存在，網(wǎng)格的獨立性得到驗證。

圖10 模擬結果

圖11 局部網(wǎng)格劃分及其跡線圖

4 結論

本文實驗研究了自然對流條件下，水平陣列方微柱表面與平表面的結霜特性，對比分析了不同尺寸表面上的結霜過程，得到如下結論：

1)通過實驗記錄霜晶形貌的變化，觀測到水平陣列方微柱表面的結霜過程可分為結露過程、液滴凍結和霜晶生長3個階段。霜層厚度在霜晶生長階段發(fā)生明顯變化，而結露過程和液滴凍結階段霜層厚度增長的幅度非常小。

2)冷表面溫度對水平陣列方微柱表面的霜晶生長產(chǎn)生了顯著影響。當冷表面溫度分別為-5、-10、-15 ℃時，霜層厚度發(fā)生顯著變化的時間分別為10 min、2 min、20 s，霜層厚度的增長速度分別為3.6、15.7、22.8 μm/min。隨著時間的推移，霜層的厚度逐漸增加，霜層厚度的增長速度逐漸降低。

3)水平陣列方微柱表面近壁處的空氣流動模擬結果顯示，自然對流時微柱間凹槽內存在空氣渦旋。水蒸氣會隨著空氣渦旋流動而無法在凹槽內停留，冷凝液滴僅出現(xiàn)在微柱頂部，凹槽內不結霜。因此，相比于平表面，水平陣列方微柱表面的結霜面積較小。當冷表面溫度為-10 ℃時，水平陣列方微柱表面的霜層質量比平表面降低約32%。

4)對比5種不同尺寸水平陣列方微柱表面的霜層質量發(fā)現(xiàn)，當冷表面溫度為-20 ℃時，表面1、表面2(k=24.4%，D=0.5 mm，L=1.0 mm)上的霜層質量最小。存在臨界柱間距L：當L過大時，凹槽內會形成冷凝液滴并結霜；當L相同時，霜層質量相差較小。