冷表面霜晶演化的微觀可視化觀測(cè)

李 棟 陳振乾 王 鑫 趙孝保

(1南京師范大學(xué)江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 南京 210042)(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

冷表面霜晶演化的微觀可視化觀測(cè)

李 棟1陳振乾2王 鑫1趙孝保1

(1南京師范大學(xué)江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 南京 210042)(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

對(duì)冷表面霜層生長(zhǎng)過程進(jìn)行了微觀可視化研究,對(duì)結(jié)霜生長(zhǎng)過程不同時(shí)期的霜晶演化特征進(jìn)行了觀測(cè),同時(shí)從相變動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)冷表面霜層初始液滴成核過程進(jìn)行了理論分析.試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),冷表面霜層生長(zhǎng)階段不同位置霜晶呈現(xiàn)不均勻生長(zhǎng),局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融現(xiàn)象,且隨著時(shí)間的推移,冷表面不同位置霜晶逐漸趨于均勻.研究結(jié)果表明,冷表面溫度越低,濕空氣中水蒸氣過飽和度越大,相變驅(qū)動(dòng)力越大，發(fā)生氣液相變形成活化液核的可能性越大.霜晶體表面溫度以及局部水蒸氣分壓力的聯(lián)合效應(yīng)是發(fā)生霜晶消融的根本原因.

霜晶演化;微觀可視化;相變驅(qū)動(dòng)力;霜晶消融;霜枝倒伏

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于各種航空航天飛行器表面以及制冷空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器表面.霜層的形成嚴(yán)重影響飛行器飛行安全以及制冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性.因此,充分認(rèn)識(shí)冷表面霜層生長(zhǎng)過程是深入揭示冷表面霜層生長(zhǎng)規(guī)律從而有效制定抑、除霜策略的基礎(chǔ).Hayashi等[1]把結(jié)霜分成初始晶核形成階段、霜層生長(zhǎng)階段和霜層充分生長(zhǎng)階段.文獻(xiàn)[2-7]對(duì)結(jié)霜的初始晶核形成階段進(jìn)行了研究.郝英立等[2]和Qu等[3]對(duì)結(jié)霜初始狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)表面穩(wěn)定溫度越低,則結(jié)晶發(fā)生的時(shí)間就越早,表面上凝結(jié)液滴及隨后凍結(jié)冰粒形狀規(guī)整且接近圓形.吳曉敏等[4-7]通過對(duì)冷表面結(jié)霜初始形態(tài)的理論和試驗(yàn)分析認(rèn)為,水蒸氣在冷表面上結(jié)霜并非單純凝華,而是經(jīng)過水珠生成、長(zhǎng)大、凍結(jié)、初始霜晶生成以及霜晶成長(zhǎng)等復(fù)雜過程.Na等[8]和Piucco等[9]通過對(duì)成核過程的相變動(dòng)力學(xué)分析得出,在冷壁面上應(yīng)該更容易形成液滴而不是直接出現(xiàn)霜晶.文獻(xiàn)[10-13]主要集中研究霜層生長(zhǎng)階段和霜層充分生長(zhǎng)階段,討論了各工況參數(shù),如環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、冷表面溫度、風(fēng)速等對(duì)霜層結(jié)構(gòu)、霜層密度、霜沉積量以及霜層厚度的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),冷表面溫度越低,相對(duì)濕度越大,結(jié)霜量越大,結(jié)霜越致密.然而,以上文獻(xiàn)主要關(guān)注環(huán)境參數(shù)對(duì)結(jié)霜過程的影響,而對(duì)典型結(jié)霜整體生長(zhǎng)過程沒有進(jìn)行有效研究,尚未充分揭示結(jié)霜生長(zhǎng)過程不同階段的特點(diǎn)以及霜晶生長(zhǎng)的演化特征.

因此,本文對(duì)冷表面霜層生長(zhǎng)過程進(jìn)行了微觀可視化研究,試驗(yàn)觀測(cè)了初始晶核形成、霜層生長(zhǎng)和霜層充分生長(zhǎng)完整的霜層生長(zhǎng)演化過程,并從相變動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)結(jié)霜過程各階段特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析,從而進(jìn)一步深化對(duì)冷表面結(jié)霜生長(zhǎng)演化機(jī)制的認(rèn)識(shí).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

冷表面結(jié)霜生長(zhǎng)過程的微觀可視化試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)由霜層生長(zhǎng)試驗(yàn)段、顯微可視化系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.霜層生長(zhǎng)試驗(yàn)段由半導(dǎo)體制冷片、直流穩(wěn)壓電源、拋光銅板、冷卻U形水道以及恒溫水浴等組成.

圖1 結(jié)霜試驗(yàn)裝置示意圖

顯微可視化系統(tǒng)包括體式顯微鏡、360°旋轉(zhuǎn)萬(wàn)能支架、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、冷光源以及電腦上位機(jī)等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括熱電偶、濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī).溫度測(cè)量主要采用K型熱電偶,觸點(diǎn)直徑為0.25 mm,經(jīng)冰點(diǎn)修正后測(cè)量誤差在± 0.1 ℃.溫度測(cè)量對(duì)象主要包括冷平板內(nèi)部溫度、環(huán)境空氣溫度.熱電偶布點(diǎn)位置如圖2所示,在平板內(nèi)部均勻布置4個(gè)K型熱電偶,測(cè)量冷表面溫度,冷表面溫度取4個(gè)點(diǎn)溫度的平均值.濕度傳感器采用電容式濕敏元件,用來測(cè)量冷平板周圍環(huán)境空氣濕度,相對(duì)濕度測(cè)量范圍為1%～99%.

(a) 主視圖

(b) 側(cè)視圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 冷表面霜晶演化過程可視化觀測(cè)

圖3為冷表面霜層生長(zhǎng)過程顯微可視化典型圖片.首先,隨著半導(dǎo)體制冷片的開啟,冷板表面溫度由環(huán)境溫度逐漸降低,在溫度梯度以及水蒸氣濃度梯度的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下,濕空氣中水蒸氣分子定向遷移,不斷沉降于冷表面,在冷表面上不斷凝聚.試驗(yàn)進(jìn)行到大約113 s時(shí),冷表面溫度降至大約7 ℃,此時(shí)水蒸氣發(fā)生氣液相變,冷表面形成初始球冠狀活化液核(見圖3(b)).隨后,水蒸氣分子在這些活化液核表面凝聚,液核不斷生長(zhǎng).由于冷表面中局部表面的不同特性,在冷表面上形成了許多大小不一的宏觀冷凝液滴.同時(shí),還有部分液滴產(chǎn)生,并不斷長(zhǎng)大,見圖3(d)、(e)中液滴1和液滴2.隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移,冷凝液滴逐漸處于過冷狀態(tài),在試驗(yàn)進(jìn)行到412 s時(shí),過冷液滴突然相變,瞬間凍結(jié),在冷表面上形成凍結(jié)液滴,黏附于冷表面上(見圖3(f)).此后,霜晶體開始出現(xiàn),由圖3(g)可以看出,霜晶首先出現(xiàn)在每個(gè)凍結(jié)液滴表面的頂部,并以凍結(jié)液滴表面作為生長(zhǎng)基底迅速生長(zhǎng).此時(shí)的霜晶生長(zhǎng)是一維的,霜晶體在每個(gè)凍結(jié)液滴表面孤立生長(zhǎng),在冷表面上沒有形成結(jié)構(gòu)相同的霜層.但隨著霜晶體的不斷生長(zhǎng),霜晶逐漸覆蓋每個(gè)凍結(jié)液滴表面(見圖3(h)),凍結(jié)液滴表面霜晶之間開始出現(xiàn)交錯(cuò)、合并和覆蓋現(xiàn)象,形成多孔網(wǎng)狀霜層,如圖3(i)所示.同時(shí),由于霜晶頂部的質(zhì)遷移以及霜晶之間的相互干涉,使得霜晶體逐漸以三維方式生長(zhǎng).隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移,霜層不斷生長(zhǎng),霜層厚度不斷增大,霜層表面溫度逐漸升高,當(dāng)表面溫度接近0 ℃ 時(shí),霜層表面部分區(qū)域霜晶體開始出現(xiàn)融化現(xiàn)象,融化生成的水滲入到霜層內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)成冰晶.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在結(jié)霜后期,霜層表面反復(fù)經(jīng)歷融化-凍結(jié)的循環(huán),融化和凍結(jié)使霜層的密度增大,熱阻減小,霜層變得越來越密實(shí),霜層表面逐漸趨于平坦,極限情況下霜層將逐漸變成冰.如圖3(k)、(l)所示,此時(shí),霜層生長(zhǎng)已經(jīng)較為穩(wěn)定,霜層的形態(tài)也基本保持不變,此時(shí)可以認(rèn)為霜層已經(jīng)充分生長(zhǎng).

(a) 0 s

(b) 113 s

(c) 180 s

(d) 203 s

(e) 205 s

(f) 412 s

(g) 430 s

(h) 600 s

(i) 1 000 s

(j) 2 400 s

(k) 3 000 s

(l) 3 600 s

2.2 冷表面結(jié)霜初始成核過程理論分析

根據(jù)相變動(dòng)力學(xué)理論,物質(zhì)發(fā)生相變的根本原因在于亞穩(wěn)相與穩(wěn)定相之間存在一種促使物質(zhì)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力,稱之為相變驅(qū)動(dòng)力.低溫表面初期冷凝液滴的形成就是在相變驅(qū)動(dòng)力的作用下,空氣中水蒸氣逐漸由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程.

圖4給出了冷表面周圍水蒸氣狀態(tài)變化圖.圖中點(diǎn)A表示濕空氣中水蒸氣的初始狀態(tài).從圖中可以看出,水蒸氣的初始狀態(tài)遠(yuǎn)離飽和線,此時(shí)水蒸氣分壓力pv遠(yuǎn)小于其溫度Ts所對(duì)應(yīng)的飽和壓力ps,此時(shí)水蒸氣處于未飽和狀態(tài).隨著水蒸氣逐漸靠近冷表面,濕空氣的溫度逐漸降低至水蒸氣飽和溫度Tsat,此過程中濕空氣中的水蒸氣相當(dāng)于經(jīng)歷了一個(gè)定壓降溫過程,水蒸氣從狀態(tài)點(diǎn)A逐漸變化達(dá)到飽和狀態(tài)點(diǎn)B.且隨著水蒸氣溫度的進(jìn)一步下降,水蒸氣狀態(tài)從點(diǎn)B變化到點(diǎn)C,此時(shí)空氣中水蒸氣的分壓力pv逐漸高于當(dāng)?shù)販囟萒c所對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力ps.水蒸氣逐漸處于過飽和狀態(tài),相變驅(qū)動(dòng)力f>0,此時(shí)的水蒸氣處于亞穩(wěn)定狀態(tài).水蒸氣可自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水,發(fā)生氣液相變后回到平衡態(tài),即回到溫度Tw對(duì)應(yīng)的飽和狀態(tài)點(diǎn)D.從圖4可以看出,水蒸氣過飽和程度的大小,或者說含濕量的變化Δωsub取決于CD段的長(zhǎng)度,而狀態(tài)點(diǎn)C主要取決于當(dāng)?shù)販囟?即冷表面溫度Tw.冷表面溫度越低,狀態(tài)點(diǎn)C的溫度越低,BC段的溫差越大,過冷度ΔTsub越大,CD段長(zhǎng)度越長(zhǎng),過飽和度越大,相應(yīng)的相變驅(qū)動(dòng)力越大,相變過程發(fā)生的可能性越大.

圖4 冷表面周圍水蒸氣成核狀態(tài)變化圖

在冷表面上過飽和水蒸氣的凝結(jié)過程中,冷表面溫度Tc越低,水蒸氣飽和分壓力ps越小.同時(shí),過飽和水蒸氣的分壓力pv又取決于主流濕空氣的含濕量,含濕量越大,則過飽和水蒸氣的分壓力pv越大,相應(yīng)的過飽和度越大,過飽和壓力比pv/ps越大,相變驅(qū)動(dòng)力f越大.因此,冷面溫度越低,空氣含濕量越大,水蒸氣過飽和度越大,過飽和壓力比就越大,相變驅(qū)動(dòng)力也就越大,相變過程越容易發(fā)生,冷表面結(jié)霜初始階段冷凝液滴越容易出現(xiàn).

根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論,生成臨界液核所需系統(tǒng)吉布斯自由能的變化稱為生成液相的相變能障.形成球冠狀液核的相變能障表達(dá)式為[14-15]

(1)

(2)

對(duì)ΔG求關(guān)于半徑r的極值

(3)

可得成核臨界半徑[15]

(4)

由式(4)可知,只有活化液核R>rc,冷凝液滴才會(huì)形成.

根據(jù)式(4)和式(1),可得達(dá)到臨界半徑rc所對(duì)應(yīng)的吉布斯自由能的變化為

(5)

由式(5)可知,ΔG*的大小和表面接觸角有關(guān).圖5給出了f(θ)隨表面接觸角變化的曲線.從圖中可以看出,表面接觸角θ越大,f(θ)越大,水蒸氣在冷表面發(fā)生氣液相變達(dá)到臨界半徑所對(duì)應(yīng)的吉布斯自由能的變化ΔG*越大,成核壁壘越高,成核難度越大,冷凝液滴越難形成.

圖5 表面接觸角和f(θ)的關(guān)系

2.3 冷表面結(jié)霜生長(zhǎng)過程特點(diǎn)分析

2.3.1 霜枝倒伏現(xiàn)象

圖6給出了冷表面霜層生長(zhǎng)過程中霜枝倒伏過程圖.從圖中可以看出,霜枝在快速生長(zhǎng)過程中突然出現(xiàn)斷裂、倒伏現(xiàn)象.如圖6(b)、(c)所示,在297～298 s的1 s時(shí)間內(nèi),B霜枝瞬間倒伏,同樣的現(xiàn)象還出現(xiàn)在圖6(e)、(f)A霜枝演化過程中.隨著霜枝高度進(jìn)一步增長(zhǎng),霜枝質(zhì)量進(jìn)一步增大,霜枝根部無(wú)法有效支撐霜枝本身的重量,霜枝在最脆弱的根部斷裂,從而出現(xiàn)霜枝倒伏現(xiàn)象.顯然,霜枝倒伏現(xiàn)象的發(fā)生增加了霜層生長(zhǎng)階段結(jié)霜的復(fù)雜性,對(duì)抑霜、除霜不利.

2.3.2 霜晶消融現(xiàn)象

對(duì)冷表面霜層生長(zhǎng)的微觀可視化觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在霜層生長(zhǎng)階段,霜晶在高度方向快速生長(zhǎng),存在霜枝倒伏現(xiàn)象的同時(shí),局部霜層還存在奇特的霜晶消融現(xiàn)象.圖7給出了霜層生長(zhǎng)過程中局部霜晶消融演變過程圖.由圖可知,霜晶頂部深入濕空氣中且不斷生長(zhǎng),說明霜晶表面溫度低于0 ℃,而霜晶的根部更靠近冷表面,因此,底部溫度應(yīng)低于霜晶頂部的溫度,即底部溫度應(yīng)該遠(yuǎn)低于水的三相點(diǎn)溫度.但在幾百微米區(qū)域內(nèi),同時(shí)發(fā)生截然相反的2種相變過程,即同一霜晶頂部的凝華生長(zhǎng)以及底部的升華消融,且霜晶的升華消融過程并沒有從溫度相對(duì)較高的霜晶頂部開始,而是從溫度較低的霜晶根部開始,說明發(fā)生相變的原因不僅是溫度.根據(jù)相變動(dòng)力學(xué)理論,影響相變方向的根本原因在于濕空氣中水蒸氣的過飽和度,而霜晶體表面溫度和當(dāng)?shù)厮魵夥謮毫捎绊懰魵膺^飽和度.因此,水蒸氣凝華相變過程的發(fā)生是霜晶體表面溫度以及局部水蒸氣分壓力綜合作用的結(jié)果.

(a) 180 s

(b) 297 s

(c) 298 s

(d) 360 s

(e) 393 s

(f) 394 s

(a) 1 380 s

(b) 1 440 s

(c) 1 500 s

(d) 1 560 s

(e) 1 620 s

(f) 1 680 s

2.3.3 冷表面不同位置霜晶高度變化

為了定量描述霜層生長(zhǎng)過程中結(jié)霜生長(zhǎng)階段冷表面不同位置霜晶高度演化規(guī)律,隨機(jī)選取了冷表面A,B,C三個(gè)不同位置(見圖8),對(duì)霜晶生長(zhǎng)高度變化進(jìn)行了研究.

圖8 冷表面霜高測(cè)量位置

圖9給出了冷表面不同位置霜晶高度隨時(shí)間的變化規(guī)律.從圖中可以看出,在霜層生長(zhǎng)階段的初期,同一時(shí)間冷表面不同位置的霜晶高度并不相同.當(dāng)結(jié)霜時(shí)間為900 s時(shí),冷表面A,B,C三個(gè)位置點(diǎn)的霜晶高度分別為0.57,0.64以及0.83 mm,霜晶的高度存在較大差異.冷表面不同位置處霜晶生長(zhǎng)不均勻,形成凹凸不平的霜層.這是因?yàn)樗w首先形成在凍結(jié)液滴表面,凍結(jié)液滴的大小不同,使得霜層-濕空氣界面呈現(xiàn)凸面、平面和凹面等不同狀況,造成冷表面各位置表面曲率不同,引起局部各點(diǎn)溫度不同,從而使得各位置對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓也不同.同時(shí)外部水蒸氣在向冷表面定向遷移的過程中,不同位置的表面溫度以及水蒸氣濃度必然存在差異,從而引起水蒸氣過飽和度的不同,使得冷表面不同位置處的霜晶生長(zhǎng)速度不同.雖然冷表面不同位置霜晶生長(zhǎng)速度存在差異,甚至?xí)霈F(xiàn)霜晶消融引起局部霜晶高度突然下降的現(xiàn)象，但隨著時(shí)間的推移,冷表面不同位置霜晶總體呈上升趨勢(shì),且隨著霜層生長(zhǎng)過程的進(jìn)一步深入,冷表面不同位置霜晶高度逐漸趨于一致,當(dāng)結(jié)霜時(shí)間大約2 400 s時(shí),A,B,C三個(gè)位置處霜晶高度已基本相同.

圖9 冷表面不同位置霜晶高度變化

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)冷表面霜層生長(zhǎng)行為以及霜晶演化規(guī)律進(jìn)行了可視化觀測(cè),得到了冷表面霜層生長(zhǎng)的完整過程,獲得了結(jié)霜生長(zhǎng)過程不同時(shí)期的霜晶演化特征,對(duì)冷表面結(jié)霜生長(zhǎng)過程各階段的主要特點(diǎn)進(jìn)行了探討.研究結(jié)果表明:給定溫度條件下,濕空氣中水蒸氣過飽和度越大,相變驅(qū)動(dòng)力越大,發(fā)生氣液相變形成活化液核的可能性越大.冷表面霜層生長(zhǎng)階段不同位置霜晶呈現(xiàn)不均勻生長(zhǎng),局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融現(xiàn)象.隨著時(shí)間的推移,冷表面不同位置霜晶生長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì).根據(jù)冷表面結(jié)霜生長(zhǎng)過程不同階段特點(diǎn)可知,結(jié)霜初期抑制初始液核和冰核的形成或有效脫除作為霜晶生長(zhǎng)基底的凍結(jié)液滴,可達(dá)到有效除霜的目的,為抑霜/除霜策略的制定提供參考.

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Visualization observation of frost crystal evolution on cold surface

Li Dong1Chen Zhenqian2Wang Xin1Zhao Xiaobao1

(1Engineering Laboratory of Energy System Process Conversion and Emission Reduction Technology of Jiangsu Province, Nanjing Normal University,Nanjing 210042, China) (2School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Microscopic visualization of frost layer growth process on cold surface was conducted and frost crystal evolution characteristics in different frost growth periods were observed. In addition, the initial droplet nucleation process on the cold surface was analyzed based on the theory of phase transformation kinetics. The experimental results show that the frost crystals at different positions of the cold surface grow unevenly during the frost layer growth stage and frost branch fracture and frost crystal melting phenomena can be locally seen. It is also found that the frost crystal at different positions gradually tends to be uniform with the time evolution. The study results indicate that the phase transformation driving force increases with the increase of the water vapor supersaturation degree of moist air, thus leading to the increase of the possibility of vapour-liquid phase change and the activate liquid core formation on the surface with lower temperatures. The combined effect on the frost crystal surface temperature and the local water vapor partial pressure is an important reason for the frost crystal melting.

frost crystal growth; microscopic visualization; phase transformation driving force; frost crystal melting;frost branch fracture

第47卷第1期2017年1月 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．015

2016-07-08. 作者簡(jiǎn)介: 李棟(1985—)，男，博士，講師；陳振乾(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，zqchen@seu.edu.cn.

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK20150979)、江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(15KJB470009)、南京師范大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2015112XGQ0102).

李棟，陳振乾，王鑫,等.冷表面霜晶演化的微觀可視化觀測(cè)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(1):79-84.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.015.

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1001-0505(2017)01-0079-06