亲水性抑霜涂层的实验研究

翟玉玲，钟晓晖，周树光

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山 063009)

0 引言

结霜现象普遍存在于生活生产中的各个领域，特别是低温设备的各种换热表面上。只要条件允许，结霜现象就不可避免。当湿空气流经低于其水蒸气露点温度的冷表面时，就会凝结;若低于水的三相点温度，水蒸气将会在冷表面上直接凝华成霜。结霜初期，霜晶稀疏、霜层粗糙，相当于微小肋片，起到强化换热作用;随着时间推移，霜晶继续生长、分枝、融化、渗透，逐渐形成致密、连续的霜层。这时的霜层将影响换热器的工作性能，严重时甚至使系统失效［1-3］。

目前一般采用定期融霜的方法，即霜层生长到一定厚度借助外力来除霜。但是这种方法耗能费时，这在当今以节能、经济效益为衡量标准的社会里是不允许的。国内外学者一直在寻求既节能又能从根本上抑制结霜的方法，即从霜晶出现那刻起就抑制其生长［4-6］。其中在冷表面上涂覆亲水性抑霜涂层(以下简称亲水涂层)来抑制结霜成为近几年来的一个主要研究方向。因此，本文自行研制了一种新型的亲水性抑霜涂层，在低温高湿环境下进行了30个小时的结霜实验研究，为该涂层在实际制冷设备中的应用提供了实验依据。

1 实验装置

实验系统由BD-100卧式小型冰柜组成，制冷能力冷冻能力分为四档，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，各档温度可自动调控。冰柜的制冷温度在－5～－30℃的范围内变化，冰柜内湿度可由加湿器调节。

空冰柜运行时内部的相对湿度较小，一般在30% ～50%左右。为了增大结霜速率，实验时可使冰柜呈半敞开制冷状态并用加湿器对其内部加湿，测得相对湿度在60%以上，与装有果蔬等冷冻冷藏品的冰柜或冷库环境相似。实验开始前，启动冰柜强制制冷，待柜内温度达到稳定后，把制作好的结霜测试表面放置冰柜内，此时测得库内温度范围为－22.3～－28.3℃，相对湿度范围70～80%左右。实验环境如图1所示。

图1 实验环境

2 亲水性抑霜涂层的制作过程

一般翅片管式蒸发器的表面或冰箱、冰柜内的表面为铝箔材质，为了更接近实际结霜环境，选用尺寸为100mm×50mm×1.5mm的铝平板做结霜测试表面。首先，用耐水细砂纸打磨铝平板表面;再用清水反复冲刷、浸泡，去除铝表面的污粉;最后用丙酮擦拭干净，置于通风处晾干待用。亲水抑霜涂层是由吸水性树脂、能降低水冰点的添加剂、固化剂及稀料组成。吸水性树脂和添加剂在常温状态下呈粉末状，而且颗粒粒径较大。为了得到实验所需的细微粉末，先把它们在研磨皿里研磨几个小时后，然后粉末过300目的标准筛网。粉末粒径在显微镜里测得小于50μm，而且粉末粒径越小，所得涂层表面越光滑。实验材料准备好后，把按一定比例充分混合好的亲水涂料快速淋涂于先前准备好的铝平板表面上，用高温空气烘干待用。亲水涂层的制作流程如图2所示。

图2 亲水涂层的制作流程图

其中，根据实验需要制作了两种结霜表面。分别为:(1)表面1:铝平板的一半为裸表面，另一半为含亲水涂层的铝表面。目的是为了明显对比含亲水涂层的铝表面和裸表面的结霜情况。(2)表面2:整块铝平板涂覆亲水材料。目的是为了测量在实验过程中该铝平板随时间变化的吸水和结霜的质量增长量，得出实际的抑霜数据。上述两种测试表面如图3所示。

图3 结霜测试表面(左为表面1，右为表面2)

3 实验结果及分析

实验开始后，测量周围环境温度为18℃，相对湿度在10%左右。冰柜内温度范围控制在－22～－28℃内，相对湿度范围控制在70～80%内。因此冰柜内的环境为低温高湿环境，属于容易结霜的环境。若亲水涂层在此环境下能长时间不结霜，即说明此亲水涂层具有很好的抑霜效果。

图4是亲水涂层和裸表面在19h内的结霜对比图。从图可以看到亲水涂层大概在10h后才出现少量的霜晶，随后，亲水涂层内的吸水性树脂逐渐吸附表面上的小水珠。随着吸水性树脂吸水量的增大，吸液速率开始变慢，逐渐趋于饱和状态。随着时间的推进，由于边缘效应，亲水涂层自上而下出现霜晶，并逐渐增厚。19h后，亲水涂层和裸表面的结霜现象对比更明显。裸表面上已经结上厚厚的一层霜，但亲水涂层表面上的霜晶分布还比较稀疏，甚至有些地方未出现长霜的现象。说明亲水涂层在有效的时间内具有很明显的抑霜效果。

图4 亲水涂层(左)和裸表面(右)的结霜对比图

图5 亲水涂层30小时内的结霜质量增长量

图5是该亲水涂层在30个小时内的结霜质量增长量。从图可以看到霜重大致呈直线增长趋势，因此可以采用一元线性回归模型求出该图形的回归曲线。利用回归曲线大致可以预测出亲水涂层在任意时刻的霜重增长量。一元线性回归模型及相应的回归直线(拟合直线)方程如式(1)～(2)所示。

一元线性回归模型:

式中:

x—实验次数，每次代表每隔两个小时称霜重一次。

图6是实际的霜重增长量和拟合的霜重增长量的曲线图。并用t检验法(α=0.05)检验该回归方程，认为该线性方程回归效果显著。在30小时的结霜实验里，结霜质量增长量的实测值和拟合值的残差为0.017，如果实验时间越长残差就越小。因此，该回归方程大致可以预测出任何时刻的霜重质量增长量。

图6 回归直线和实际霜重质量增长曲线的对比

4 结论

在低温高湿的环境下，在有效的结霜时间内，本次实验研制的亲水涂层的抑霜效果比裸表面好。它都能有效地延迟霜晶的出现时间，而且亲水涂层上的霜晶较大且稀疏，易用外力除去。并用最小二乘估计法推导出亲水涂层的霜重质量增长量的回归直线，得出的拟合直线与实验数据相符性较好，为预测霜层的质量增长量提高了理论依据。

［1］查世彤，连添达，姚普明.关于霜的生长的研究综述［J］.天津商学院学报，1996(1):21-23.

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