輻射空調(diào)鋁基親/疏水換熱表面凝露特性研究

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(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣東廣州510006；2.廣州大學(xué)廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東廣州510006)

0 引言

與傳統(tǒng)對(duì)流換熱為主的空調(diào)形式相比，輻射供冷在室內(nèi)熱舒適度、衛(wèi)生條件及能源消耗等方面有較大優(yōu)勢(shì)[1-6]，近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注，但輻射冷板表面凝露問(wèn)題制約了其工程應(yīng)用[7]。為此，許多研究人員針對(duì)輻射冷板表面凝露問(wèn)題開(kāi)展了研究工作，主要分為三類：一是輻射冷板表面溫度控制；二是露點(diǎn)溫度的控制；三是新技術(shù)、新材料的應(yīng)用[8-11]。

輻射冷板表面溫度控制主要是通過(guò)對(duì)管內(nèi)水溫和流量的控制，達(dá)到控制輻射冷板表面溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度以達(dá)到防止凝露的目的[12]，露點(diǎn)溫度控制主要是通過(guò)除濕設(shè)備承擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷，以達(dá)到輻射冷板防凝露的目的，該方法當(dāng)輻射冷板表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度而停止冷板冷凍水供應(yīng)，會(huì)造成室內(nèi)空氣參數(shù)波動(dòng)。采用新材料、新技術(shù)抑制輻射冷板表面結(jié)露、減緩凝露速度日益引起研究者的關(guān)注，其中輻射冷板采用疏水表面可以延遲凝露。但目前關(guān)于疏水表面對(duì)凝露的影響規(guī)律方面的研究并不完善，無(wú)法合理利用凝露變化規(guī)律達(dá)到防凝露的目標(biāo)[13]。

本文通過(guò)降低鋁基的表面能制備出疏水鋁基表面[14]，顯微觀測(cè)疏水鋁基表面凝露初期的液滴產(chǎn)生過(guò)程，分析了室內(nèi)溫濕度及鋁基表面接觸角對(duì)于液滴產(chǎn)生的影響，為抑制輻射冷板表面凝露提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用BLT1-20半導(dǎo)體低溫冷臺(tái)(控制鋁片表面溫度)，控溫范圍：室溫～-40 ℃，控溫精度：±1 ℃；低溫恒溫槽(半導(dǎo)體冷臺(tái)散熱)，型號(hào)THD-3006，溫度范圍：-30 ℃～100 ℃，溫度波動(dòng)：±0.05 ℃；體視顯微鏡(觀察鋁片表面凝露情況)，型號(hào)SMZ168-TL，放大倍數(shù)為60倍，Moticam ProCCD攝像頭，型號(hào)282A，傳感器ICX282AQ，分辨率2580 pt×1944 pt，與顯微鏡連接，通過(guò)視頻電纜將

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiments

圖像傳輸至計(jì)算機(jī)；溫濕度記錄儀(監(jiān)控人工環(huán)境室溫濕度),型號(hào)testo625，測(cè)量范圍：溫度-10 ℃～60 ℃、相對(duì)濕度(RH)0-100 %，精度：溫度±0.5 ℃、相對(duì)濕度(RH)±2.5 %；K型熱電偶(監(jiān)控鋁基表面溫度)，測(cè)溫范圍：-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃。

1.2 表面制備

將2塊8 mm×8 mm鋁片采用無(wú)水乙醇(CH3CH2OH)和去離子水(H2O)依次使用東森超聲波清洗機(jī)(DS-00S)超聲清洗處理20 min，然后用去離子水(H2O)沖洗5 min，并置于恒溫干燥箱中以溫度60 ℃恒溫干燥2 h，并標(biāo)記為1#試片、2#試片，1#試片不再處理，2#試片用放置于恒溫干燥箱以溫度60 ℃加熱融化為液體狀態(tài)的切片石蠟浸泡20 min,然后采用恒溫干燥箱以溫度10 ℃冷卻2 h, 然后把1#、2#試片放于培養(yǎng)皿中放置于溫度20 ℃環(huán)境中保存。

1.3 接觸角測(cè)試

使用光學(xué)視頻接觸角測(cè)試儀(DSA100，德國(guó)KRUSS公司)測(cè)試試片表面的靜態(tài)接觸角。

圖2為試片表面接觸角測(cè)試結(jié)果，1#試片表面接觸角為67.5 °，為親水表面。2#試片接觸角為112.2 °，為疏水表面[15]。

(a) 1#試片

(b) 2#試片

圖2 試片的接觸角
Fig.2 Contact Angle of the specimen

1.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

當(dāng)冷板正常工作,室內(nèi)空氣參數(shù)為26 ℃、50 %(相對(duì)濕度),無(wú)其他干擾因素，如人員的進(jìn)出、開(kāi)關(guān)門窗等，此時(shí)兩種試片表面沒(méi)有液滴產(chǎn)生。

當(dāng)冷板正常工作，室內(nèi)條件發(fā)生瞬變時(shí)，如突然進(jìn)來(lái)大量人員、門窗被完全打開(kāi)等引起室內(nèi)熱濕負(fù)荷突然增加，觀察冷板表面液滴形成情況。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置為：干球溫度為26 ℃,相對(duì)濕度從50 %分別增加到60 %、70 %、80 %。每種工況實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)間為1 h。

1.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在人工環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行，人工環(huán)境室溫濕度調(diào)節(jié)范圍：干球溫度(DB)15～40 ℃、濕球溫度(WB)12～25 ℃，控制精度：±0.1 ℃。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定人工環(huán)境室溫濕度參數(shù)，當(dāng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值并穩(wěn)定 15min，然后設(shè)定冷臺(tái)溫度，將試片放置于半導(dǎo)體冷臺(tái)表面，使試片達(dá)到所需溫度。為防止實(shí)驗(yàn)前環(huán)境溫濕度對(duì)于樣品的影響，實(shí)驗(yàn)前在樣品表面放置密閉罩，在顯微鏡開(kāi)始拍攝時(shí)將其移除，利用顯微鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程液滴的形成過(guò)程。

此次實(shí)驗(yàn)中，人工環(huán)境室內(nèi)溫度控制在26 ℃，試片表面溫度恒定為17 ℃時(shí)，依次調(diào)節(jié)相對(duì)濕度為50 %、60 %、70 %、80 %，觀察試片表面凝露過(guò)程。

1.6 誤差分析

由于液滴的數(shù)值是通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖片中的液滴的像素值得到的，所以統(tǒng)計(jì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差[16]。

實(shí)驗(yàn)中CCD攝像頭拍攝的圖片分辨率為320 pt×240 pt。圖像處理時(shí)采用1 pt為基準(zhǔn)，1 mm2包含40 000個(gè)像素點(diǎn)，圖像處理時(shí)，邊界有一定誤差，但不超過(guò)5個(gè)像素點(diǎn)，可以得到由于邊界所產(chǎn)生的誤差為：

(1)

式中：δa1為式樣邊界處像素誤差，個(gè)；a1—試樣所包含的像素點(diǎn)，個(gè)。

實(shí)驗(yàn)中液滴的面積主要集中在0.000 5 mm2以上 ，最小刻度值為0.000 025 mm2(1個(gè)像素點(diǎn)的面積值)，則測(cè)量誤差為：

(2)

式中：δa2為液滴直徑測(cè)量誤差，mm；a2為液滴直徑最小測(cè)量值，mm。

則液滴直徑值的最大相對(duì)誤差為：

(3)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 液滴形成過(guò)程

初始凝露時(shí)間是衡量表面防凝露效果的重要參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為26 ℃，當(dāng)相對(duì)濕度為50 %時(shí)，由于冷板表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度，1#試片、2#試片均未出凝結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)相對(duì)濕度為60 %時(shí)，1#試片表面5 min時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小液滴，2#試片表面15 min時(shí)出現(xiàn)細(xì)小液滴；當(dāng)相對(duì)濕度為70 %時(shí)，1#試片表面40 s時(shí)出現(xiàn)細(xì)小液滴，2#試片表面90 s時(shí)出現(xiàn)細(xì)小液滴；當(dāng)相對(duì)濕度為80 %時(shí)，1#試片表面20 s時(shí)出現(xiàn)細(xì)小液滴，2#試片表面60 s時(shí)出現(xiàn)細(xì)小液滴。可見(jiàn)，表面改性后的2#試片初始凝露時(shí)間明顯遲于1#試片。

2.2 液滴覆蓋

圖3是在不同相對(duì)濕度情況下，兩種試片凝露情況對(duì)比。顯微觀察區(qū)域?yàn)? 600 μm×1 200 μm。

圖3 不同相對(duì)濕度下試片的凝露過(guò)程
Fig.3 Condensation process of the specimen under different relative humidity

從圖3中可以看出，在5 min、10 min、20 min、30 min、60 min的各時(shí)間點(diǎn)，不同相對(duì)濕度(60 %、70 %、80 %)條件下，1#試片的液滴大小與2#試片不同，同時(shí)，1#試片的液滴覆蓋率與2#試片也不相同。利用軟件Motic Images Plus2.0對(duì)顯微圖片進(jìn)行數(shù)值化分析得到表面液滴覆蓋率。

圖4反映了1#、2#試片表面液滴覆蓋率隨時(shí)間變化過(guò)程，通過(guò)對(duì)比可以看出，在某相對(duì)濕度條件下，不同時(shí)刻，1#試片表面的液滴覆蓋率高于2#試片，特別是在相對(duì)濕度為80 %時(shí)，30 min以后1#試片表面液滴覆蓋率比2#試片高10 %以上，反映出2#試片較1#試片具有明顯的抑制凝露效果。

圖4 不同相對(duì)濕度液滴覆蓋率Fig.4 Droplet coverage with different relative humidity

通過(guò)對(duì)比1#試片、2#試片在不同相對(duì)濕度(60 %、70 %、80 %)情況下的表面液滴覆蓋率，可以看出，在各時(shí)間段，隨著相對(duì)濕度的增大，1#、2#試片表面液滴覆蓋率差別逐漸增大，說(shuō)明隨著相對(duì)濕度的增加，2#試片較1#試片抑制凝露的效果更好。

2.3 液滴生長(zhǎng)過(guò)程觀察

2.3.1 液滴生長(zhǎng)過(guò)程

分別選取試片在室內(nèi)空氣相對(duì)濕度為60 %、70 %、80 %的情況下，記錄1#、2#試片表面最大液滴每5 min液滴接觸面面積變化情況，如圖5所示。

圖5 液滴生長(zhǎng)情況Fig.5 Droplet growth

圖6 液滴受力示意圖Fig.6 Force diagram

從圖5可以看出，在相同相對(duì)濕度情況下，1#試片表面最大液滴的液滴接觸面面積大于2#試片，反映出2#試片表面較1#試片表面具有明顯的抑制液滴增長(zhǎng)的效果。

此外，再觀察相對(duì)濕度為60 %、70 %、80 %時(shí)試片表面最大液滴覆蓋面積的變化情況，可以發(fā)現(xiàn),2#試片表面最大液滴接觸面積的變化比1#試片更加平穩(wěn)，說(shuō)明2#試片比1#試片能更好地避免因相對(duì)濕度突增而引起的表面液滴尺寸劇烈變化，拓寬了輻射空調(diào)系統(tǒng)的可適用環(huán)境。

若輻射空調(diào)換熱表面液滴出現(xiàn)跌落，說(shuō)明系統(tǒng)應(yīng)用失敗。液滴跌落主要受接觸面與液滴的表面張力、液滴重力、室內(nèi)風(fēng)速等條件的影響，為了方便計(jì)算，對(duì)于液滴跌落計(jì)算采用主要影響因素：表面張力、重力。

2.3.2 液滴受力分析

液滴受力情況如圖6所示。本次實(shí)驗(yàn)中僅考慮冷表面凝露問(wèn)題，未考慮輻射空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中新風(fēng)承擔(dān)濕負(fù)荷的問(wèn)題。由于室內(nèi)空氣相對(duì)濕度突然增加，造成試片表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，隨著時(shí)間推移，液滴在試片表面匯聚生長(zhǎng)，如果輻射冷板表面與液滴之間的表面張力不能承受液滴自身的重力，液滴就會(huì)脫落[17]。為了便于分析液滴受力情況，假設(shè)液滴是懸掛于試片上，液滴為球冠狀，球冠高為h,半徑為R,球冠接觸面半徑為r，接觸角為θ。

VADB=πh2(R-h/3)，

(4)

h=LCD=R-Rcosθ，

(5)

R=r/sinθ。

(6)

液滴體積：V=πR2(1-cosθ)2(R-R/3-Rcosθ)=(πR3/3)(1-2cosθ+cos2θ)(2+cosθ)=(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)=(πR3/3)(2-3cosθ+cos3θ)。

(7)

接觸面周長(zhǎng)：

2πr=2πRsinθ。

(8)

接觸面面積：

πr2=π(Rsinθ)2。

(9)

力平衡原則：F(2πRsinθ)sinθ=mg=ρgV=ρg(πR3/3)(2+cosθ-4cosθ-2cos2θ+2cos2θ+cos3θ)。

(10)

(11)

(12)

質(zhì)量為：m=ρV=

(13)

F≈72×10-3N/m，ρ≈1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2。

根據(jù)測(cè)得的接觸角，試片1為67.5 °，試片2為112.2 °。

可得，液滴跌落時(shí)接觸面面積為：1#試片為111.12 mm2,#試片為33.05 mm2。

從本次實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)室內(nèi)相對(duì)濕度為60 %，60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.030 6 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.008 475 mm2，均未出現(xiàn)跌落現(xiàn)象；室內(nèi)相對(duì)濕度為70 %，60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.182 525 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.047 1 mm2，未出現(xiàn)跌落；60 min后1#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.445 525 mm2，2#試片所產(chǎn)生最大液滴的接觸面面積為0.182 575 mm2，未出現(xiàn)跌落。

3 結(jié)論

搭設(shè)輻射冷板凝露實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)鋁基表面改性，分析表面特性對(duì)凝露過(guò)程的影響。在室內(nèi)空氣溫度條件相同的情況下，改變室內(nèi)空氣相對(duì)濕度，疏水表面輻射冷板凝露時(shí)間明顯遲于親水表面，相對(duì)濕度為60 %時(shí)，改性后的輻射冷板凝露時(shí)間延遲10 min，表現(xiàn)了良好的抑制凝露效果，且隨著相對(duì)濕度的增加，抑制凝露效果更加明顯，相對(duì)濕度為80 %時(shí)，30 min后改性后輻射冷板的液滴覆蓋率較未改性輻射冷板低10 %以上，表明改性后的試片有良好的抑制凝露效果；且改性后的輻射冷板的液滴生長(zhǎng)速度更加平穩(wěn)，能明顯的抑制液滴生長(zhǎng)，拓寬了輻射空調(diào)系統(tǒng)的可適用環(huán)境。