親水性抑霜涂層的實驗研究

翟玉玲，鐘曉暉，周樹光

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

結(jié)霜現(xiàn)象普遍存在于生活生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域，特別是低溫設(shè)備的各種換熱表面上。只要條件允許，結(jié)霜現(xiàn)象就不可避免。當(dāng)濕空氣流經(jīng)低于其水蒸氣露點溫度的冷表面時，就會凝結(jié);若低于水的三相點溫度，水蒸氣將會在冷表面上直接凝華成霜。結(jié)霜初期，霜晶稀疏、霜層粗糙，相當(dāng)于微小肋片，起到強化換熱作用;隨著時間推移，霜晶繼續(xù)生長、分枝、融化、滲透，逐漸形成致密、連續(xù)的霜層。這時的霜層將影響換熱器的工作性能，嚴(yán)重時甚至使系統(tǒng)失效［1-3］。

目前一般采用定期融霜的方法，即霜層生長到一定厚度借助外力來除霜。但是這種方法耗能費時，這在當(dāng)今以節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益為衡量標(biāo)準(zhǔn)的社會里是不允許的。國內(nèi)外學(xué)者一直在尋求既節(jié)能又能從根本上抑制結(jié)霜的方法，即從霜晶出現(xiàn)那刻起就抑制其生長［4-6］。其中在冷表面上涂覆親水性抑霜涂層(以下簡稱親水涂層)來抑制結(jié)霜成為近幾年來的一個主要研究方向。因此，本文自行研制了一種新型的親水性抑霜涂層，在低溫高濕環(huán)境下進(jìn)行了30個小時的結(jié)霜實驗研究，為該涂層在實際制冷設(shè)備中的應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。

1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)由BD-100臥式小型冰柜組成，制冷能力冷凍能力分為四檔，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，各檔溫度可自動調(diào)控。冰柜的制冷溫度在－5～－30℃的范圍內(nèi)變化，冰柜內(nèi)濕度可由加濕器調(diào)節(jié)。

空冰柜運行時內(nèi)部的相對濕度較小，一般在30% ～50%左右。為了增大結(jié)霜速率，實驗時可使冰柜呈半敞開制冷狀態(tài)并用加濕器對其內(nèi)部加濕，測得相對濕度在60%以上，與裝有果蔬等冷凍冷藏品的冰柜或冷庫環(huán)境相似。實驗開始前，啟動冰柜強制制冷，待柜內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后，把制作好的結(jié)霜測試表面放置冰柜內(nèi)，此時測得庫內(nèi)溫度范圍為－22.3～－28.3℃，相對濕度范圍70～80%左右。實驗環(huán)境如圖1所示。

圖1 實驗環(huán)境

2 親水性抑霜涂層的制作過程

一般翅片管式蒸發(fā)器的表面或冰箱、冰柜內(nèi)的表面為鋁箔材質(zhì)，為了更接近實際結(jié)霜環(huán)境，選用尺寸為100mm×50mm×1.5mm的鋁平板做結(jié)霜測試表面。首先，用耐水細(xì)砂紙打磨鋁平板表面;再用清水反復(fù)沖刷、浸泡，去除鋁表面的污粉;最后用丙酮擦拭干凈，置于通風(fēng)處晾干待用。親水抑霜涂層是由吸水性樹脂、能降低水冰點的添加劑、固化劑及稀料組成。吸水性樹脂和添加劑在常溫狀態(tài)下呈粉末狀，而且顆粒粒徑較大。為了得到實驗所需的細(xì)微粉末，先把它們在研磨皿里研磨幾個小時后，然后粉末過300目的標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)。粉末粒徑在顯微鏡里測得小于50μm，而且粉末粒徑越小，所得涂層表面越光滑。實驗材料準(zhǔn)備好后，把按一定比例充分混合好的親水涂料快速淋涂于先前準(zhǔn)備好的鋁平板表面上，用高溫空氣烘干待用。親水涂層的制作流程如圖2所示。

圖2 親水涂層的制作流程圖

其中，根據(jù)實驗需要制作了兩種結(jié)霜表面。分別為:(1)表面1:鋁平板的一半為裸表面，另一半為含親水涂層的鋁表面。目的是為了明顯對比含親水涂層的鋁表面和裸表面的結(jié)霜情況。(2)表面2:整塊鋁平板涂覆親水材料。目的是為了測量在實驗過程中該鋁平板隨時間變化的吸水和結(jié)霜的質(zhì)量增長量，得出實際的抑霜數(shù)據(jù)。上述兩種測試表面如圖3所示。

圖3 結(jié)霜測試表面(左為表面1，右為表面2)

3 實驗結(jié)果及分析

實驗開始后，測量周圍環(huán)境溫度為18℃，相對濕度在10%左右。冰柜內(nèi)溫度范圍控制在－22～－28℃內(nèi)，相對濕度范圍控制在70～80%內(nèi)。因此冰柜內(nèi)的環(huán)境為低溫高濕環(huán)境，屬于容易結(jié)霜的環(huán)境。若親水涂層在此環(huán)境下能長時間不結(jié)霜，即說明此親水涂層具有很好的抑霜效果。

圖4是親水涂層和裸表面在19h內(nèi)的結(jié)霜對比圖。從圖可以看到親水涂層大概在10h后才出現(xiàn)少量的霜晶，隨后，親水涂層內(nèi)的吸水性樹脂逐漸吸附表面上的小水珠。隨著吸水性樹脂吸水量的增大，吸液速率開始變慢，逐漸趨于飽和狀態(tài)。隨著時間的推進(jìn)，由于邊緣效應(yīng)，親水涂層自上而下出現(xiàn)霜晶，并逐漸增厚。19h后，親水涂層和裸表面的結(jié)霜現(xiàn)象對比更明顯。裸表面上已經(jīng)結(jié)上厚厚的一層霜，但親水涂層表面上的霜晶分布還比較稀疏，甚至有些地方未出現(xiàn)長霜的現(xiàn)象。說明親水涂層在有效的時間內(nèi)具有很明顯的抑霜效果。

圖4 親水涂層(左)和裸表面(右)的結(jié)霜對比圖

圖5 親水涂層30小時內(nèi)的結(jié)霜質(zhì)量增長量

圖5是該親水涂層在30個小時內(nèi)的結(jié)霜質(zhì)量增長量。從圖可以看到霜重大致呈直線增長趨勢，因此可以采用一元線性回歸模型求出該圖形的回歸曲線。利用回歸曲線大致可以預(yù)測出親水涂層在任意時刻的霜重增長量。一元線性回歸模型及相應(yīng)的回歸直線(擬合直線)方程如式(1)～(2)所示。

一元線性回歸模型:

式中:

x—實驗次數(shù)，每次代表每隔兩個小時稱霜重一次。

圖6是實際的霜重增長量和擬合的霜重增長量的曲線圖。并用t檢驗法(α=0.05)檢驗該回歸方程，認(rèn)為該線性方程回歸效果顯著。在30小時的結(jié)霜實驗里，結(jié)霜質(zhì)量增長量的實測值和擬合值的殘差為0.017，如果實驗時間越長殘差就越小。因此，該回歸方程大致可以預(yù)測出任何時刻的霜重質(zhì)量增長量。

圖6 回歸直線和實際霜重質(zhì)量增長曲線的對比

4 結(jié)論

在低溫高濕的環(huán)境下，在有效的結(jié)霜時間內(nèi)，本次實驗研制的親水涂層的抑霜效果比裸表面好。它都能有效地延遲霜晶的出現(xiàn)時間，而且親水涂層上的霜晶較大且稀疏，易用外力除去。并用最小二乘估計法推導(dǎo)出親水涂層的霜重質(zhì)量增長量的回歸直線，得出的擬合直線與實驗數(shù)據(jù)相符性較好，為預(yù)測霜層的質(zhì)量增長量提高了理論依據(jù)。

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