疏水性鋁翅片表面的結(jié)霜/融霜特性

汪峰，梁彩華，吳春曉，張小松，張友法

（1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2. 東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，211189）

疏水性鋁翅片表面的結(jié)霜/融霜特性

汪峰1，梁彩華1，吳春曉2，張小松1，張友法2

（1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2. 東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，211189）

為了揭示疏水性鋁翅片表面特性對(duì)結(jié)霜/融霜過(guò)程的影響規(guī)律，構(gòu)建翅片結(jié)霜/融霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備接觸角為90°～160°的4組疏水性鋁翅片，并對(duì)其表面的結(jié)霜/融霜特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：翅片表面的接觸角越大，凝結(jié)液滴越晚出現(xiàn)，抗凝結(jié)作用越明顯。4組翅片表面霜晶形態(tài)相似，但霜層高度區(qū)別明顯，接觸角越大，霜層越薄，抑霜效果越好。翅片表面的接觸角和接觸角滯后對(duì)凝結(jié)液滴及融霜滯留液滴的形狀、尺寸和分布密度具有重要影響。此外，疏水性強(qiáng)的翅片，表面融霜過(guò)程快且滯留水少，接觸角為160°的表面其滯留水比接觸角為98°的表面減少79.82%。因此，采用疏水性強(qiáng)的翅片，有利于減少蒸發(fā)滯留水耗熱量和時(shí)間，從而提高熱泵除霜效率。

疏水性翅片；接觸角；接觸角滯后；結(jié)霜；融霜水滯留

空氣源熱泵冬季制熱運(yùn)行時(shí)，室外側(cè)翅片管換熱器存在結(jié)霜問(wèn)題。由于霜層的形成與生長(zhǎng)，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱能力下降，熱泵性能惡化，無(wú)法正常工作［1-2］，因此，有效抑制空氣源熱泵結(jié)霜關(guān)系到其穩(wěn)定高效運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了利用溶液除濕減少入口空氣含濕量［3］、外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)［4-5］、超聲波振動(dòng)［6-7］等抑霜方法。雖然這些方法能夠起到明顯的抑霜效果，但應(yīng)用于抑制熱泵結(jié)霜代價(jià)過(guò)高，缺乏實(shí)用性。早在20世紀(jì)80年代，親水涂層已被用于延緩和抑制結(jié)霜的研究。LEE等［8-9］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，親水涂層具有很強(qiáng)的吸水性，并能貯存一部分潛冷，與無(wú)涂層表面相比，結(jié)霜速率和霜厚減小，具有良好的抑霜效果。近年來(lái)，隨著各種新型材料的研究與開(kāi)發(fā)，許多學(xué)者展開(kāi)了疏水表面用于抑霜的研究。WU等［10］通過(guò)可視化研究發(fā)現(xiàn)疏水表面水珠分布稀疏，凍結(jié)較晚，初始霜晶較遲出現(xiàn)。丁云飛等［11］通過(guò)靜電紡絲方法，制備出具有納微結(jié)構(gòu)疏水表面，該疏水表面能有效延遲初始霜晶出現(xiàn)的時(shí)間，表面霜晶覆蓋率低，具有較好的抑霜性能。KIM等［12-15］通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了疏水表面和普通表面的結(jié)霜和融霜過(guò)程，發(fā)現(xiàn)疏水表面融霜過(guò)程快，表面滯留水少，因而疏水表面不僅能夠抑制結(jié)霜，而且能強(qiáng)化融霜過(guò)程。這些研究主要針對(duì)具有某一特定接觸角的疏水表面，沒(méi)有系統(tǒng)地對(duì)具有不同接觸角的疏水表面進(jìn)行結(jié)霜與融霜研究，很難揭示疏水性翅片表面特性的變化對(duì)結(jié)霜/融霜過(guò)程的影響規(guī)律。周艷艷等［16］研究表明，疏水表面的抑霜效果與其接觸角密切相關(guān)，接觸角越大，抑制效果越明顯。系統(tǒng)地揭示疏水性鋁翅片表面特性對(duì)結(jié)霜/融霜過(guò)程的影響規(guī)律，能夠?yàn)樘剿髋c開(kāi)發(fā)高性能的疏水性翅片管換熱器提供依據(jù)。為此，本文作者構(gòu)建可視化的翅片結(jié)霜/融霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備4種具有不同表面特性的疏水性鋁翅片，進(jìn)行結(jié)霜/融霜過(guò)程的細(xì)微觀可視化研究，并分析對(duì)比4種翅片表面的結(jié)霜/融霜特性。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與過(guò)程

圖1所示為翅片結(jié)霜/融霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括冷臺(tái)、冷卻水槽、2臺(tái)顯微儀和計(jì)算機(jī)。冷臺(tái)用于調(diào)節(jié)翅片表面溫度，使翅片在設(shè)定溫度下完成結(jié)霜和融霜過(guò)程。冷臺(tái)采用半導(dǎo)體溫差電制冷方式制冷，其溫度可通過(guò)溫控儀進(jìn)行控制，溫度調(diào)節(jié)范圍為-20～150 ℃，可放置的最大樣品長(zhǎng)×寬×高為 94 mm× 94 mm×24 mm。實(shí)驗(yàn)中，將翅片固定在冷臺(tái)上，并將冷臺(tái)調(diào)整為垂直放置。為了使冷臺(tái)熱端的熱量及時(shí)散去，采用冷卻水槽（低溫恒溫槽）對(duì)冷臺(tái)熱端進(jìn)行散熱，冷卻水槽溫度范圍為-20～100 ℃，溫度波動(dòng)度為±0.01。2臺(tái)顯微儀分別用于記錄結(jié)霜/融霜過(guò)程的正面和側(cè)面情況，提供可視化的實(shí)驗(yàn)圖像，并將圖像傳送至計(jì)算機(jī)。

圖1　翅片結(jié)霜/融霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig. 1　Schematic diagram of experimental setup

采用氫氧化鈉溶液刻蝕法，通過(guò)控制刻蝕時(shí)間，獲得具有4種不同接觸角和接觸角滯后的疏水性鋁翅片試樣，分別記作1，2，3和4號(hào)翅片，并測(cè)量各表面接觸角和接觸角滯后值，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)前，截取長(zhǎng)×寬為5 cm×5 cm的翅片試樣，將其固定于冷臺(tái)，并將冷臺(tái)調(diào)整為垂直放置；待調(diào)節(jié)好顯微儀焦距，將冷臺(tái)溫度降低至預(yù)定結(jié)霜溫度（-10℃），通過(guò)圖像采集軟件對(duì)結(jié)霜過(guò)程進(jìn)行定時(shí)拍照；待結(jié)霜至1 h，將冷臺(tái)溫度升高至預(yù)定融霜溫度（50 ℃）。同時(shí)開(kāi)啟顯微儀攝像功能，記錄霜層融化過(guò)程。

圖2　翅片表面的接觸角θ與接觸角滯后ΔθFig. 2　Contact angle and contact angle hysteresis of fin surface

2　結(jié)果與分析

2.1結(jié)霜特性

翅片試樣結(jié)霜工況如下：環(huán)境溫度為5.6～6.6 ℃，相對(duì)濕度為56%～64%，冷臺(tái)溫度為-10 ℃，結(jié)霜時(shí)間為60 min。在實(shí)驗(yàn)中觀察到：結(jié)霜初始階段，1～4號(hào)翅片表面均發(fā)生了凝結(jié)現(xiàn)象，但液滴出現(xiàn)的時(shí)間不同。1號(hào)表面液滴出現(xiàn)得最早，而4號(hào)表面的液滴出現(xiàn)最遲。這表明翅片表面的接觸角越大，凝結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)得越晚，抗凝露作用越明顯。液滴在翅片表面上生成后，不斷長(zhǎng)大，形成了規(guī)律性的分布。圖3所示為翅片表面的凝結(jié)液滴分布。從圖3可以看出：翅片表面液滴呈球形狀，粒度不一，大液滴較少，小液滴較多且分布在大液滴周圍。同時(shí)，接觸角不同，翅片表面液滴分布也不同。對(duì)于接觸角最小的1號(hào)表面，所形成的水珠大且分布密集，而對(duì)于接觸角最大的4號(hào)表面，表面潤(rùn)濕性比其他表面弱，液滴粒徑小且分布稀疏。由于液滴分布不同，導(dǎo)致不同翅片的表面液滴覆蓋率也不同，4號(hào)表面的覆蓋率遠(yuǎn)小于其他表面的覆蓋率。

圖3　翅片表面的凝結(jié)液滴分布Fig. 3　Distributions of condensed droplets on fin surface

圖4所示為結(jié)霜過(guò)程中4種翅片表面的霜高隨時(shí)間的變化。從圖4可見(jiàn)：隨著接觸角的增大，疏水性鋁表面在抑霜時(shí)間及抑霜量上都有明顯地增加；4號(hào)表面初始霜晶出現(xiàn)的時(shí)間比1號(hào)表面推遲4 min左右。結(jié)霜60 min后，4種表面霜高分別為1.53，1.45，1.23 和0.90 mm。4號(hào)表面的霜高比1號(hào)表面減少41.2%，抑霜效果明顯提高。

圖 5所示為 4組翅片表面霜層生長(zhǎng)情況（t=60 min）。從圖5可以看出：4組翅片表面霜晶的形態(tài)相似：霜晶纖長(zhǎng)且疏松，枝晶分布不均勻。4組翅片表面霜層高度有明顯區(qū)別，接觸角越大，疏水性翅片的抑霜效果越好。

2.2融霜特性

結(jié)霜60 min后，調(diào)節(jié)冷臺(tái)表面溫度至50 ℃，霜層開(kāi)始融化。將霜層開(kāi)始融化到不再有融霜水流出翅片表面的過(guò)程定義為融化過(guò)程，將其后的滯留水蒸發(fā)定義為蒸發(fā)過(guò)程。4種翅片的融霜時(shí)間分別為25，24，22和14 s，融霜過(guò)程都很快。但相比之下，1～3號(hào)翅片的融霜時(shí)間差距較小，而4號(hào)翅片的融霜時(shí)間則比其他3組短得多?？梢?jiàn)，強(qiáng)疏水性的表面有利于縮短融霜時(shí)間，從而提高整個(gè)除霜過(guò)程的效率。

圖6所示為4號(hào)翅片表面的融霜現(xiàn)象。從圖6可見(jiàn)：4號(hào)翅片表面的霜層從邊緣開(kāi)始卷起，并整體脫離翅片表面（如圖6（a）所示），幾乎沒(méi)有出現(xiàn)霜層融化的現(xiàn)象，而其他3種翅片表面則沒(méi)有觀察到類似現(xiàn)象。由于霜層的脫離過(guò)程極快，因而4號(hào)翅片的融霜時(shí)間才會(huì)遠(yuǎn)短于其他3組的融霜時(shí)間。分析4號(hào)翅片出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，需要從其翅片的表面特性入手。4號(hào)翅片的接觸角為160°，接觸角滯后為5°。當(dāng)接觸角大于150°，接觸角滯后小于10°時(shí)，表面稱為超疏水表面［17］，因而4號(hào)翅片實(shí)際上是超疏水表面，其表面自由能低，表面潤(rùn)濕性弱。圖 6（b）所示為霜層脫離 4號(hào)翅片表面的原理圖。融霜開(kāi)始后，隨著翅片表面溫度的升高，與翅片表面交界處的霜層首先融化，由于4號(hào)翅片表面自由能低，潤(rùn)濕性弱，融化后的液滴難以吸附在翅片表面。相反地，霜層本身具有強(qiáng)吸水性，因而未融化的霜層相當(dāng)于一塊親水表面，融化后的液滴極容易被未融化的霜層吸附。由于未融化的霜層與翅片表面失去了連接的“紐帶”，因此，就產(chǎn)生了霜層整體脫離表面的現(xiàn)象。

圖4　翅片表面霜層高度對(duì)比Fig. 4　Comparison of frost thicknesses on fin surface

圖5　翅片表面的霜層生長(zhǎng)Fig. 5　Frost layer growth on fin surface

圖6　4號(hào)翅片表面的融霜現(xiàn)象Fig. 6　Defrosting phenomenon on 4#fin surface

圖7所示為4組翅片表面融霜滯留液滴的分布。從圖7可以看出各表面的滯留融霜液滴分布特點(diǎn)有顯著的區(qū)別：1） 液滴形狀不同。由于各表面潤(rùn)濕性存在差別，液滴鋪展在表面的形狀不同。1號(hào)和2號(hào)翅片的液滴呈半球形，與翅片接觸面積大。3號(hào)和4號(hào)表面液滴近似于球形立于翅片表面，與翅片接觸面積小。2） 液滴直徑不同。1號(hào)翅片表面的最大液滴直徑約為1.7 mm，而4號(hào)翅片表面的最大液滴直徑僅為0.2 mm，這一現(xiàn)象是翅片表面接觸角和接觸角滯后共同造成的。液滴滯留在豎直翅片表面，受到翅片表面的毛細(xì)力和自身重力作用，液滴在重力作用下離開(kāi)表面，而毛細(xì)力則抵抗重力。當(dāng)重力大于毛細(xì)力時(shí)，液滴脫落；當(dāng)重力小于毛細(xì)力時(shí)，液滴就滯留在翅片表面。接觸角越大，接觸角滯后越小，毛細(xì)力就越小。對(duì)比1號(hào)和4號(hào)翅片可知：1號(hào)翅片表面產(chǎn)生的毛細(xì)力要比4號(hào)翅片產(chǎn)生的毛細(xì)力大，因而產(chǎn)生了1號(hào)表面滯留液滴尺寸遠(yuǎn)大于4號(hào)翅片的滯留液滴直徑。3） 分布密度不同。1號(hào)和2號(hào)翅片表面液滴分布密集，3號(hào)翅片表面液滴分布相對(duì)稀疏，液滴層無(wú)規(guī)則排列，4號(hào)翅片由于融霜初期就有大量霜層直接從表面脫落，使之表面比較干燥，僅有極少數(shù)直徑很小的球狀液滴滯留在表面。

圖7　翅片表面融霜滯留液滴分布Fig. 7　Distribution of frost melting droplets retention on fin surfaces

圖8所示為長(zhǎng)×寬為5 cm×5 cm的4組翅片表面的滯留融霜水量對(duì)比。4種表面滯留融霜水分別為0.091，0.080，0.065和0.022 g。滯留水隨著接觸角的增大和接觸角滯后程度的減小而減小，4號(hào)表面的滯留融霜水質(zhì)量比其他 3組表面分別減少了 75.82%，72.50%和66.15%。對(duì)于疏水性最強(qiáng)的4號(hào)翅片，能夠有效抑制融霜水的滯留，從而減少蒸發(fā)滯留水所需的時(shí)間和熱量，提高除霜效率。

圖8　翅片表面的融霜滯留水量Fig. 8　Retained water mass on fin surface

圖9　融霜滯留水量測(cè)量相對(duì)誤差Fig. 9　Measuring relative error of retained water mass

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選用XB224精密天平稱量滯留融霜水的質(zhì)量，其稱量范圍為220 g，讀取精度為0.001 g。融霜過(guò)程結(jié)束后，利用具有強(qiáng)吸水性的吸水紙迅速吸凈滯留在試樣表面的融霜水，用精密天平稱取其質(zhì)量。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述測(cè)量方法的有效性和準(zhǔn)確性。首先，稱量一片翅片的質(zhì)量，在翅片表面噴上液滴后稱量翅片和液滴的總質(zhì)量，兩者之差即為翅片表面滯留液滴質(zhì)量的實(shí)際值；然后，利用上述滯留水的測(cè)量方法獲得質(zhì)量實(shí)驗(yàn)值。比較質(zhì)量實(shí)驗(yàn)值和實(shí)際值，質(zhì)量測(cè)量誤差如圖9所示，其最大相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，因而該方法測(cè)得的滯留水量可信。

3　結(jié)論

1） 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)地揭示了疏水性鋁翅片表面特性對(duì)結(jié)霜/融霜過(guò)程及特性的影響規(guī)律。

2） 在結(jié)霜過(guò)程中，翅片表面的接觸角越大，凝結(jié)液滴越晚出現(xiàn)，抗凝結(jié)作用越明顯。4組翅片表面霜晶形態(tài)相似，但霜層高度區(qū)別明顯，接觸角越大，霜層越薄，抑霜效果越好。翅片表面的接觸角和接觸角滯后對(duì)凝結(jié)液滴的形狀、尺寸和分布特性具有重要影響。

3） 在融霜過(guò)程中，疏水性強(qiáng)的翅片融霜過(guò)程快，且表面滯留水少，接觸角為160°的表面其滯留水質(zhì)量比接觸角為98°的表面減少了75.82%。因此，采用疏水性強(qiáng)的翅片，有利于減少蒸發(fā)滯留水耗熱量和時(shí)間，提高熱泵除霜效率。

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（編輯 羅金花）

Frosting and defrosting characteristics of hydrophobic fin surfaces

WANG Feng1， LIANG Caihua1， WU Chunxiao2， ZHANG Xiaosong1， ZHANG Youfa2

（1. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China；2. School of Materials Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 211189， China）

In order to reveal the influence law of surface characteristics of the hydrophobic aluminum fin on frosting and defrosting processes， a frosting/defrosting experimental setup was constructed. Four hydrophobic aluminum fins with contact angles within the range of 90°-160° were prepared， and the frosting and defrosting characteristics of fin surfaces were studied. The results show that the condensed droplets are observed later on the fin with bigger contact angle， which shows obvious resistance in condensation. The forms of the frost crystals are similar on four hydrophobic fins while the differences of frost layer height are obvious. The bigger the contact angle is， the thinner the frost layer is， and the better the anti-frosting effect is. The effects of contact angle and contact angle hysteresis on shapes， sizes and distribution density of condensed droplets and retained frost melting droplets are found to be significant. In addition， the defrosting process is faster on fin with bigger contact angle and the retained water mass is also less. The retained water mass on fin surface with contact angle of 160° decreases by 79.82% compared with that of fin surface with contact angle of 98°. Therefore， fins with strong hydrophobicity can reduce energy consumption and time on evaporating retained water， and then improve the defrosting efficiency of air source heat pump.

hydrophobic fin； contact angle； contact angle hysteresis； frosting； frost melting water retention

TK124

A

1672-7207（2016）04-1368-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.037

2015-04-13；

2015-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51106023）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAJ03B14）；東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目（YBJJ1506） （Project（51106023） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2011BAJ03B14）supported by the 12th Five Year Science and Technology Support Plan of China； Project（YBJJ1506） supported by the Scientific Research Foundation of Graduate of Southeast University）

梁彩華，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，從事制冷空調(diào)、建筑節(jié)能及可再生能源利用研究；E-mail：caihualiang@163.com