鋁基超疏水表面凝露初期的實驗研究

武衛(wèi)東，呂婉豆，汪德龍

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

鋁基超疏水表面凝露初期的實驗研究

武衛(wèi)東*，呂婉豆，汪德龍

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本文以鋁基體超疏水表面為研究對象，分別基于5 ℃、10 ℃和15 ℃的基底溫度，利用高速動態(tài)記錄儀觀測了表面凝露初期階段液滴的生成及凝并過程，并通過圖片像素計算了液滴直徑，進行了相應的疏水性能評價。結果表明：在實驗基底溫度范圍內，超疏水表面凝露初期，凝結液滴分布稀疏，不形成連續(xù)水膜，具有良好的疏水性能；隨著基底溫度的降低，液滴生成速度加快、數量增多，且基底溫度越低的表面越早出現液滴的凝并，凝并+后液滴趨于擁有自驅離能力，最終形成新的干表面從而保持良好疏水性能。研究結果可為超疏水性能輻射板及其表面溫度工況的優(yōu)化選擇提供一定的參考。

超疏水表面；鋁合金；凝露；輻射板

0 引言

結露問題一定程度上阻礙著輻射供冷系統的廣泛應用[1-4]。為了解決這一問題，充分發(fā)揮輻射供冷在節(jié)能效果和舒適性方面的優(yōu)勢，多年來，大批學者做了相關工作。目前為止，這些研究[5-9]主要集中在兩類方法：一是通過降低房間內空氣的濕度，使其露點降低，從而減少凝露的產生；二是通過改變輻射板表面的溫度、材料等因素實現防凝露。

針對第一類方法，ZHANG等[10]在高溫高濕的工況下，先啟動房間的送風系統，使其運行1 h以上，待房間濕度下降后，關閉門窗以防止室外空氣侵入，再開啟輻射制冷系統，這一舉措有效避免了輻射板的結露。李先中等[11]在地板輻射供冷系統中，附加了置換通風設備，以引入干燥新風，將室內相對濕度控制在45%～55%，有效防止了輻射板的凝露，該復合系統需增設額外的自控裝置。MUMMA[12]提出采用DOAS（Dedicated Outdoor Air System）的調節(jié)方法來解決結露問題，輻射供冷系統與獨立新風系統配合使用時，輻射供冷系統用來平衡室內的顯熱負荷，獨立新風系統平衡剩下的顯熱負荷和濕負荷，能部分抑制凝露的生成，但系統的初投資較大，能耗較大。由此可見，采取上述這些方法減少凝露，存在著系統不易操作或成本較高等問題。

針對第二類方法，基于輻射板表面溫度，楊芳等[13]將輻射供冷的回水與進水相互混合，提高了輻射板表面的溫度，此時表面雖不能結露，但房間的溫濕度控制精度低，房間的冷量不足。基于表面結構，殷平等[14]利用超疏水表面作輻射面板，其實驗結果表明，在實驗工況下，輻射板的表面凝露量較少，但作者對超疏水表面凝露產生的微觀機理沒有做出充分的論述。在對超疏水表面特性及其機理的深入研究中，李會娟等[15]利用一步變電壓電化學陽極氧化法在鋁的表面制備了納米級超疏水表面，其表面孔徑為120 nm左右，孔間距為160 nm，測得接觸角大于160°，滾動角接近0°。實驗結果表明，在高濕度條件下，該表面上的凝露時間明顯延長，且輕微外力作用可使凝結水滑落表面，但作者缺少對超疏水表面凝露初期液滴形態(tài)變化的研究。HUANG等[16]采用溶液浸泡法，經氟化物修飾后在銅表面制備了微納復合氧化銅結構。在冷表面溫度為7 ℃、空氣溫度為27 ℃、相對濕度為46%的條件下，對比了超疏水表面與普通銅表面抗凝露效果。實驗表明，在超疏水表面凝結的水滴呈現完美的球形，且其尺寸較小也更分散，但此研究缺少不同工況的對比。

綜上所述，輻射板采用超疏水表面，省卻了復雜的系統，延長了凝露時間，并具有利于液滴滑落的表面性能，是應對凝露問題的一個重要選擇，但前人對凝露初期液滴的幾何形態(tài)缺少定量研究，而初期階段凝露的形態(tài)特征是分析輻射板表面結構、運行工況合理性的重要因素。本文選取了通過化學刻蝕結合噴涂超疏水涂料的方法制備出的鋁基體超疏水表面，利用高速動態(tài)記錄儀觀測了鋁基超疏水表面凝露初期液滴的凝結和凝并過程，分析了基底溫度對凝結液滴幾何尺寸和行為形態(tài)的影響，旨在為解決輻射供冷結露問題提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 實驗器材

本實驗所用的器材主要有：型號為XH-C1206的半導體制冷片（用于控制實驗表面的基底溫度）；型號為DC-1006的高精度低溫恒溫槽，溫度范圍-10 ℃～100 ℃，精度0.5 ℃，用于半導體制冷片熱端散熱；銅-康銅（T型）熱電偶，測溫范圍為-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃，用于測量實驗表面基底溫度；型號為HS300214的高速動態(tài)記錄儀，拍攝速度1,000幀/s。

1.2 實驗過程

實驗在環(huán)境室中進行，如圖1所示。環(huán)境室主要的裝置有：空氣調節(jié)處理柜、制冷系統、加熱加濕系統和電氣控制系統。其溫度的調節(jié)范圍為-20 ℃～60 ℃，控制精度為±0.2 ℃；相對濕度的控制范圍為30%～95%，控制精度為±2%。

圖1 環(huán)境室示意圖

圖2為實驗觀測系統實物圖。設定并使環(huán)境溫濕度達到要求，再待基底溫度達到實驗所需溫度，將被測樣品（未經處理的裸鋁表面和已制備的鋁基超疏水表面）放置在半導體制冷片表面；為了防止實驗開始前濕度對實驗過程的影響，實驗前在樣品表面上放置塑料薄膜，在高速動態(tài)記錄儀開始拍攝時，將塑料薄膜移除，利用高速動態(tài)記錄儀（幀頻為1,000 ftp）觀測整個實驗過程液滴形態(tài)變化。

圖2 實驗觀測系統實物圖

1.3 誤差分析

實驗中，可能存在著各種各樣的誤差，這里主要分析圖像處理過程凝結液滴直徑測量存在的誤差。

凝結液滴的平均直徑是通過統計圖片中液滴的像素值得到的，在這個過程中不可避免存在一些誤差。實驗中通過鋼尺1 mm的像素值來換算液滴的平均直徑，在實驗所采用的放大倍數下，放大后，鋼尺1 mm包含810個像素點，在進行圖像處理時，像素邊界上有一定的誤差，兩端不超過20個像素，可以得到此時像素邊緣引起的誤差為：

式中：

δd1——試樣邊界處像素誤差，個；

d1——試樣所包含的像素點，個。

實驗中凝露液滴直徑主要集中在0.0377 mm～0.5211 mm，取液滴最小值0.0377 mm時，最小刻度值為0.0012 mm（1個像素點的長度值），那么測量的誤差為：

式中：

δd2——凝露液滴直徑測量誤差，mm；

d2——液滴直徑測量最小值，mm。

則液滴直徑值的最大相對測量誤差為：

2 實驗結果及討論

本實驗中，控制環(huán)境室溫度為30 ℃、相對濕度為60%，用顯微鏡觀測基底溫度為10 ℃時普通裸鋁表面以及基底溫度分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃時超疏水表面的液滴凝結過程。圖3列出0 s、300 s和500 s時刻裸鋁表面的凝露圖像，圖4列出0 s、300 s和500 s時刻不同基底溫度下超疏水表面凝結液滴圖像，圖4中左中右圖分別為基底溫度為15 ℃、10 ℃和5 ℃時表面液滴凝結圖像，圖中銀白色為普通裸鋁表面紋路，灰黑色為超疏水涂料顆粒，白色圓形是凝結液滴，部分液滴在圖中用黃圈標出。拍攝的圖片中，實際長度1 mm包含810個像素點，再通過圖片中凝結液滴的像素可計算出液滴的直徑，選取不同時刻10個凝結液滴，計算各直徑的平均值，結果總結于圖5。

由圖3中不同時刻普通裸鋁表面凝露微觀圖可以看出，在凝露初始0 s時刻遍布紋理和裸露的高能鋁表面，凝露300 s后普通表面上已形成分塊的連續(xù)水膜，凝露500 s后的水膜已連成一片滯留在表面上。

圖3 普通裸鋁表面在不同時刻的凝露圖

圖4(a)～4(c)分別為超疏水表面在凝露0 s、300 s和500 s時刻各自取15 ℃、10 ℃和5 ℃基底溫度下的微觀圖。與圖3中的形貌相比，圖4各形貌圖中均未出現連續(xù)水膜。由圖4(a)可以看出，超疏水表面分布著大大小小的溝壑，微小尺寸的粗糙結構遍布在鋁基體表面上。

從圖4(b)可以看到，基底溫度為15 ℃時，超疏水表面上只有很少量的凝結液滴，液滴的直徑非常小，且其大小比較一致，液滴之間的距離較大，分布不均勻；當基底溫度降到10 ℃時，水滴的直徑有所增加；經測算，此時液滴的平均直徑約為0.0398 mm，液滴的分布仍舊比較稀疏，相對于15 ℃基底溫度情況，液滴的數量有一定增加；當基底溫度進一步降到5 ℃時，液滴的平均直徑增大到約為0.0453 mm，最大液滴直徑約為0.0542 mm；相比前兩種情況，液滴的數量明顯增多，生長速度加快，超疏水表面上凝結水的覆蓋面積也明顯增大，且液滴基本以近似球形狀態(tài)呈現，表現出良好的疏水性能。

圖4 超疏水表面在不同時刻不同基底溫度下液滴凝結圖

隨著凝露過程的進行，超疏水表面上液滴的尺寸增大越來越明顯，如圖4(c)所示?；诇囟葹?5 ℃，凝露進行到500 s時，與300 s工況相比，超疏水表面上凝結液滴數量大幅度增加，液滴的平均直徑由0.0330 mm增加到0.0640 mm，凝結水的覆蓋面積明顯增加。10 ℃時，經過500 s的液滴冷凝，超疏水表面冷凝液滴平均直徑從0.0398 mm增加到0.0702 mm；液滴的直徑大小不一，相對較密集地分布在超疏水表面。當基底溫度值為5 ℃時，經過500 s冷凝后，冷凝的液滴發(fā)生凝并，液滴平均直徑明顯增大，由0.0453 mm增加到0.0758 mm，液滴最大直徑達到0.0813 mm。凝并后使得原先被凝結水覆蓋的區(qū)域變得“干”起來并保持良好的疏水性能，在這些區(qū)域上空氣中的水蒸氣，重新成核生成非常小的液滴，進入新一輪的凝結、凝并過程。

圖5為超疏水表面在環(huán)境溫度為30 ℃、相對濕度為60%工況下，基底溫度分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃時，凝結液滴平均直徑隨著凝露時間的變化圖。圖中標示出了每個凝結液滴直徑測量的標準差。由圖5可以直觀看出，不同基底溫度下凝露液滴平均直徑均隨時間的推移增大；而在同一時刻，基底溫度越低，超疏水表面上凝結液滴的平均直徑越大。這是因為在相同環(huán)境溫濕度工況下，冷表面基底的溫度越低，該條件下空氣露點溫度與之形成的溫差越大，空氣中液滴凝結成核所需要克服的成核能壘[17]越小，從而有更多的液滴凝結在冷表面上，也因為凝結液滴的數量增多，彼此間隔減少，更易于凝并現象的發(fā)生。凝并后的液滴可釋放過剩的表面能，有實現微液滴自驅離的趨勢[18]。

圖5 不同基底溫度下冷凝液滴平均直徑隨時間變化圖

3 結論

在超疏水表面凝露初期，控制環(huán)境空氣參數干球溫度30 ℃和相對濕度60%不變，選擇5 ℃、10 ℃和15 ℃這3個不同的基底溫度，分別對鋁基超疏水表面上0 s、300 s和500 s時刻的凝露形態(tài)進行了觀測，并與10 ℃基底溫度的普通裸鋁表面凝露情況進行了對比。結果表明，不同于在裸鋁表面上形成的連續(xù)水膜，在超疏水表面上凝露液滴形成后稀疏地分布于表面，凝結水滴呈現出球狀不形成連續(xù)水膜，這說明該超疏水表面在凝露初期保持著良好的疏水性能，有利于液滴的滑落；另外，隨著基底溫度的降低，超疏水表面液滴生成速度加快，凝露量增多，液滴尺寸呈現增大；具有較低基底溫度的超疏水表面更早出現了液滴凝并的現象，增加了表面凝露更快實現自驅離的可能。因此，在滿足供冷效果的溫度范圍內，較高的輻射板基底溫度可更有效地延緩凝露尺寸和數量的增長，而較低的基底溫度則可能實現更快速的排濕、換熱，可根據實際需要合理選擇。

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Experimental Study on Initial Morphology of Condensation on Aluminum Based Super-hydrophobic Surface

WU Weidong*, LWandou , WANG Delong
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on super-hydrophobic surfaces of aluminum substrate at three different substrate temperatures of 5oC, 10oC and 15oC, the droplet formation and coagulation process on the surfaces at early condensation stage were observed by a high-speed dynamic recorder. The diameter of droplets was calculated according to the pixel, and the hydrophobic properties were evaluated correspondingly. Experimental results show that, at early condensation stage on the super-hydrophobic surface, the condensate droplets distribute sparsely, not forming a continuous film of water, and the surface exhibits good hydrophobic properties within the studied substrate temperatures; the droplet formation rate is accelerated and the number of droplets is increasing with the decrease of substrate temperature; moreover, the droplet coagulation occurs earlier on the surface with lower substrate temperature, and the coagulated droplets tend to possess the ability of self-propelling, leading to forming the new dry surfaces and maintaining good hydrophobic properties. The research results may provide a reference for the optimal selection of super-hydrophobic radiation plate and surface temperature conditions.

Super-hydrophobic surface; Aluminum alloy; Condensation; Radiation plate

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.103

*武衛(wèi)東（1973-），男，教授，博士。研究方向：制冷新技術。聯系地址：上海市軍工路516號動力學院一辦317，郵編：200093。聯系電話：13917527018。E-mail：ussstwwd@163.com。

本論文選自2016年第九屆全國制冷空調新技術研討會。