超聲功率對冷壁面凍結(jié)液滴脫除效果的影響

李 棟 陳振乾

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096)

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷、空調(diào)、航空航天等領(lǐng)域.霜層的存在不僅增加了換熱熱阻，降低了傳熱效率，而且還會堵塞空氣側(cè)通道，增加流動阻力，嚴重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效.因此，探求有效的抑/除霜方法具有重要的工程意義和實用價值.

國內(nèi)外的研究主要是通過添加各種親水或疏水涂層抑制結(jié)霜［1-6］，雖已取得部分有益成果，但涂層的存在僅能延緩結(jié)霜過程初始霜晶的成核，霜層一旦完全覆蓋表面涂層，涂層的作用就不再明顯.此外，文獻［7-8］研究了外加電場對霜層生長的影響，雖然外電場的施加能夠顯著細化霜晶，但并沒有從根本上解決結(jié)霜問題.文獻［9］研究了機械振蕩對冷表面霜層形成以及凍結(jié)液滴生長的影響，研究表明，施加100～200 Hz的低頻振蕩僅能影響結(jié)霜初期凍結(jié)液滴的形貌，并不能有效去除冷表面霜晶.

近年來，超聲波以其頻率高、能量集中、具有機械作用和聲壓效應(yīng)的特點在抑/除霜領(lǐng)域得到部分有效應(yīng)用［10-13］.閻勤勞等［10］研究了超聲波型以及頻率對冷風機除霜效果的影響，認為超聲波頻率為20 kHz時，縱波除霜效果最好;超聲波頻率為15 kHz時，橫波除霜效果最好.Adachi等［11］研究了頻率37 kHz的超聲振動對矩形鋁合金表面霜晶形成的影響，試驗表明，振幅為3.4 μm的超聲振動可以抑制霜的形成達60%.Li等［12］對施加頻率20 kHz超聲波的作用霜層生長進行了微觀可視化觀測，結(jié)果表明，與無超聲波作用相比，施加超聲波的作用可使霜層厚度降低75%.Wang等［13］研究了超聲波對蒸發(fā)器翅片管表面結(jié)霜生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)，施加功率60 W、頻率28.2 kHz的超聲波作用，能夠有效振碎冷表面生長的霜枝，但不能徹底除去基底表面的凍結(jié)液滴.

研究者普遍將結(jié)霜過程分為霜晶成核、霜層生長和霜層充分生長3個階段［14］.目前關(guān)于超聲波抑/除霜方面的研究，主要集中在霜層生長階段和霜層充分生長階段，而對霜晶初始成核階段，尤其是結(jié)霜初始階段凍結(jié)液滴去除方法的研究較少.然而凍結(jié)液滴作為霜晶生長的基底，其存在無疑會對后續(xù)霜層的生長產(chǎn)生重要影響.因此，對結(jié)霜初始階段凍結(jié)液滴去除方法的研究具有重要意義.

作者前期研究中發(fā)現(xiàn)超聲波能夠瞬間脫除冷表面凍結(jié)液滴［15］，為冷表面有效抑/除霜提供了可能.但超聲功率對不同影響因素下凍結(jié)液滴的脫除規(guī)律缺少量化分析.因此，本文模擬不同影響因素下冷表面結(jié)霜初期階段的凍結(jié)液滴，對施加20 kHz超聲振蕩作用下70 mm×70 mm鋁平板表面上凍結(jié)液滴的脫除行為進行了可視化觀測，探討了凍結(jié)液滴大小、凍結(jié)時間等因素對凍結(jié)液滴脫除的影響規(guī)律，為超聲波除霜中超聲功率配置提供了依據(jù).

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

超聲波脫除冷壁面凍結(jié)液滴的可視化系統(tǒng)如圖1所示.整個系統(tǒng)由超聲振蕩系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)2部分組成.

圖1 冷壁面凍結(jié)液滴脫落可視化系統(tǒng)

超聲振蕩系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、旋轉(zhuǎn)支架、變幅桿探頭、70 mm×70 mm×3 mm硬鋁平板等.試驗選用的超聲波波型為縱波，超聲波換能器頻率為20 kHz，功率可實現(xiàn)0～1 000 W可調(diào).試驗中鋁平板中心與變幅桿探頭之間采用螺紋連接的緊固方式，便于超聲能量均勻有效地作用于鋁表面.圖像采集系統(tǒng)包括Photron SA4型高速攝像機、Nikon廣角鏡頭、LED冷光源、圖像采集卡以及電腦上位機.高速攝像機配合Nikon廣角鏡頭，通過視頻電纜將拍攝的圖像傳輸?shù)接嬎銠C中，由圖像采集卡記錄試驗過程.

1.2 試驗方法

為便于量化超聲功率對冷表面凍結(jié)液滴脫除的影響，對鋁平板表面進行了網(wǎng)格劃分，并對每個區(qū)域進行了數(shù)字標定，如圖2所示.試驗前，首先將緊固鋁平板的超聲波探頭放置于冰箱營造的冷環(huán)境中，同時調(diào)整旋轉(zhuǎn)支架，使鋁平板表面保持水平.隨后，采用移液器模擬不同規(guī)格的液滴.最后，關(guān)閉冰箱門，設(shè)定冰箱冷環(huán)境溫度.待液滴凍結(jié)并和冷表面完全黏結(jié)后，調(diào)整旋轉(zhuǎn)支架，使鋁平板表面保持豎直狀態(tài)，便于超聲波作用下鋁平板表面凍結(jié)液滴的脫落.

圖2 鋁平板表面網(wǎng)格劃分

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 超聲作用下冷壁面凍結(jié)液滴脫落動態(tài)行為

為研究超聲振蕩對冷壁面凍結(jié)液滴群脫落的影響，首先對冷壁面凍結(jié)液滴脫落的動態(tài)行為進行了快速可視化觀測.當試驗超聲輸入功率為100 W，冷表面溫度為－5℃，凍結(jié)液滴直徑5 mm，超聲作用時間1 s時，超聲作用下冷壁面凍結(jié)液滴脫離過程如圖3所示.從圖中可以看出，超聲波開啟后，冷平板表面凍結(jié)液滴瞬間脫落.這是由于超聲波具有機械作用，可以在凍結(jié)液滴和冷表面界面處產(chǎn)生高頻機械振蕩.由于凍結(jié)液滴和冷板材質(zhì)不同，因而界面處質(zhì)點位移不同步，2種物質(zhì)之間會產(chǎn)生速度差，使得產(chǎn)生界面剪切力，此界面剪切力可以有效降低甚至克服凍結(jié)液滴和冷壁面之間的剪切黏附應(yīng)力［16］.同時，超聲聲壓效應(yīng)產(chǎn)生的瞬間高壓脈沖能夠有效克服凍結(jié)液滴和冷壁面之間的界面垂直黏附應(yīng)力.因此，超聲機械效應(yīng)以及聲壓效應(yīng)產(chǎn)生的聯(lián)合作用可以有效降低甚至消除凍結(jié)液滴的黏附力，從而使得凍結(jié)液滴脫落冷壁面.

圖3 超聲波脫除冷壁面凍結(jié)液滴過程

2.2 超聲功率對不同粒徑凍結(jié)液滴的影響

為細化超聲振蕩對凍結(jié)液滴的影響規(guī)律，對不同超聲功率條件下不同粒徑凍結(jié)液滴的脫除概率進行了量化分析.當超聲功率為600 W，超聲作用時間1 s，冷表面溫度－20℃，凍結(jié)時間30 min，凍結(jié)液滴粒徑分別為3，5和8 mm時，超聲作用前后不同粒徑凍結(jié)液滴脫除效果如圖4所示.由圖可見，超聲作用后，冷平板表面凍結(jié)液滴部分脫落.超聲波更易去除尺寸較大的凍結(jié)液滴，液滴凍結(jié)粒徑越小，超聲波對其脫除效果越不明顯.這是因為，雖然凍結(jié)液滴粒徑越大，其在冷平板的覆蓋面積越大，界面黏結(jié)力相應(yīng)越大，但是與小粒徑的凍結(jié)液滴相比，大粒徑凍結(jié)液滴的質(zhì)量明顯增加，在單位面積界面黏結(jié)力相同的條件下，凍結(jié)液滴脫落所需臨界剪切力相應(yīng)減少.同時，超聲作用下平板表面能量分布以及界面剪切應(yīng)力分布并不均勻，不同位置處聲能以及剪切力相差很大.與小粒徑的凍結(jié)液滴相比，大粒徑凍結(jié)液滴在冷表面的覆蓋面積增加，有效作用于凍結(jié)液滴的超聲能量增強，從而使得作用于單位面積的界面剪切力以及沖擊力相應(yīng)增強，因此能夠克服更大范圍的凍結(jié)液滴的界面黏結(jié)力，從而使得更多凍結(jié)液滴脫落.

圖4 超聲波對不同粒徑凍結(jié)液滴的脫除效果

圖5給出了不同超聲功率作用下不同粒徑凍結(jié)液滴的脫除概率.由圖可知，隨著超聲功率的增加，不同粒徑的凍結(jié)液滴脫除概率總體呈上升趨勢.以粒徑為3 mm的凍結(jié)液滴為例，超聲輸入功率為100 W時，冷表面凍結(jié)液滴脫除概率為20.8%;當超聲輸入功率增加到800 W時，表面凍結(jié)液滴脫除概率達到75%，比超聲輸入功率100 W時的脫除概率增加了54.2%.此外，同一脫除概率下，大粒徑凍結(jié)液滴所需超聲功率明顯小于小粒徑凍結(jié)液滴所需的超聲功率.凍結(jié)液滴粒徑為3 mm時，達到50%以上的脫除概率所需要的超聲功率為400 W，而當粒徑為8 mm時，僅需要100 W的能量.從圖5中可以看出，超聲輸入功率達到800 W時，試驗中不同粒徑的凍結(jié)液滴脫除概率均可達到70%以上.

圖5 不同超聲輸入功率下不同粒徑凍結(jié)液滴的脫除概率

2.3 超聲功率對不同凍結(jié)時間凍結(jié)液滴的影響

除凍結(jié)液滴粒徑外，液滴的凍結(jié)時間也是影響凍結(jié)液滴脫除的關(guān)鍵因素.當超聲功率為600 W，冷表面溫度為－20℃，凍結(jié)液滴粒徑為3 mm，凍結(jié)時間分別為30，60和90 min時，不同凍結(jié)時間下超聲作用前后冷壁面凍結(jié)液滴的脫除效果如圖6所示.從圖中可以看出，隨著凍結(jié)時間的增加，同一超聲功率條件下，超聲脫除效果越來越差.這是因為凍結(jié)液滴與冷表面之間的界面黏結(jié)力是制約凍結(jié)液滴脫除的主要因素，而界面黏結(jié)力與液滴凍結(jié)時間成正比關(guān)系［17］.隨著凍結(jié)液滴凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)液滴和冷壁面之間界面黏結(jié)力不斷增大，抵抗外部超聲沖擊的能力不斷增強.為了克服此黏結(jié)力，需要超聲波瞬間提供更多的能量來克服界面黏結(jié)力.凍結(jié)時間越長，界面黏結(jié)力越大，脫除凍結(jié)液滴所需超聲輸入功率也就越大.由于超聲振蕩產(chǎn)生的剪切力以及沖擊力無法有效克服部分凍結(jié)液滴界面黏結(jié)力，因而使得部分凍結(jié)液滴無法從平板脫落.

圖6 超聲波對不同凍結(jié)時間的凍結(jié)液滴脫除效果

圖7給出了不同超聲輸入功率作用下不同凍結(jié)時間凍結(jié)液滴的脫除概率.從圖中可以看出，隨著超聲輸入功率的增加，不同凍結(jié)時間的凍結(jié)液滴脫除概率幾乎呈線性增加.同時，隨著超聲作用時間的增加，達到相同脫除概率所需超聲功率不斷增加.當液滴凍結(jié)時間為30 min時，平板所有凍結(jié)液滴脫除概率達到50%以上，只需100 W的超聲能量.而凍結(jié)時間為120 min時，達到50%以上的脫除概率至少需要600 W.在試驗提供的最大超聲輸入功率800 W之內(nèi)，試驗中不同凍結(jié)時間的凍結(jié)液滴脫除概率均可達到70%以上.

圖7 不同超聲輸入功率下不同凍結(jié)時間凍結(jié)液滴的脫除概率

3 結(jié)語

本文對施加20 kHz超聲振蕩下冷平板表面凍結(jié)液滴的脫除規(guī)律進行了試驗研究，分析了不同超聲輸入功率對不同液滴粒徑以及不同凍結(jié)時間的凍結(jié)液滴的脫除影響.研究結(jié)果表明:超聲振蕩可以有效脫除冷壁面凍結(jié)液滴，同時隨著超聲功率的增加，冷壁面凍結(jié)液滴脫除概率逐漸增加.在3～8 mm的粒徑范圍內(nèi)，凍結(jié)液滴粒徑越大，超聲脫除冷表面凍結(jié)液滴所需功率越小.在30～120 min的凍結(jié)時間內(nèi)，液滴凍結(jié)時間越長，液滴脫除所需超聲功率越大.試驗發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整超聲功率可使冷表面凍結(jié)液滴的脫除概率達到70%以上，試驗結(jié)果為超聲除霜系統(tǒng)中功率參數(shù)有效配置提供了依據(jù).

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