自然對(duì)流條件下冷表面結(jié)霜的實(shí)驗(yàn)研究

(大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 大連 116024)

結(jié)霜現(xiàn)象廣泛存在于空調(diào)、航空航天、低溫制冷等領(lǐng)域，是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。換熱設(shè)備結(jié)霜后，會(huì)產(chǎn)生很多危害，例如降低傳熱性能，堵塞氣體通道，增加阻力和能耗，但是結(jié)霜往往可以避免，因此充分了解結(jié)霜機(jī)理，研究霜層的生長(zhǎng)規(guī)律，有效抑制結(jié)霜的方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和生活至關(guān)重要。

Y. Hayasi等[1]將結(jié)霜過(guò)程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。吳曉敏等[2]從形核的概念出發(fā)，揭示了增大接觸角可以提高成核勢(shì)壘，使新相更難形成。一些學(xué)者針對(duì)單個(gè)水滴的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行了研究。如M. H. Kim等[3-4]研究了水滴凍結(jié)過(guò)程內(nèi)部溫度的變化，并將水滴凍結(jié)過(guò)程分為4個(gè)階段。Huang Lingyan等[5]研究了自然對(duì)流條件下接觸角對(duì)水滴凍結(jié)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)水滴接觸角越大，凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。黃玲艷等[6]研究發(fā)現(xiàn)冷表面溫度越低，水滴凍結(jié)后其頂端越容易出現(xiàn)枝狀霜晶生長(zhǎng)。

H. Kim等[7]實(shí)驗(yàn)研究了不同表面接觸角上結(jié)霜早期階段的成核行為。Wu Xiaomin等[8]研究了不同結(jié)霜條件下接觸角為56°和110°冷表面上的結(jié)霜過(guò)程，從成核自由能的角度，解釋了水滴的凝結(jié)更易發(fā)生于表面接觸角較小的冷表面的原因。徐文驥等[9]采用中性的電解液，利用電化學(xué)加工技術(shù)和氟化處理制備出的鋁基超疏水表面，接觸角達(dá)160°。Liu Zhongliang等[10]研究了表面溫度為-10.1 ℃，相對(duì)濕度為40%，超疏水表面上霜的生長(zhǎng)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)在該條件下，超疏水表面可以延遲結(jié)霜長(zhǎng)達(dá)55 min。

Wu Xiaomin等[11]研究了表面溫度在-20～0 ℃條件下霜晶形狀，并將初始霜晶的形狀分為4類。侯普秀等[12]研究發(fā)現(xiàn)冷表面溫度和空氣的相對(duì)濕度對(duì)霜層生長(zhǎng)初期的影響最大。馬強(qiáng)等[13]研究了相對(duì)濕度為85%條件下，表面特性對(duì)水珠凍結(jié)和霜層生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)疏水表面有延遲結(jié)霜的性能。吳曉敏等[14]研究了霜層生長(zhǎng)過(guò)程中的各界面演變現(xiàn)象，理論分析了形成不同初始霜晶形狀的原因。M. Song等[15]總結(jié)了結(jié)霜特性的計(jì)算和測(cè)量方法。B. Na等[16]對(duì)冷表面上霜的形成過(guò)程進(jìn)行了機(jī)理分析。以上文獻(xiàn)主要側(cè)重于環(huán)境相對(duì)濕度為40%～90%時(shí)，水滴凍結(jié)和霜層生長(zhǎng)的研究，而對(duì)很多工業(yè)生產(chǎn)中相對(duì)濕度低于40%，疏水表面的抑霜效果研究較少，且對(duì)不同特性表面上霜晶的演變過(guò)程尚未充分揭示。

本文對(duì)自然對(duì)流條件下冷表面上霜層的生長(zhǎng)進(jìn)行微觀可視化研究，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度為26%，表面溫度為-26 ℃時(shí)，研究了疏水表面和裸鋁表面的抑霜效果，對(duì)比分析了不同特性表面上霜晶的演變過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖1所示為冷表面上霜晶生長(zhǎng)過(guò)程的可視化顯微成像實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括制冷系統(tǒng)、顯微可視化觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)由恒溫水箱和板式換熱器組成。顯微可視化觀測(cè)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、冷光源、CCD攝像機(jī)、體式顯微鏡和圖像采集卡。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)。恒溫水箱的運(yùn)行溫度范圍為-40～100 ℃，誤差為±0.5 ℃，載冷劑為乙二醇溶液。采用K型熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)表面溫度，觸點(diǎn)直徑為0.254 mm，修正后測(cè)量誤差為±0.1 ℃。在鋁板內(nèi)加工了4個(gè)凹槽，用來(lái)均勻布置熱電偶，以便更準(zhǔn)確地獲得冷表面溫度，冷表面溫度取4個(gè)熱電偶的平均值。整個(gè)實(shí)驗(yàn)段放置在換熱器焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以保證空氣溫度和濕度恒定。

圖1 可視化顯微成像實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Visual microscopic imaging laboratory bench

實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括未經(jīng)過(guò)處理的裸鋁表面(接觸角78°)、鋁基疏水表面(接觸角141°)和鋁基親水表面(接觸角26°)。采用化學(xué)刻蝕方法制備親水表面，采用氟硅烷修飾經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕制備疏水表面。

實(shí)驗(yàn)采用微觀可視化觀測(cè)方法，在相對(duì)濕度較低的條件下，對(duì)比研究了疏水表面和裸鋁表面的結(jié)霜過(guò)程，并分析了裸鋁表面、疏水表面和親水表面這3種特性表面上霜晶的初始形態(tài)及演變過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 兩種特性表面結(jié)霜對(duì)比

根據(jù)相變動(dòng)力學(xué)理論，在一定過(guò)冷度下，水蒸氣分子因漲落不斷在冷壁面上凝聚成液核，但只有當(dāng)半徑大于臨界半徑時(shí)，液核才能存活，才能自發(fā)凝聚水蒸氣分子而長(zhǎng)大，任何半徑小于臨界半徑的液核都不能生存。生成臨界液核所引起的系統(tǒng)吉布斯自由能變化稱為生成液相的能障，即只有越過(guò)成核能障，新相晶核才能生成并自發(fā)長(zhǎng)大。

球冠形液滴在平壁面生成時(shí)，系統(tǒng)吉布斯自由能的變化量的表達(dá)式[17]為：

(1)

式中：Ωs為單個(gè)分子的體積，m3；σlv為氣液界面表面張力，N/m；Δg為單個(gè)水蒸氣分子轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水或晶體時(shí)所引起的吉布斯自由能的降低，J/m3；θ為接觸角，(°)。

f(θ)為關(guān)于θ遞增的函數(shù)：

(2)

G關(guān)于r的極值：

(3)

可得臨界成核半徑和形成臨界液核所需要克服的能障ΔGc的計(jì)算公式：

(4)

(5)

只有當(dāng)活化液核半徑r>rc時(shí)，水蒸氣分子才能在冷壁面上凝聚成液核而形成冷凝液滴。

由式(5)可知，ΔGc的大小和接觸角有關(guān)，由式(2)可知，表面接觸角越大，f(θ)越大，水蒸氣在冷表面上發(fā)生氣液相變達(dá)到臨界半徑所需要的吉布斯自由能變化ΔGc越大，成核勢(shì)壘越高，越難形成液核，冷凝液滴也就更難形成。

整個(gè)結(jié)霜過(guò)程可分為4個(gè)階段[4]：1)水滴凝結(jié)階段；2)凝固的液滴上尖端生長(zhǎng)階段；3)霜層生長(zhǎng)階段；4)霜層充分生長(zhǎng)階段。

圖2 表面溫度為-10 ℃時(shí)，裸鋁表面(左)和疏水表面(右)上霜層的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比Fig.2 The comparison of the frost growth between bare aluminum surface (left) and hydrophobic surface (right) at the surface temperature of -10 ℃

圖2所示為當(dāng)表面溫度Tw=-10 ℃，空氣溫度為20.5 ℃，相對(duì)濕度為26%時(shí)，兩種特性表面上霜層生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比。左側(cè)為裸鋁表面，右側(cè)為疏水表面。由式(5)可知，ΔGc的大小和接觸角有關(guān)，當(dāng)接觸角為78°時(shí)，f(θ)=0.346，當(dāng)接觸角為141°時(shí)，f(θ)=0.965，可知在疏水表面上形成臨界液核所需要克服的能障大小ΔGc約為裸鋁表面的3倍，因此在疏水表面上成核更困難。由圖2可知，在疏水表面上出現(xiàn)凝結(jié)水珠的時(shí)刻比裸鋁表面晚，這與公式分析得到的結(jié)論相吻合。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行40 min時(shí)，普通裸鋁表面上已經(jīng)形成致密的霜層，而在疏水表面上水滴才剛剛被完全凍結(jié)。實(shí)際上，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 min時(shí)，疏水表面上才開(kāi)始出現(xiàn)少量的水滴，水滴保持不凍結(jié)的狀態(tài)34 min，相同的時(shí)間段內(nèi)，裸鋁表面已經(jīng)被霜層覆蓋。與裸鋁表面相比，疏水表面上的水滴近似球形，且形成的水滴分布更分散，當(dāng)相對(duì)濕度為26%時(shí)，疏水表面仍具有較好的抑霜效果。

圖3所示為表面溫度Tw=-18 ℃，空氣溫度為20.5 ℃，相對(duì)濕度為26%時(shí)，兩種特性表面上霜層的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比。由圖3可知，疏水表面抑霜效果較好，形成的霜層更疏松。

圖3 表面溫度為-18 ℃時(shí)，裸鋁表面(左)和疏水表面(右)上霜層生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)比Fig.3 The comparison of the frost growth between bare aluminum surface (left)and and hydrophobic surface (right) at the surface temperature of -18 ℃

初始結(jié)霜水滴的平均直徑計(jì)算為：

(6)

實(shí)驗(yàn)采用Olympus easy顯微鏡測(cè)量軟件來(lái)測(cè)量冷表面上水滴占據(jù)的面積，根據(jù)式(6)計(jì)算可得，Tw=-10 ℃，裸鋁表面上初始結(jié)霜水滴的平均直徑為49.61 μm，疏水表面上水滴平均直徑為43.62 μm。其它條件相同時(shí)，Tw=-18 ℃，計(jì)算得到裸鋁表面上初始結(jié)霜水滴直徑為39.36 μm，而疏水表面上水滴平均直徑為22.47 μm，僅是裸鋁表面上初始結(jié)霜水滴直徑的57%。

對(duì)比圖2和圖3可知，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下，對(duì)于同種類型的表面，與當(dāng)Tw=-10 ℃相比，當(dāng)Tw=-18 ℃時(shí)，表面上凝結(jié)水滴的尺寸小很多，且水滴開(kāi)始凍結(jié)的時(shí)間更早。原因是Tw較低時(shí)，相變驅(qū)動(dòng)力大，水滴被冷表面所帶走的熱量越多，冷表面的水滴還來(lái)不及長(zhǎng)大就發(fā)生凍結(jié)。

圖4所示為當(dāng)表面溫度不同時(shí)，裸鋁表面和疏水表面上霜層厚度的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)條件：相對(duì)濕度維持為26%，環(huán)境溫度為20.5 ℃。由圖4可知，當(dāng)Tw=-10 ℃時(shí)，60 min后，疏水表面上霜層厚度僅為0.2 mm，而在裸鋁表面上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到10 min，表面就布滿了霜晶，60 min后，霜層厚度約為0.35 mm。疏水表面上霜層更疏松，更容易去除。當(dāng)Tw=-18 ℃時(shí)，疏水表面仍然有較好的抑霜效果，60 min后，疏水表面上的霜層厚度僅為裸鋁表面上霜層厚度的68%。當(dāng)Tw=-26 ℃時(shí)，整個(gè)霜晶生長(zhǎng)過(guò)程中，疏水表面上霜層厚度與裸鋁表面上霜層厚度相差不大。不同的表面接觸角主要影響第一階段即水滴凝結(jié)階段。當(dāng)Tw=-26 ℃時(shí)，水滴凝結(jié)階段的時(shí)間很短，冷表面上凝結(jié)的水滴很快被凍結(jié)了，表面特性對(duì)水滴凝結(jié)過(guò)程影響很小，所以兩種特性表面上霜層厚度接近。

圖4 裸鋁表面和疏水表面上霜層厚度的對(duì)比Fig.4 The contrast of frost thickness between bare aluminum surface and hydrophobic surface

2.2 不同特性表面霜晶的初始形態(tài)對(duì)比

圖5所示為當(dāng)空氣溫度為20.5 ℃，相對(duì)濕度為26%，Tw=-26 ℃時(shí)，不同特性表面初始霜晶的形狀演變過(guò)程。由圖5可知，3種不同特性表面上，霜晶的形態(tài)差異明顯。裸鋁表面的初始霜晶形狀呈現(xiàn)枝狀，接著演變?yōu)楣谥鶢?，逐漸向羽毛狀轉(zhuǎn)變；疏水表面的初始霜晶沿著水平方向平鋪著向四周延伸，呈現(xiàn)稠密的枝狀，霜晶逐漸向片狀轉(zhuǎn)變；親水表面的初始霜晶為針狀，與其它兩種表面顯著不同，接著向鞘狀轉(zhuǎn)變，逐漸變?yōu)槠瑺钏А?/p>

圖5 表面溫度-26 ℃時(shí)，3種特性表面初始霜晶形狀演變過(guò)程Fig.5 The evolutionary processes of initial frost crystals with three characteristic surfaces at the surface temperature of -26 ℃

當(dāng)相對(duì)濕度為26%，表面溫度相同時(shí)，不同表面上霜晶形狀的差異由表面接觸角決定，導(dǎo)致凝結(jié)水滴凍結(jié)后的熱阻不同。在疏水表面上形成的水滴近似球形，在裸鋁表面凝結(jié)的水滴為球缺狀，而在親水表面上水蒸氣凝結(jié)為薄薄的一層水膜。相比于裸鋁表面，在疏水表面出現(xiàn)枝狀霜晶更加稠密，逐步向片狀霜晶轉(zhuǎn)變。在親水表面上，表面接觸角小，熱阻較小，霜晶在豎直方向上生長(zhǎng)很快。因此，在親水表面初始霜晶主要呈現(xiàn)針狀，未觀察到較明顯的霜晶分支，隨著空氣中水蒸氣向霜晶擴(kuò)散凝華，針狀霜晶從頂部向底部逐漸向片狀霜晶轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

本文采用了微觀可視化觀測(cè)方法，研究了相對(duì)濕度為26%條件下，裸鋁表面和疏水表面的抑霜效果，對(duì)比分析了不同特性表面上時(shí)霜晶的演變過(guò)程，得到如下結(jié)論：

1)在相對(duì)濕度為26%的較低相對(duì)濕度條件下，疏水表面相比于裸鋁表面仍然有明顯的抑霜效果。實(shí)驗(yàn)表面溫度為-10 ℃時(shí)，相比于裸鋁表面，疏水表面可以延遲結(jié)霜29 min；當(dāng)溫度進(jìn)一步降低為-18 ℃，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行60 min，疏水表面上的霜層厚度僅為裸鋁表面上霜層厚度的68%。且疏水表面上過(guò)冷水滴存續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，粒徑更小。

2)當(dāng)表面溫度為-26 ℃時(shí)，3種特性表面初始霜晶的形態(tài)和演變過(guò)程有較大差異。相比于裸鋁表面，在疏水表面會(huì)出現(xiàn)更多的沿著水平方向平鋪著向四周延伸的霜晶，形成了更稠密的枝狀，接著向片狀轉(zhuǎn)變。而親水表面，初始霜晶主要呈現(xiàn)針狀，霜晶分支較少，隨著空氣中水蒸氣向霜晶擴(kuò)散凝華，針狀霜晶從頂部向底部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钏А?/p>