不同表面浸潤(rùn)性對(duì)除霜過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)研究

路偉鵬，王偉，李林濤，朱佳鶴，蓋軼靜

（1-北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2-天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400）

不同表面浸潤(rùn)性對(duì)除霜過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)研究

路偉鵬1,2，王偉*1，李林濤1，朱佳鶴1，蓋軼靜1

（1-北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2-天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400）

空氣源熱泵機(jī)組除霜過(guò)程主要包括融霜、排水、蒸干等環(huán)節(jié)。以上環(huán)節(jié)在不同浸潤(rùn)性換熱器翅片表面上表現(xiàn)不盡相同，從而直接影響機(jī)組在周期性結(jié)除霜工況下的運(yùn)行性能。本文搭建了金屬冷表面除霜特性研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別以普通和親水鋁箔為研究對(duì)象，觀察分析霜層的融化、化霜水排除以及蒸干過(guò)程，并著重對(duì)比了兩種常用鋁箔翅片在上述過(guò)程的差異。首次提出“翅片表面蒸干率”的概念，用參數(shù)C表示；研究發(fā)現(xiàn)，普通鋁箔表面初始蒸干率即可達(dá)到90%，而親水鋁箔表面僅50%；但親水鋁箔表面殘留水完全蒸干所用時(shí)間僅需7 min，僅為普通鋁箔表面完全蒸干時(shí)間的25%；兩種鋁箔除霜過(guò)程差異顯著。研究工作同時(shí)考察了殘留水對(duì)相鄰結(jié)除霜過(guò)程的影響。

親水鋁箔；普通鋁箔；霜層；融霜；蒸干率

0 引言

空氣源熱泵室外側(cè)蒸發(fā)器在冬季供暖時(shí)常處于結(jié)霜工況，機(jī)組需要周期性除霜以恢復(fù)機(jī)組性能，除霜過(guò)程中的化霜水能否有效排出，將直接影響到空氣源熱泵機(jī)組在周期性結(jié)除霜工況下的運(yùn)行性能。而換熱器翅片表面的浸潤(rùn)性對(duì)霜層的融化，化霜水的排除、殘存以及蒸發(fā)過(guò)程有重要影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同浸潤(rùn)性表面的結(jié)霜、排水等過(guò)程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬工作。X. M. Wu等人對(duì)不同表面特性冷表面上的結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行了可視化研究，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)表面處理增大表面接觸角可以在一定程度上抑制結(jié)霜[1]。進(jìn)而對(duì)比了不同接觸角的普通表面的結(jié)霜與排水情況，研究發(fā)現(xiàn)單位面積結(jié)霜量與后退接觸角是一個(gè)近似函數(shù)關(guān)系[2]。他們的另一研究結(jié)果表明親水材料會(huì)導(dǎo)致二次成霜而不應(yīng)用于結(jié)霜工況下[3]。Liu and Jacobi等人發(fā)現(xiàn)親水材料換熱器結(jié)霜量要少于疏水材料，并且存水量取決于雷諾數(shù)和潛熱傳熱系數(shù)[4]。而他們進(jìn)行的浸漬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加翅片表面潤(rùn)濕性可以減少翅片的存水，但是會(huì)增加循環(huán)管的存水量[5]。McLaughlin[6]和Joardaret等人[7]在浸漬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)汽車的換熱器采用親水材料可以減少化霜水的存留。Shin和Ha[8]對(duì)兩種潤(rùn)濕性以及三種不同形狀的翅片管換熱器進(jìn)行了存水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示通過(guò)提高表面潤(rùn)濕性，減少翅片數(shù)量以及設(shè)計(jì)翅片傾斜角可以大幅減少換熱器的存水。Wang和Chang[9]的研究表明排水性能可以通過(guò)減小接觸角或者應(yīng)用親水涂層來(lái)提高。Okoroafor[10]采用高聚物親水表面，兩個(gè)多小時(shí)的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，采用親水表面可使結(jié)霜速率和霜厚減少10%～30%，取得了較好的抑霜效果。本文作者采用“動(dòng)態(tài)浸漬”實(shí)驗(yàn)法，對(duì)普通和親水翅片管換熱器進(jìn)行了排水實(shí)驗(yàn)，并從換熱器表面殘存水的存在形態(tài)、分布規(guī)律、殘留水量三個(gè)方面對(duì)換熱器的排水性能進(jìn)行了研究[11]。

盡管以上學(xué)者對(duì)不同浸潤(rùn)性表面的結(jié)霜、排水過(guò)程、存水性能等有較為深入的研究，目前仍缺乏霜層在不同浸潤(rùn)表面融化、排水、存水以及蒸干過(guò)程的系統(tǒng)研究。而化霜水的殘存將導(dǎo)致機(jī)組在接下來(lái)的供暖循環(huán)中迅速“二次成霜”，經(jīng)過(guò)周期性積累后，換熱器表面甚至形成“永凍區(qū)”，嚴(yán)重影響空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行性能。因此，本文通過(guò)所建金屬冷表面除霜特性研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同浸潤(rùn)性表面霜層的融化、排水和蒸干過(guò)程進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由冷水槽、體式顯微鏡、恒溫水浴、加濕器、直流穩(wěn)壓電源、冷光源組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)鋁箔通過(guò)導(dǎo)熱硅脂貼在半導(dǎo)體制冷片的冷端，同時(shí)測(cè)量鋁箔表面溫度的T型熱電偶探頭放于兩者之間。冷水槽內(nèi)流動(dòng)的冷凍水由恒溫水浴提供，為了防止冷量的損失，水槽外部和進(jìn)出水管路上都包了厚厚的保溫層。冷水槽系統(tǒng)的示意見(jiàn)圖2。兩臺(tái)體視顯微鏡分別位于實(shí)驗(yàn)鋁箔的正面和側(cè)面，用來(lái)觀測(cè)霜層的高度、霜表面形態(tài)、霜融化過(guò)程和化霜水在鋁箔表面的殘留情況?？諝鉂穸扔杉訚衿鬟M(jìn)行調(diào)節(jié)，空氣溫度即為室內(nèi)環(huán)境溫度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

圖2 冷水槽系統(tǒng)示意圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括霜層生長(zhǎng)圖像信息采集、冷表面溫度采集、空氣溫濕度采集。空氣溫度由放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近的溫度變送器進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，空氣濕度則由手持式溫濕度儀每隔3分鐘采集一次。霜高是通過(guò)將霜層的圖像導(dǎo)入YRMV-B顯微圖像測(cè)量軟件進(jìn)行測(cè)量獲得。

普通鋁箔和親水鋁箔是目前空氣源熱泵機(jī)組室外側(cè)換熱器的常用翅片材料，是本文的主要研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)中首先采用GonioStar150型接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)普通和親水翅片表面的接觸角進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量得普通翅片接觸角為65°，親水翅片為5°，接觸角的測(cè)量圖像如圖3所示。

為描述霜層融化后在不同特性表面的殘留情況和殘留水的蒸干情況，本文提出蒸干率的概念，其定義為：圖像所示視野內(nèi)干表面的面積與視野總面積之比。蒸干率是借助Photoshop圖像處理軟件獲得，具體的方法是：將圖像導(dǎo)入PS軟件中，選定整個(gè)圖片區(qū)域，測(cè)量其所含像素，S；然后，沿著水珠的邊緣將水珠所占的區(qū)域選中，測(cè)量其包括的像素值，每個(gè)水珠依次進(jìn)行測(cè)量，像素?cái)?shù)分別為s1，s2，s3…；設(shè)n為殘留水珠的個(gè)數(shù)，則蒸干率的計(jì)算公式為：

式中：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面浸潤(rùn)性對(duì)霜層融化過(guò)程的影響

結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況是空氣溫度20℃，空氣濕度70%，冷板溫度-8℃，風(fēng)速3 m/s；融霜起始條件為霜層厚度達(dá)到1 mm；融霜工況為環(huán)境濕度43%，冷板溫度14℃，風(fēng)速3 m/s。

圖4為普通表面霜層的融化過(guò)程。如圖4(a)～圖4(d)所示，霜層在全部化為水之前未從表面脫落。待霜層全部融化后，相近的水滴發(fā)生合并成為較大的水珠，如圖4(e)～圖4(f)所示。當(dāng)大水珠所受的重力大于表面張力在豎直方向的分力時(shí)，從普通鋁箔表面流下，如圖4(g)～圖4(h)。從圖4(i)看出，融霜結(jié)束后，部分化霜水以水珠狀態(tài)繼續(xù)殘留在普通鋁箔表面。

圖5為親水鋁箔表面的霜層融化過(guò)程，與普通鋁箔明顯不同。霜層隨著親水鋁箔表面溫度的升高而融化，完整的霜層首先分裂開(kāi)來(lái)，如圖5(a)～圖5(e)所示。分裂開(kāi)的小霜層并沒(méi)有繼續(xù)在親水鋁箔表面融化，而是整塊滑落下來(lái)，最后在鋁箔表面只殘留了一層水膜，如圖5(i)所示。

圖4 霜在普通鋁箔表面融化過(guò)程

圖5 霜在親水鋁箔表面融化過(guò)程

2.2 表面浸潤(rùn)性對(duì)殘留水蒸干率的影響

2.1 節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種鋁箔表面殘留的化霜水以兩種不同狀態(tài)存在，這必然導(dǎo)致殘留水蒸干過(guò)程的差異。

為了觀察殘留水在兩種表面的蒸發(fā)過(guò)程，在鋁箔表面的霜層完全融化后，繼續(xù)保持原有的表面溫度和空氣參數(shù)，直到殘留水全部蒸干。

圖6所示的是普通鋁箔表面殘留水珠的蒸干過(guò)程。可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，普通鋁箔表面殘留的水珠數(shù)量在不斷減少，持續(xù)28 min后，水珠全部蒸發(fā)完。

圖6 普通鋁箔表面殘留水珠形態(tài)隨時(shí)間變化

親水鋁箔表面殘留水珠的蒸干過(guò)程如圖7所示，由于親水鋁箔表面水膜的厚度較薄不足以折射足夠的光線，故在圖像上顯示的不夠清楚，本文特在水膜的邊緣加以虛線以區(qū)分干表面和濕表面。在所拍攝圖像的視野范圍內(nèi)，親水鋁箔表面只有一處水膜，隨著水分的蒸發(fā)，水膜的面積不斷減小，6 min后水膜被完全蒸干。

對(duì)兩種表面殘留水的蒸干過(guò)程各重復(fù)了3次，結(jié)果見(jiàn)表1。殘留水在親水鋁箔表面蒸干時(shí)間最長(zhǎng)的一次實(shí)驗(yàn)是7 min，而在普通鋁箔表面蒸干最短的一次實(shí)驗(yàn)是27 min，所用時(shí)間幾乎是親水鋁箔的4倍之多。

兩種鋁箔表面殘留水蒸干率不同主要是由于對(duì)流傳質(zhì)速率的不同導(dǎo)致的。鋁箔表面與空氣之間的對(duì)流傳質(zhì)速率可定義為：

式中：

在兩種表面的殘留水與空氣進(jìn)行的傳質(zhì)過(guò)程，CAs與CA∞的值是一樣的，不同的是對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)hm。根據(jù)薄膜理論，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)為

上式中D為擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于空氣-水系統(tǒng)，在相同環(huán)境溫度下D值是相同的；δ是殘留化霜水表面與鋁箔表面間的厚度。由于化霜水在親水鋁箔表面是以水膜的狀態(tài)存在，厚度較小，從而使得對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)hm較大。所以親水鋁箔表面水膜的對(duì)流傳質(zhì)速率將大于普通鋁箔。另外，假設(shè)兩種表面殘留水的質(zhì)量是一樣的，親水鋁箔表面是以水膜存在則傳質(zhì)面積A較大，則相同時(shí)間內(nèi)傳質(zhì)的水量NAA也較大。

圖7 親水鋁箔表面殘留水珠形態(tài)隨時(shí)間變化

表1 普通和親水鋁箔表面蒸干所用時(shí)間

利用PhotoShop軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，并由式1得出普通和親水鋁箔表面殘留水蒸干率變化曲線，如圖8所示。蒸發(fā)過(guò)程開(kāi)始時(shí)，普通鋁箔表面殘留水的蒸干率約為90%，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行蒸干率逐漸增加，大約27 min后殘留水被蒸干。親水鋁箔在開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，表面殘留水蒸干率約為50%，但蒸干率隨時(shí)間變化曲線較陡，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行(6～7) min后表面即被蒸干。

圖8 不同浸潤(rùn)性表面動(dòng)態(tài)蒸干率變化曲線

2.3 殘留水對(duì)相鄰結(jié)霜過(guò)程的影響

為研究普通鋁箔表面殘留水珠對(duì)下一個(gè)結(jié)霜過(guò)程產(chǎn)生的影響，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)融霜循環(huán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)霜工況和融霜工況與2.1節(jié)對(duì)應(yīng)工況相同。當(dāng)前一個(gè)融霜過(guò)程的冷板溫度趨于穩(wěn)定時(shí)即開(kāi)始下一個(gè)結(jié)霜過(guò)程。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)結(jié)除霜循環(huán)，冷表面溫度的變化曲線如圖9所示。與冷表面溫度變化曲線相對(duì)應(yīng)的鋁箔表面霜層狀態(tài)如圖10所示。殘留水珠在溫度開(kāi)始下降后的第4 min完全凍結(jié)，從圖像上來(lái)看沒(méi)有殘留水的區(qū)域結(jié)霜只有薄薄的一層，而冰珠的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于霜層高度。直到結(jié)霜過(guò)程開(kāi)始15 min后殘留水周圍區(qū)域的結(jié)霜高度達(dá)到1 mm時(shí)，殘留水珠長(zhǎng)成的冰霜高度仍高于周圍區(qū)域，這將使得空氣通道被堵塞的更加嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)惡化傳熱過(guò)程，增加設(shè)備噪音，使得機(jī)組性能大大降低。

圖9 循環(huán)工況冷表面溫度的變化曲線

3 結(jié)論

換熱器表面的除霜包括霜層的融化、排水和殘留水的蒸發(fā)等過(guò)程，為了研究普通鋁箔和親水鋁箔表面這兩個(gè)過(guò)程的區(qū)別，本文搭建了金屬冷表面除霜特性研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1）普通鋁箔表面的霜層首先全部融化為液態(tài)水珠，隨后水珠發(fā)生合并從表面脫落，最后一部分水珠殘留在表面；親水鋁箔表面的霜層則在融化過(guò)程中便以液-固混合狀態(tài)脫落，表面殘留一層水膜；

2）雖然普通鋁箔表面初始的蒸干率有90%，而親水鋁箔表面初始的蒸干率只有50%，但親水鋁箔表面的殘留水在第7 min即被蒸干，普通鋁箔則耗時(shí)約28 min。所以與普通翅片管換熱器相比，由于親水換熱器表面殘留水以膜狀形式存在，將使其表面的霜層更容易在除霜過(guò)程中被完全除掉；

3）除霜結(jié)束后普通鋁箔表面殘留部分水珠，在進(jìn)入相鄰的結(jié)霜循環(huán)時(shí)，這些水珠將“二次成霜”，并且在之后的結(jié)霜過(guò)程中一直高于周圍霜層的高度，在實(shí)際應(yīng)用中將使得換熱器空氣通道堵塞的狀況更加嚴(yán)重。

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Experimental Study of the Influence of Different Wettability Surface on the Defrost Process

LU Wei-peng1,2, WANG Wei*1, LI Lin-tao1, ZHU Jia-he1, GE Yi-jing1
(1-Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100124, China; 2-Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co., Ltd. Tianjin 300400, China)

The defrost process of air source heat pump (ASHP) includes melting, drainage and evaporation. The characteristics of above processes are different for the heat exchanger fin surfaces with different wettabilities, which greatly influences the performance of ASHP units during the periodic frosting-defrosting cycles. In this paper, an experimental system was built to study the characteristics of defrost, drainage and evaporation processes on different surfaces, such as hydrophilic and common aluminum foil surfaces. The concept of “fin surface evaporation ratio” was proposed in this paper, which was abbreviated as C. It was found that, the initial value of C can get up to 90% on common aluminum foil surface, and 50% on the hydrophilic aluminum foil surface. However, it takes only 7 minutes to evaporate the defrosting water completely for hydrophilic aluminum foil surface, which is 25% of that for the common aluminum foil surface. The defrost processes for two kind of aluminum foils are significantly different with each other. The effects of defrosting water retention on the next frosting-defrosting process were also investigated.

Hydrophilic aluminum foil; Common aluminum foil; Frost layer; Defrost; Fin surface evaporation ratio

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.105

*王偉（1977-），男，教授，博士。研究方向：建筑節(jié)能。聯(lián)系地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)平樂(lè)園100號(hào)北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備工程系，郵編：100124。聯(lián)系電話：010-67392258。Email：mrwangwei@bjut.edu.cn。

北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201210005026)；北京市青年拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃(201304047)

本論文選自2013中國(guó)制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文。