不同壓力下豎直深冷表面結(jié)霜現(xiàn)象實驗研究

郭芹良，郄殿福，王 晶，尚永紅，王洪興，許冬彥

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100094；3.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

0 引言

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于自然界和低溫、制冷、航空航天等工程領(lǐng)域。當(dāng)冷表面溫度低于對應(yīng)水蒸氣分壓下的冰點溫度時，水蒸氣將會在冷表面凝華成霜。目前載人航天器尚未全部實現(xiàn)閉環(huán)水循環(huán)，在軌運行時會向空間排放一定量的水，而且航天服水升華器也會釋放一定量的水蒸氣。這些圍繞在航天器周圍的稀薄水蒸氣有可能在航天器低溫表面凝華成霜，影響航天器性能，如在散熱面凝華會影響航天器熱控性能，在光學(xué)相機表面凝華會影響光學(xué)性能，在機構(gòu)關(guān)節(jié)凝華則會影響機構(gòu)運動。航天器環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)部不可避免地存在一定量的水蒸氣，因此航天器地面模擬試驗時水蒸氣遇到低溫表面也會產(chǎn)生凝華結(jié)霜現(xiàn)象；如果霜層形成在試驗件的關(guān)鍵表面，將會影響試驗件的原有性能，導(dǎo)致試驗結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至是整個試驗的失效。

目前，對常壓、普冷條件下的結(jié)霜現(xiàn)象研究較多，霜層表面與濕空氣之間的傳熱、傳質(zhì)機理已比較明確[1]。Hayashi等人[2]根據(jù)霜層的生長過程特點將霜層生長階段劃為霜晶生長期、霜層生長期和霜層充分生長期3個階段。吳曉敏等[3-4]、李棟等[5]發(fā)現(xiàn)冷表面上的結(jié)霜過程經(jīng)歷了水珠生成、長大、凍結(jié)，初始霜晶生成及其成長、老化等過程。但當(dāng)冷表面溫度降低到-38 ℃時，濕空氣在冷表面上直接析霜，即直接發(fā)生氣固相變，而并未觀察到結(jié)露現(xiàn)象[6]。在深冷條件下，冷板表面溫度是影響結(jié)霜機理的根本性因素，霜層的生長過程受外邊界層理論控制[7]。姚淑婷、安彭軍等[8-9]分析了深冷結(jié)霜工況下豎直冷板附近的濕空氣流動狀態(tài)，認為濕空氣在豎直平板附近自下而上進行主流動，其他方向的濕空氣匯入到主流動中。利用計盒法對霜層圖像進行分形分析，發(fā)現(xiàn)霜層的分形維數(shù)逐漸變大，意味著霜層充滿空間的能力逐漸變強。

由于常壓下凝華成霜的機理和物性參數(shù)與真空低溫條件下的差異很大，上述相關(guān)研究所得的結(jié)霜機理無法直接用于真空深冷環(huán)境下的凝華過程分析；對于深冷條件下的結(jié)霜現(xiàn)象研究較少，缺乏霜層生長過程和霜層形貌的詳細信息，更未見到對于低氣壓、深冷條件下霜層生長過程和霜層形貌的相關(guān)研究報道。Moeller等[10]針對空間環(huán)境模擬器內(nèi)的結(jié)霜問題，設(shè)計了一套用于監(jiān)視結(jié)霜過程的裝置，觀察發(fā)現(xiàn)，真空度維持在10-5Pa時，結(jié)霜溫度范圍為 30～65 K，霜層最大厚度僅為 45 μm，但是未對霜層的形貌進行描述。

實驗研究在現(xiàn)階段仍然是觀察分析結(jié)霜過程的重要手段，因此，本文建立了結(jié)霜可視化實驗裝置，針對深冷表面的結(jié)霜現(xiàn)象，研究不同壓力條件下霜層的微觀形貌和生長過程，并進行對比分析。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

為觀察分析不同壓力條件下，深冷表面結(jié)霜過程和霜層形貌特征，需首先營造結(jié)霜環(huán)境條件，然后采用合適的觀察手段進行分析。本文搭建的冷表面結(jié)霜可視化實驗裝置由低溫系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成（如圖1所示）。其中，低溫系統(tǒng)和真空系統(tǒng)用于控制結(jié)霜環(huán)境條件，包括冷表面溫度和真空度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄冷表面的溫度、真空度；圖像采集系統(tǒng)用于記錄和分析霜層形貌及其生長過程的圖像信息。

圖1 可視化實驗系統(tǒng)簡圖Fig.1 Visualization experiment system

低溫系統(tǒng)由液氮冷盒和加熱片組成，液氮在冷盒內(nèi)充分換熱以降低銅塊的溫度，冷盒的四周粘貼加熱片，通過PID控制器調(diào)節(jié)液氮流量和加熱片功率，可將冷表面溫度控制在-180～0 ℃的范圍內(nèi)，溫度的波動度為±0.2 ℃。真空容器由304#不銹鋼底座和石英玻璃鐘罩組成，二者之間通過壓緊法蘭連接。真空容器的有效尺寸為φ380mm×800mm，石英玻璃有良好的光透性，并且可以承受相當(dāng)大的壓力，便于在真空罐外使用顯微攝像進行觀察。真空獲得系統(tǒng)由干泵和分子泵組成，極限真空度為5×10-4Pa。結(jié)霜表面為豎直放置的冷盒拋光外表面，冷盒的材料為紫銅，尺寸為 40mm×40mm×20mm，表面粘貼Pt-100型鉑電阻測量冷表面溫度，冷盒的四周包裹10mm厚的聚四氟隔熱板。結(jié)霜過程由顯微攝像系統(tǒng)記錄，從平行于冷板表面的方向拍攝記錄霜層厚度的變化，從垂直于冷板表面的方向拍攝觀測結(jié)霜初期霜層的形貌特征，顯微鏡的放大倍數(shù)由放置于視野內(nèi)的刻度尺標(biāo)定。圖像采集系統(tǒng)由計算機、系統(tǒng)顯示器、圖像采集卡、體視顯微鏡、CCD相機和系統(tǒng)軟件等構(gòu)成。本實驗采用博鴻光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的體視顯微鏡對結(jié)霜過程進行放大觀測（光學(xué)放大倍數(shù)可以達到4.5倍），并采用冷光源照明。濕空氣的溫度和濕度由溫濕度傳感器測量，整個實驗在溫、濕度比較恒定的房間進行，不考慮室內(nèi)空氣溫濕度對實驗結(jié)果的影響。

1.2 實驗方法

實驗開始前用酒精和脫脂紗布清洗結(jié)霜表面，調(diào)整相機參數(shù)，相機記錄冷板表面初始狀態(tài)，用刻度尺對顯微攝像放大倍數(shù)進行標(biāo)定，相機每30 s進行一次圖像采集。

實驗分為2部分：

1）常壓環(huán)境下深冷表面的結(jié)霜實驗。實驗開始前用保鮮膜包裹實驗表面，當(dāng)冷表面溫度達到預(yù)定溫度后，去除保鮮膜開始實驗。實驗過程中冷表面溫度保持不變，實驗持續(xù)180 min。

2）真空環(huán)境下深冷表面的結(jié)霜實驗。打開真空系統(tǒng)，使真空度達到0.5 Pa后打開低溫系統(tǒng)對冷表面進行預(yù)冷。當(dāng)冷表面溫度達到預(yù)定溫度后，開啟真空系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門控制真空度，待真空度穩(wěn)定維持在 250 Pa 后開始實驗，實驗持續(xù) 180 min。

2 結(jié)果及討論

2.1 常壓深冷條件下結(jié)霜過程

常壓條件下（冷表面溫度-180 ℃，空氣溫度15.8 ℃、相對濕度11%）豎直冷表面的霜層生長過程可以分為3個階段。圖2為結(jié)霜過程第1階段的典型圖像，其中，圖2(a)為實驗開始前冷表面的狀態(tài)。實驗開始后，冷表面溫度逐漸下降，t=6 min時，冷板表面開始出現(xiàn)白色的霜層顆粒，顆粒的直徑很小（見圖2(b)）；隨后霜層顆粒數(shù)目逐漸增多，直徑也逐漸增大（見圖2(c)）；t=20 min 時，顆粒狀的霜層如圖2(d)所示。在實驗開始后的前20 min內(nèi)，顯微鏡觀測區(qū)域未發(fā)現(xiàn)晶核。圖2(e)為t=15 min時全部冷表面霜層的晶核分布情況，可以看出，在冷板的邊緣以及涂有硅橡膠的表面晶核顯著多于其他部位的，霜晶的分布極不均勻。初始晶核在冷板表面分布不均勻的原因可能與冷板周圍的水蒸氣流動狀態(tài)和冷板表面的粗糙度有關(guān)，分布的機理有待進一步研究。

圖2 常壓條件下結(jié)霜初始階段Fig.2 Primary stage of frosting under atmospheric pressure

初始晶核形成之后，霜層進入第2生長階段（如圖3所示）。此階段霜晶生長過程表現(xiàn)為沿平行和垂直于冷板表面2個方向生長。沿平行于冷板表面方向，t=22 min時，向下生長的霜晶開始進入顯微鏡的視野；t=39 min時，晶體鋪滿整個視野。由此計算出霜層向下生長的速度約為0.3mm/min。霜層沿平行于冷板表面方向的生長速度明顯大于垂直于冷板表面方向的生長速度。

在微觀形貌上，霜晶呈現(xiàn)羽毛狀晶體結(jié)構(gòu)特征，微觀上向四周輻射型生長，但由于受到重力等因素的影響，枝晶會向豎直方向收攏，宏觀上表現(xiàn)為霜層沿平行于冷板表面方向快速向下生長。此時的霜晶結(jié)構(gòu)蓬松，易去除。t=140 min時，羽毛狀的霜層鋪滿整個冷板表面。

圖3 霜晶沿平行于冷板表面方向的生長過程Fig.3 Frost grows down the cold plate

當(dāng)霜層向下生長鋪滿整個冷板表面以后，霜層生長進入第3個階段，呈現(xiàn)均勻生長態(tài)勢。此階段冷板表面均有霜晶存在，枝晶從晶核向周圍擴散生長，枝晶之間相互交錯，此時的霜層較第2階段的更厚更致密，整個冷板表面霜層分布均勻。結(jié)霜后期伴有霜層枝晶的融化現(xiàn)象。

總之，霜層的生長過程表現(xiàn)為：初始晶核形成過程；晶核沿冷板表面向下推移過程；推移的速度約為0.3mm/min；霜晶垂直于冷板表面的均勻生長過程。

常壓條件下的霜層微觀形貌分為2類，一類是附著在冷板表面的細小顆粒狀的霜層薄膜，另一類是有羽毛狀晶體特征的霜晶。前者薄而密，分布均勻，當(dāng)前觀測尺度下未發(fā)現(xiàn)固定形態(tài)，生長速度緩慢，與冷板表面貼合緊密，較難去除；后者蓬松，分布不均勻，生長速度快，與表面接觸面積小，易于去除。

2.2 真空環(huán)境下結(jié)霜過程

圖4為真空條件下（冷表面溫度-180 ℃，結(jié)霜真空度250 Pa）豎直冷板表面的結(jié)霜過程的代表性微細觀照片。其中，圖4(a)為實驗開始前潔凈的銅板表面。實驗開始后冷板表面溫度逐漸降低，t=5 min時，冷板表面生成一層明亮的霜層，霜層為白色粉末狀固體（見圖4(b)）；t=6 min 時，霜層覆蓋滿整個冷板表面（見圖4(c)）；隨后在霜層中零星出現(xiàn)微小的顆粒狀霜凸起，如圖4(d)中紅圈所示；t=32 min時，霜凸起的直徑大約是初始時刻的2倍（見圖4(e)），隨著實驗過程的推進，霜膜的厚度逐漸增加，凸起直徑也逐漸變大；當(dāng)t=66 min時，觀測到霜膜突然出現(xiàn)一條微小裂縫（見圖4(f)）。由圖可見，霜膜會嚴(yán)重降低銅板表面對光線的反射。

圖4 真空條件下結(jié)霜過程Fig.4 Frost growth in vacuum

圖5為霜層開裂時裂縫的變化情況：起初裂縫一直存在，且大小沒有顯著變化；t=160 min時，關(guān)閉真空和低溫系統(tǒng)后，冷板開始回溫，真空室開始復(fù)壓，圖5(c)～圖5(f)為回溫和復(fù)壓過程中霜層裂縫的變化過程?？梢钥闯?，在回溫和復(fù)壓過程中，霜層的裂縫迅速變大，且由于復(fù)壓過程帶來的水蒸氣影響，霜層明顯變厚。

圖5 霜層的開裂過程Fig.5 The cracking process of frost

在真空條件下，霜層生長緩慢，160 min內(nèi)霜層的厚度小于1.5mm。對比常壓下的結(jié)霜情況，在整個霜層生長周期內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)晶體態(tài)的霜層結(jié)構(gòu)；霜層在冷板上的分布更均勻、更致密，且更難去除；霜層在生長過程中發(fā)生開裂，并隨著冷板溫度以及真空室壓力的升高，裂縫逐漸變大，這可能是冷板溫度上升引起的熱膨脹導(dǎo)致的。

3 結(jié)束語

本文針對深冷表面的結(jié)霜現(xiàn)象，建立了豎直深冷表面結(jié)霜現(xiàn)象的可視化觀測實驗裝置，分別研究了常壓和真空條件下的結(jié)霜過程和霜層微觀形貌，可為后續(xù)進行真空條件下結(jié)霜機理的研究提供參考。但是對于觀測到的常壓條件下初始霜晶分布的趨邊緣性以及真空條件下霜層開裂現(xiàn)象的機理未作深入分析，今后仍需進一步研究。

[1]劉中良,黃玲艷,勾昱君,等.結(jié)霜現(xiàn)象及抑霜技術(shù)的研究進展[J].制冷學(xué)報,2010,31(4):1-6 LIU Z L,HUANG L Y,GOU Y J,et al.A review on frost formation and anti-frosting technology[J].Journal of Refrigeration,2010,31(4):1-6

[2]HAYASHI Y,AOKI A,ADACHI S,et al.Study of frost properties correlating with frost formation types[J].Journal of Heat Transfer,1977,99(2):239-245

[3]吳曉敏,王維城.冷表面結(jié)霜初始形態(tài)的理論分析[J].工程熱物理學(xué)報,2003,24(2):286-288 WU X M,WANG W C.Theoretical analysis of initial behavior of frost formed on a cold surface[J].Journal of Engineering Thermophysics,2003,24(2):286-288

[4]吳曉敏,單小豐,王維城,等.冷表面結(jié)霜的微細觀可視化研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,43(10):1437-1440 WU X M,SHAN X F,WANG W C.Meso-scale visual observation of frost formation on cold surfaces[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology,2003,43(10):1437-1440

[5]李棟,陳振乾,王鑫,等.冷表面霜晶演化的微觀可視化觀測[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(1):79-84 LI D,CHEN Z Q,WANG X,et al.Visualization observation of frost crystal evolution on cold surface[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2017,47(1):79-84

[6]李瑞霞,吳曉敏,王維城.鋁表面結(jié)霜現(xiàn)象實驗研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2005,4(4):0315-0318 LI R X,WU X M,WANG W C.Experimental study of frost phenomena on aluminum plate[J].Journal of Thermal Science and Technology,2005,4(4):0315-0318

[7]LI L Y,LIU Z L,LI Y X,et al.Frost deposition on a horizontal cryogenic surface in free convection[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2017,113:166-175

[8]姚淑婷,陳叔平,任金平,等.深冷工況下結(jié)霜傳熱分析[J].低溫工程,2013(6):15-20 YAO S T,CHEN S P,REN J P,et al.Heat transfer analysis of frosting under cryogenic condition[J].Cryogenics,2013(6):15-20

[9]安彭軍,謝福壽,陳叔平,等.自然對流深冷結(jié)霜工況下濕空氣流動狀態(tài)實驗分析[J].低溫工程,2012(4):30-33 AN P J,XIE F S,CHEN S P,et al.Experimental analysis of flow state for natural convection moist air under cryogenic frosting condition[J].Cryogenics,2012(4):30-33

[10]MOELLER T M,SMITH L M,COLLINS F G,et al.Measurement of the accumulation of water ice on optical components in cryogenic vacuum environments[J].Optical Engineering,2012,51(11):115601(1-8)