研究论文

表面特性对结霜和融霜排液的影响

马强,吴晓敏

(清华大学热能工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室,北京 100084)

摘要:对亲水表面、裸铝表面和疏水表面上结霜和融霜排液过程进行实验研究,分析了表面特性对冷凝水珠冻结、霜层生长和融霜排液的影响。结果表明:疏水表面上冷凝水珠呈规则球缺状、冻结较晚,而亲水表面和裸铝表面上冷凝水珠形状不规则;相比于亲水表面和裸铝表面上平整霜层,疏水表面上霜层不平整,有凹穴和凸起;疏水表面上霜层平均厚度增长较亲水表面和裸铝表面缓慢;在湿空气温度和冷面温度较低的情况下,表面特性对霜层生长的影响减弱;亲水表面具有较好的排液效果,其循环再结霜量最小。

关键词:相变;表面;传热;结霜;霜层形貌;融霜排液

引 言

结霜现象广泛存在于低温制冷、空气源热泵、风力发电、输电线缆等领域并带来一系列危害。例如,换热器表面结霜会降低换热器效率[1],因而在结霜条件下,空气源热泵效率同样也会降低[2]

对于冷面结霜过程已有大量的研究,包括对结霜初期霜晶形貌的研究和霜层生长密实化过程的研究。Wu等[3]指出冷面结霜过程包括水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成和霜晶生长等过程。Sahin[4]和张新华[5]对霜晶形貌进行了细致的划分。Cheng等[6]将冷面上霜层生长过程分为霜晶生长、霜层生长和霜层成熟3个阶段。在冷面结霜的研究中,很多学者实验研究分析了霜层高度增长、密度增长以及霜层表面温度的变化[7-11]

表面特性影响结霜过程和融霜水的排出。疏水表面具有延缓冷凝水珠冻结的作用[12],而亲水表面对冷凝水珠冻结的影响还没有一致的结论。Liu等[13]在硅基体上制备了静态接触角162°的疏水表面,得出疏水表面液态水冻结时间比黄铜表面晚55 min。Huang等[14]在黄铜基体上制备了静态接触角为156.2°的疏水表面,实验得出疏水表面上冷凝形成的液滴更小、更分散,并指出疏水表面上冷凝水珠冻结晚是由于水珠和疏水表面的接触面积较小。Kim等[15]研究了分别由丙烯酸聚酯和氟化树脂覆盖的亲水表面和疏水表面以及裸铝表面上霜层生长过程,其实验结果表明疏水表面延缓冷凝水珠冻结的效果有限,相比于裸铝表面不超过10 min,亲水表面上冷凝水珠比裸铝表面更早冻结。丁云飞等[16]在铝基体上制备了静态接触角小于3°的亲水表面和静态接触角154.5°的疏水表面,实验得出亲水表面和疏水表面都有明显的延缓冷凝水珠冻结的作用。

对于表面特性对霜层生长影响的研究,亦没有一致的结论。Jhee等[17]研究了铝基体上覆盖铬合金静态接触角12°的亲水表面和覆盖聚四氟乙烯静态接触角124°的疏水表面的霜层生长过程,得出亲水面霜层最薄但密度最大而疏水面霜层密度最小的结论。Kim等[15]的实验得出疏水面上霜层厚度和霜层密度与裸铝表面相比差别不大。Lee等[18]和Kim等[15]的研究得到较一致的结论。Liu等[19]研究得到,表面特性仅影响结霜初期霜层厚度,而对长时间的霜层生长没有影响。Liu等[13]得出,疏水表面上霜层厚度相比黄铜表面降低了52%,且霜层疏松。Wang等[20]的实验结果也表明,疏水表面具有非常明显的抑霜作用。丁云飞等[16]通过实验得出,结霜质量方面,亲水表面和疏水表面结霜量都少于裸铝表面,特别是结霜初期,疏水面具有明显的抑霜作用,结霜量仅为裸铝表面的55%,但是随着结霜时间的延长,抑霜效果迅速恶化。吴晓敏等[21]的实验结果表明竖直放置的裸铝 (73°)及114°和145°疏水表面3种表面中,145°疏水表面结霜最少,残留液量也最少;且表面的残留液量随结霜时间的增加呈减小趋势。

在工程应用中,冷面结霜后会采用一定的方法融霜,如果表面霜层融化后液态水不能很好地排出,则当冷面温度再次降低时,残留的液态水会迅速冻结,这使得冷面再结霜过程加快。Kim等[15]和Jhee等[17]的实验结果认为疏水表面有很好的融霜排液效果,其融霜后液态水残留量少于裸铝表面和亲水面。

本文对亲水表面、裸铝表面和疏水表面上结霜和融霜排液过程进行了实验研究,主要考察表面特性对冷凝水珠冻结、霜层生长和融霜排液的影响。

1 实验系统

本文研究了受迫对流条件下3种不同特性冷面上水珠生长过程、结霜过程和融霜排液过程,实验系统见文献[3,12]。实验条件为冷面温度-20~-5℃,湿空气温度-5~2℃,相对湿度85%,湿空气流速0.92 m·s-1。本文中分别以tftmtr表示结霜时间、融霜时间和融霜后再结霜时间。

本文采用试片包括疏水表面试片、裸铝表面试片和亲水表面试片。采用量角法测量水珠在试片表面上接触角,选取亲水表面试片、裸铝表面试片和疏水表面试片各3片,其静态接触角为:亲水表面静态接触角22°~35°,裸铝表面静态接触角77°~82°,疏水表面静态接触角90°~98°。

2 表面特性对结霜过程的影响

2.1 对冷凝水珠冻结的影响

图1为冷面温度Tw=-5℃,湿空气温度Tin=2℃,相对湿度RH=85%,湿空气流速u=0.92 m·s-1的条件下亲水表面、裸铝表面和疏水表面冷凝水珠开始冻结时的照片。由图可见,3个表面上冷凝水珠的形状不同,疏水表面上冷凝水珠呈较为规整的球缺状,而亲水表面和裸铝表面上冷凝水珠形状不规则。从冷凝水珠的冻结时间上看,疏水表面和裸铝表面冷凝水珠冻结时间分别为2218 s和664 s,即相比裸铝表面,疏水表面冷凝水珠冻结滞后约25 min,这表明疏水表面在该实验条件下具有很好的延缓冷凝水珠冻结的作用,即具有延缓表面结霜的作用。

图1 冷凝水珠开始冻结图片
Fig.1 Pictures of water droplets freezing
(Tw=-5℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1)

本文测量了不同冷面温度条件下,亲水表面、裸铝表面和疏水表面上冷凝水珠的冻结时间,如图2所示。亲水表面上冷凝水珠冻结最早而疏水表面上冷凝水珠冻结最晚。在冷面温度较高的条件下,疏水表面具有很好的延缓冷凝水珠冻结的作用,但延缓效果随着冷面温度的降低而迅速减弱。在冷面温度低于-11℃,相比于裸铝表面,疏水表面延缓冷凝水珠冻结时间不足2 min。

图2 冷凝水珠冻结时间
Fig.2 Freezing time of condensate water droplets

2.2 对霜层形貌的影响

实验观察到,在冷面结霜过程中,表面特性不仅影响冷凝水珠的冻结过程,而且影响霜层的生长。图3所示为亲水表面、裸铝表面和疏水表面在Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下,结霜时间tf=10 min和tf=60 min时的霜层形貌。在tf=10 min时,疏水表面上霜晶分布不均匀,呈簇状分布;裸铝表面上霜晶分布非常均匀,亲水表面上霜晶分布较裸铝表面不均匀,呈片状分布。在tf=60 min时,疏水表面上霜层不平整,有凹穴和凸起;裸铝表面和亲水表面上霜层均比较平整。

图3 霜层分布
Fig.3 Frost distribution
(Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1)

2.3 对霜层厚度的影响

使用单反相机侧拍水平冷表面霜层轮廓并通过图像处理得到霜层平均厚度随时间的变化,图4和图5分别为在Tw=-8℃和Tw=-13℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下亲水表面、裸铝表面和疏水表面上霜层平均厚度随时间的变化。从图中可以看出,在霜层生长初期,例如结霜时间tf=10 min时刻,亲水表面上霜层平均厚度较低,但随着时间的增长,亲水表面上霜层平均厚度增长较快。在结霜时间tf=60 min时,疏水表面上霜层平均厚度最低而亲水表面上霜层平均厚度最高,说明疏水表面具有一定的抑制霜层生长的作用。

图6为Tw=-20℃,Tin=-5℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下亲水表面、裸铝表面和疏水表面上霜层平均厚度随时间的变化。从图中可以看出,在该实验条件下,同一时刻不同表面上霜层平均厚度相近,说明在湿空气温度、冷面温度较低的实验条件下,表面特性几乎不影响霜层生长。

图4 Tw=-8℃时霜层平均厚度
Fig.4 Average frost layer thickness with Tw=-8℃

图5 Tw=-13℃时霜层平均厚度
Fig.5 Average frost layer thickness with Tw=-13℃

图6 Tw=-20℃时霜层平均厚度
Fig.6 Average frost layer thickness with Tw=-20℃

3 表面排液性能和抑霜效果

一般情况下,当设备表面上的霜积累到一定程度时,就需要采用电加热融霜等方法进行除霜。实际情况下,表面上霜层融化形成的液态水不能完全排走,而残留的液态水会在表面温度降低后迅速冻结,增加结霜量。所以,如果表面上霜层可以迅速融化并且液态水可以很好地排走,则表面在下一个阶段中结霜量会较小。对于处于结霜/融霜循环中的设备表面,本文以从表面融霜排液后到下一次融霜前表面上的结霜量,即循环再结霜量来评价表面的抑霜效果。

3.1 融霜后液态水的形态

图7是在Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下,水平放置的亲水表面试片、裸铝试片和疏水表面试片,结霜tf=60 min后,断开半导体制冷片电源使试片进行融霜后液态水的照片。3种不同表面上,霜层融化后,在冷面前沿液态水较多,即说明冷面前沿结霜量较多。疏水表面上融霜形成的液态水呈较为规则的球缺状,而亲水表面上融霜形成的液态水呈不规则的膜状。

图7 融霜液态水形态
Fig.7 Meltwater distribution
(Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1,tf=60 min)

3.2 竖直表面融霜排液过程

对于竖直试片,在Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下,结霜tf=60 min后,断开半导体制冷片电源使试片进行融霜排液过程,如图8所示。从图中可以看出,亲水表面上大部分融霜形成的液态水都排出,残留的液态水最少;裸铝表面和疏水表面仅试片前沿结霜量较多的位置有融霜液态水排出,残留液态水较多。亲水表面上残留的液态水形状无规则,接触角很小,水珠与冷面的接触面积较大;裸铝表面上残留液态水形状无规则,水珠较大;疏水表面残留的液态水都呈直径很小的球缺状,形状规则且与冷面的接触面积较小。

从排液时间上看,疏水表面由于大部分液态水都以分散的小水珠的状态附着在表面上,排液时间最短;亲水表面上液态水以膜状排出,排液时间最长。

图8 竖直表面融霜排液过程
Fig.8 Defrosting and meltwater drainage process
(Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1,tf=60 min)

3.3 竖直表面循环再结霜过程

对于竖直试片,在Tw=-10℃,Tin=2℃,RH=85%,u=0.92 m·s-1实验条件下,结霜tf=60 min后,断开半导体制冷片电源,待表面霜层融化并不再有液态水排出后,再次接通制冷片电源,使试片在上述相同实验条件下进行再结霜实验45 min。图9给出了亲水表面、裸铝表面和疏水表面在融霜排液后的再结霜过程。在制冷片接通电源开始制冷后,亲水表面上残留液态水在2 min内全部冻结,表面上很快出现霜层。与亲水表面相比,裸铝表面和疏水表面残留的液态水完全冻结要更晚,特别是疏水表面,在10 min时,表面上依然有未冻结的水珠。这是因为亲水表面上水珠的接触角小,同样体积的水珠在亲水表面上与冷面的接触面积更大,残留水珠温度降低更快,从而冻结更快。

图9 不同湿空气流速下霜层随时间的增长
Fig.9 Frost growth with different air velocity

图10给出了不同表面的融霜排液量和循环再结霜量,循环再结霜量包括融霜排液后再次冻结的残留水量和冷面上再次形成的霜层。从图中可以看出,亲水表面的排液效果最好,排液量约为裸铝表面排液量的2倍;亲水表面的循环再结霜量最低,为裸铝表面循环再结霜量的67%。疏水表面排液量与裸铝表面排液量相近,而再结霜量较裸铝表面再结霜略低,为裸铝表面再结霜量的95%。

亲水表面再结霜量最低是由于其融霜后的排液量比较高,表面液态水残留量少,液态水再次冻结后形成的冰就少。疏水表面再结霜量较裸铝表面低是因为疏水表面上,残留液态水珠的接触角大,水珠与冷面接触面积小、冻结晚,从而延缓了霜层的生长。

对于某些处于结霜/融霜循环中的设备表面,采用亲水表面由于在融霜排液过程中可以将大量的融化水排走从而减少再次结霜过程中的结霜量。所以在结霜/融霜循环使用过程中,亲水面的抑霜性能较好。

图10 竖直表面融霜排液量和循环再结霜量
Fig.10 Frost growth with different air velocity

4 结 论

本文研究了亲水表面、裸铝表面和疏水表面上冷凝水珠冻结过程和霜层生长过程,并在研究表面融霜排液后再结霜过程的基础上讨论了不同表面的抑霜性能。主要得到以下结论。

(1)表面特性影响冷凝水珠冻结过程,疏水表面上冷凝水珠呈规则球缺状,而亲水表面和裸铝表面上冷凝水珠形状不规则;疏水表面具有一定的延缓冷凝水珠冻结的作用,冻结时间晚于亲水表面和裸铝表面,但随着冷面温度的降低,疏水表面延缓冷凝水珠冻结的作用减弱。

(2)相比于亲水表面和裸铝表面上的平整霜层,疏水表面上霜层不平整,有凹穴和凸起;疏水表面上霜层平均厚度增长较亲水表面和裸铝表面缓慢,但在湿空气温度和冷面温度较低的情况下,表面特性几乎不影响霜层生长。

(3)融霜过程中,疏水表面上液态水呈较为规则的球缺状,而亲水表面上液态水呈不规则的膜状;排液过程中,疏水表面由于大部分液态水都以分散的小水珠的状态附着在表面上,排液时间最短、排液量小,亲水表面上液态水以膜状排出,排液时间最长、排液量最大。

(4)在本文实验条件下,亲水表面具有很好的排液效果,循环再结霜量最小;对处于结霜/融霜循环中的设备表面,采用亲水表面的抑霜效果较好。

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Receiveddate:2017-05-15.

Corresponding author:Prof.WU Xiaomin,wuxiaomin@tsinghua.edu.cn

Foundation item:supported by the National Natural Science Foundation of China (51476084) and the Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (20131089319).

Effect of surface wettability on frosting,defrosting and drainage

MA Qiang,WU Xiaomin

(KeyLaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringofMinistryofEducationBeijingKeyLaboratoryofCO2UtilizationandReductionTechnologyDepartmentofThermalEngineeringTsinghuaUniversityBeijing100084,China)

Abstract:Frosting processes on hydrophilic surface,bare aluminum surface and hydrophobic surface were experimentally investigated. The condensate water droplets freezing,frost layer growth,defrosting and water drainage on different surfaces were studied. The experimental results show that the condensate water droplet shape is spherical segment on hydrophobic surface while irregular shape on hydrophilic surface and bare aluminum surface. The condensate water droplets freezing process is delayed and the height of frost layer grows slower on hydrophobic surface. Frosting process on different surfaces are tend to be the same,when the humid air temperature and cooling surface temperature are low enough. The frost distribution is even on hydrophilic surface and bare aluminum surface compared with the hydrophobic surface; the hydrophilic surface has less residual meltwater,thus frost mass is lower on hydrophilic surface in frosting/defrosting circulation.

Key words:phase change; surface; heat transfer; frosting; frost morphology; defrosting and drainage

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20170622

基金项目:国家自然科学基金项目(51476084);清华大学自主科研计划项目(20131089319)。

中图分类号:TK 123

文献标志码:A

文章编号:0438—1157(2017)S1—0090—06

2017-05-15收到初稿,2017-05-25收到修改稿。

联系人:吴晓敏。第一作者:马强(1990—),男,博士研究生。