冷表面溫度對超疏水翅片結(jié)霜特性與抑霜性能的影響

汪 峰 湯 銳 王志豪 楊衛(wèi)波 高 昂

（1 揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院 揚州 225127；2 廣東歐科空調(diào)制冷有限公司 東莞 523516）

空氣源熱泵因兼具制冷與制熱、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛用于建筑空調(diào)冷熱源，其應(yīng)用對實現(xiàn)我國建筑領(lǐng)域“碳中和”起著重要作用。但空氣源熱泵冬季制熱運行時，室外翅片管換熱器表面存在結(jié)霜問題[1-3]。霜層的生長導(dǎo)致熱泵機(jī)組工作狀況惡化、制熱性能衰減，嚴(yán)重影響制熱效率與運行穩(wěn)定性[4-6]。翅片表面經(jīng)超疏水改性后可延遲結(jié)霜初始凝結(jié)液滴形成與凍結(jié)以及霜晶傳遞，從而抑制霜層生長[7-10]，為解決空氣源熱泵結(jié)霜問題提供了有效途徑。因而揭示超疏水翅片的結(jié)霜特性與抑霜機(jī)理，已成為抑霜研究的前沿?zé)狳c。

冷表面溫度是影響結(jié)霜過程的重要因素之一。Cui Jing等[11]通過建立三維晶格玻爾茲曼模型研究了冷表面溫度對超疏水表面結(jié)霜過程的影響，結(jié)果表明，冷表面溫度越低，結(jié)霜速率、霜層厚度和結(jié)霜量越大。王伶俐[12]實驗研究了冷表面溫度對結(jié)霜初期凝結(jié)液滴凍結(jié)的影響，結(jié)果表明，隨著冷表面溫度的降低，液滴凍結(jié)時間越早，且凍結(jié)波的傳播速度越快。魯祥友等[13]研究了冷表面溫度對超疏水表面霜層生長的影響，當(dāng)冷表面溫度達(dá)-15 ℃時，實驗進(jìn)行10 min后超疏水表面的霜層厚度是普通表面的66%。蘇偉等[14]實驗研究了換熱器表面溫度對超疏水換熱器結(jié)霜特性的影響，結(jié)果表明，隨著換熱器表面溫度的降低，霜層增長速度加快，水蒸氣過飽和度增加以及傳熱溫差增大是結(jié)霜速度加快的主要原因。結(jié)霜過程包括液滴凝結(jié)與凍結(jié)、霜晶傳遞、霜層生長等諸多演化階段[15]，現(xiàn)有研究揭示了冷表面溫度對超疏水翅片結(jié)霜過程某一階段特性的影響規(guī)律，且多數(shù)實驗結(jié)霜環(huán)境工況為常溫工況，與空氣源熱泵冬季運行的實際工況不相符。

現(xiàn)有研究表明，隨著冷表面溫度的降低，普通表面的結(jié)霜速率和霜層厚度顯著增加，霜層粗糙度和霜晶形態(tài)也會發(fā)生變化。王偉等[16]對表面溫度變化下的結(jié)霜特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，表面溫度在-3.5～19.7 ℃范圍內(nèi)降低時，結(jié)霜速率逐漸升高而霜層密度逐漸減小。N. Niroomand等[17]實驗研究了冷表面溫度對霜層粗糙度的影響，隨著冷表面溫度降低，霜層具有更高的平均粗糙度和粗糙度偏度。Wu Xiaomin等[18]發(fā)現(xiàn)冷表面溫度是影響霜晶形狀的主要因素，當(dāng)冷表面溫度由0 ℃降至-20 ℃時，初始霜晶形態(tài)由不規(guī)則晶體向片狀、針狀和羽毛狀轉(zhuǎn)變。超疏水翅片在不同冷表面溫度下的結(jié)霜特性是否和普通翅片相似，冷表面溫度對其抑霜性能有何影響需要進(jìn)一步研究。為此，本文通過搭建可視化結(jié)霜實驗系統(tǒng)對不同冷表面溫度下超疏水翅片的結(jié)霜過程進(jìn)行研究，并與未經(jīng)表面處理的裸翅片進(jìn)行對比，旨在揭示冷表面溫度對超疏水翅片結(jié)霜特性與抑霜性能的影響規(guī)律。

1 實驗裝置

1.1 超疏水翅片的制備與表征

本實驗中超疏水翅片的制備過程如圖1所示，步驟如下：1）預(yù)處理，將鋁箔依次放入丙酮、去離子水和無水乙醇中，分別用超聲波清洗10 min后干燥；2）制備超疏水涂層，將SiO2溶膠加入至無水乙醇、去離子水和氨的混合物中，在攪拌混合物10～20 min后，加入TEOS（原硅酸四乙酯，C8H20O4Si）和PFDTS（全氟癸基三氯硅烷，C16H19F17O3Si）溶液，連續(xù)攪拌混合溶液獲得SiO2超疏水涂層；3）涂層噴涂，將SiO2涂層放入直徑為0.3 mm的噴槍中，均勻噴涂在鋁箔表面，涂層厚度約為25 μm[19]。超疏水翅片的表面特性由表面接觸角和滯后角表征。將超疏水翅片水平固定在測量平臺上，將3 μL去離子水置于其表面。靜態(tài)液滴通過imageView軟件拍攝，測量表面接觸角。選取表面4個不同的位置進(jìn)行測量，并以4次測量的平均值作為接觸角。4個位置的接觸角差值不超過3°，表明超疏水表面具有良好的均勻性。緩慢傾斜平臺記錄前進(jìn)角和后退角，液滴離開翅片表面時前進(jìn)角和后退角的差值為滯后角。通過測量，超疏水翅片的接觸角為（161.47±1）°，前進(jìn)角為（162.15±1）°，后退角為（160.85±1）°，滯后角為（1.30±1）°。

圖1 超疏水翅片的制備流程Fig.1 Preparation process of superhydrophobic fins

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

1.2 實驗系統(tǒng)

結(jié)霜實驗裝置如圖2所示。裝置包括可調(diào)速風(fēng)機(jī)、翅片管換熱器、恒溫槽、超聲波加濕器、冷臺、CCD攝像儀、顯微鏡和電腦?？烧{(diào)速風(fēng)機(jī)用于調(diào)節(jié)濕空氣的進(jìn)口風(fēng)速，通過翅片管換熱器（制冷劑為乙二醇水溶液，乙二醇與水的配比為2∶5，凝固點為-22.9 ℃）和超聲波加濕器對濕空氣進(jìn)行冷卻和加濕。冷臺用于調(diào)節(jié)翅片的表面溫度，使翅片在設(shè)定的溫度下結(jié)霜。冷臺采用SLTD1-600 S高精度半導(dǎo)體恒溫測試系統(tǒng)，溫度可通過控制面板進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，溫度范圍為-30～60 ℃。采用恒溫槽制取冷卻水對冷臺熱端進(jìn)行散熱。實驗前，將冷臺豎直放置，使用導(dǎo)熱硅脂將超疏水和裸翅片粘貼在冷臺上。CCD攝像儀和顯微鏡分別從正面和側(cè)面拍攝超疏水和裸翅片的結(jié)霜圖像。

1.3 實驗工況

為研究超疏水翅片在不同冷表面溫度的結(jié)霜特性和抑霜性能，本文共設(shè)計了8組結(jié)霜工況，環(huán)境溫度和相對濕度均為10 ℃和65%，參數(shù)如表1所示。采用溫濕度傳感器測量局部結(jié)霜環(huán)境的溫濕度，溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%。

表1 結(jié)霜實驗工況Tab.1 Frosting experiment conditions

圖3 不同冷表面溫度下超疏水翅片凝結(jié)液滴生長與凍結(jié)過程Fig.3 Growth and freezing of condensate droplets on superhydrophobic fin at different surface temperatures

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 結(jié)霜初始階段

圖3所示為不同冷表面溫度下超疏水翅片表面結(jié)霜初始階段凝結(jié)液滴的生長與凍結(jié)過程。由圖3可知，隨著冷表面溫度的降低，凝結(jié)液滴凍結(jié)時間越早，而液滴完全凍結(jié)時的表面覆蓋率越大。當(dāng)冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃時，液滴尺寸隨冷表面的降低而增大，液滴凍結(jié)速度較慢；而當(dāng)冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，液滴尺寸小且密集，超疏水翅片表面出現(xiàn)區(qū)域性凍結(jié)，分別在115 s和75 s完全凍結(jié)。超疏水翅片表面液滴完全凍結(jié)時表面覆蓋率隨著冷表面溫度降低而升高，冷表面溫度為-20 ℃的表面覆蓋率最高。

圖4所示為不同冷表面溫度下超疏水翅片表面凝結(jié)液滴的凍結(jié)時間。凝結(jié)液滴開始凍結(jié)、凍結(jié)50%和完全凍結(jié)的時間均隨冷表面溫度的降低而縮短。當(dāng)冷表面溫度為-5 ℃時，開始凍結(jié)、凍結(jié)50%和完全凍結(jié)時間分別為1 800、2 040、2 220 s。當(dāng)溫度降至-10、-15、-20 ℃時，液滴分別在265、55、18 s開始凍結(jié)，在340、115、75 s完全凍結(jié)。相比冷表面溫度為-5 ℃，液滴完全凍結(jié)時間分別縮短了1 880、2 105、2 145 s?？芍浔砻鏈囟仍礁撸Y(jié)液滴凍結(jié)越晚。

圖4 不同冷表面溫度下超疏水翅片凝結(jié)液滴的凍結(jié)時間Fig.4 Freezing time of condensate droplets on superhy-drophobic fin at different surface temperatures

圖5所示為超疏水翅片和裸翅片表面液滴完全凍結(jié)時表面覆蓋率隨冷表面溫度的變化。表面覆蓋率測量方法如下：利用Photoshop對凝結(jié)液滴的圖像進(jìn)行單色分離，將處理后的圖像導(dǎo)入Image-pro-plus軟件中，計算液滴面積和平均直徑，從而獲得液滴對翅片表面的覆蓋率。超疏水翅片表面的覆蓋率隨冷表面溫度的降低而升高。當(dāng)冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，超疏水翅片表面液滴完全凍結(jié)時的覆蓋率分別為59.8%、67.9%、76.5%和86.2%。裸翅片在不同冷表面溫度下的表面覆蓋率均超過80%，其中冷表面溫度為-15 ℃時最高，達(dá)到90%。

圖5 液滴完全凍結(jié)時表面覆蓋率隨冷表面溫度的變化Fig.5 Variation of surface coverage with cold surface temperature when droplets completely frozen

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是：1）隨著冷表面溫度降低，液滴凍結(jié)時間縮短。當(dāng)冷表面溫度降至-15 ℃和-20 ℃，液滴在115 s和75 s完全凍結(jié)，沒有足夠的時間使液滴合并彈跳，導(dǎo)致凍結(jié)液滴覆蓋率增大；而當(dāng)冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃，超疏水翅片表面液滴凍結(jié)時間較晚，液滴有充足的時間生長合并發(fā)生彈跳。2）隨著冷表面溫度的降低，晶核的臨界半徑越小，晶核越密集。

晶核的臨界半徑與水蒸氣的過飽和度有關(guān)：

（1）

式中：rc為臨界半徑，m；σ為氣液表面張力，J/m2；ρc為液體密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；Tw為冷表面溫度，K；ps為主流濕空氣中水蒸氣分壓力，Pa；pw為對應(yīng)冷表面溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。

令α=ps/pw為過飽和度，本文中ps=797.61 Pa，當(dāng)冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，pw分別為421.42、286.22、191.14、125.38 Pa。由此可得不同冷表面溫度對應(yīng)的過飽和度分別為1.89、2.79、4.17、6.36。取σ=0.077 J/m2，將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可得不同冷表面溫度下的臨界半徑分別為108.0、68.3、50.5、39.6 nm。由上述可知，水蒸氣的過飽和度越大，晶核的臨界半徑越小，出現(xiàn)臨界核的概率越大，所以晶核越密集，有利于提高液滴凍結(jié)時的覆蓋率。

圖6 不同冷表面溫度下的凝結(jié)液滴凍結(jié)模式Fig.6 Condensate droplet freezing patterns at different surface temperatures

圖6所示為不同冷表面溫度下的液滴凍結(jié)模式。當(dāng)冷表面溫度為-5 ℃時，液滴凍結(jié)模式以吸收凍結(jié)（圖中紅色圓圈）為主，并伴隨少量接觸凍結(jié)（圖中黃色圓圈）。當(dāng)發(fā)生吸收凍結(jié)時，液滴位置發(fā)生變化，且移動、凍結(jié)和吸收行為幾乎同時發(fā)生。這種凍結(jié)模式導(dǎo)致后續(xù)冰橋的擴(kuò)散需要更長時間才能達(dá)到后面的液滴，能夠起到延緩液滴凍結(jié)傳遞的作用。當(dāng)冷表面溫度為-10 ℃時，凍結(jié)模式以接觸凍結(jié)（圖中黃色圓圈）為主，并伴隨少量吸收凍結(jié)（圖中紅色圓圈）。當(dāng)冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，凍結(jié)模式為接觸凍結(jié)，且為區(qū)域性凍結(jié)，凍結(jié)速度較快。接觸凍結(jié)發(fā)生時，液滴位置不發(fā)生變化，對冰橋傳播到后面的液滴產(chǎn)生有利條件。冰橋的生長速率與冷表面的過冷度有關(guān)，過冷度越大，冰橋生長速率越快，液滴凍結(jié)速度也越快。當(dāng)過冷度為-15 ℃（冷表面溫度為-5 ℃）時，液滴從開始凍結(jié)至完全凍結(jié)需420 s，而當(dāng)過冷度降至-30 ℃（冷表面溫度為-20 ℃）時，液滴從開始凍結(jié)至完全凍結(jié)僅需57 s。

2.2 霜層生長階段

圖7所示為不同冷表面溫度下的霜晶初始形態(tài)。當(dāng)冷表面溫度為-5 ℃和-10 ℃時，超疏水翅片和裸翅片表面的霜晶均呈柱狀，但超疏水翅片表面相對疏松，裸翅片表面較密集。當(dāng)冷表面溫度為-15 ℃和-20 ℃時，超疏水翅片和裸翅片表面的晶體均呈樹枝狀，超疏水翅片表面霜晶細(xì)長且疏松，裸翅片表面霜晶高大且密集。

圖7 不同冷表面溫度下霜晶初始形態(tài)Fig.7 Initial morphology of frost crystals at different surface temperatures

圖8所示為超疏水翅片和裸翅片表面霜層厚度隨時間的變化。通過取霜層表面5個不同位置的霜層厚度的平均值作為平均霜層厚度。超疏水翅片表面的抑霜性能可以通過霜層厚度直觀反映。由圖8可知，當(dāng)結(jié)霜45 min，冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時，超疏水翅片表面的霜層厚度分別為0.26、0.44、0.53、0.67 mm，裸翅片表面的霜層厚度分別為0.33、0.46、0.56、0.84 mm，超疏水翅片表面的霜層厚度為裸翅片表面的78.8%、95.6%、94.6%、79.8%。當(dāng)冷表面溫度相同時，裸翅片表面的霜層厚度要大于超疏水翅片表面；當(dāng)冷表面溫度變化時，超疏水翅片表面和裸翅片表面的霜層厚度均隨著冷表面溫度的降低而增加，且裸翅片表面的霜層厚度大于超疏水翅片表面。表明超疏水翅片在不同冷表面溫度下均具有抑霜效果。

圖8 不同冷表面溫度下霜層厚度隨時間的變化Fig.8 Variation of frost layer thickness with time under different surface temperatures

3 結(jié)論

本文實驗研究了不同冷表面溫度下超疏水翅片的結(jié)霜過程，揭示了冷表面溫度對超疏水翅片結(jié)霜特性與抑霜性能的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）超疏水翅片表面結(jié)霜初始凝結(jié)液滴的開始凍結(jié)、凍結(jié)50%和完全凍結(jié)時間隨冷表面溫度的降低而縮短。相比-5 ℃，當(dāng)冷表面溫度為-10、-15、-20 ℃時，液滴完全凍結(jié)時間分別縮短1 880、2 105、2 145 s。

2）隨著冷表面溫度降低，晶核的臨界半徑越小，晶核越密集，從而增加了凍結(jié)液滴對表面的覆蓋率。當(dāng)冷表面溫度由-5 ℃降至-20 ℃時，液滴凍結(jié)模式由吸附凍結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|凍結(jié)，且出現(xiàn)區(qū)域性凍結(jié)。

3）隨著冷表面溫度的降低，超疏水翅片表面的霜晶由柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長疏松的枝狀，而裸表面霜晶高大且密集。結(jié)霜45 min后，超疏水翅片在冷表面溫度為-5、-10、-15、-20 ℃時的霜層厚度分別為裸表面的78.8%、95.6%、94.6%和79.8%，表明超疏水翅片在不同冷表面溫度下均具有抑霜效果。

本文受中國博士后科學(xué)基金 （2020M681453）和江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項目 （19KJB470037）資助。（The project was supported by China Postdoctoral Science Foundation （No.2020M681453） and the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China （No.19KJB470037）.）