不同压力下竖直深冷表面结霜现象实验研究

郭芹良，郄殿福，王 晶，尚永红，王洪兴，许冬彦

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094；3.中国航天标准化研究所，北京 100071）

0 引言

结霜现象广泛存在于自然界和低温、制冷、航空航天等工程领域。当冷表面温度低于对应水蒸气分压下的冰点温度时，水蒸气将会在冷表面凝华成霜。目前载人航天器尚未全部实现闭环水循环，在轨运行时会向空间排放一定量的水，而且航天服水升华器也会释放一定量的水蒸气。这些围绕在航天器周围的稀薄水蒸气有可能在航天器低温表面凝华成霜，影响航天器性能，如在散热面凝华会影响航天器热控性能，在光学相机表面凝华会影响光学性能，在机构关节凝华则会影响机构运动。航天器环境模拟设备内部不可避免地存在一定量的水蒸气，因此航天器地面模拟试验时水蒸气遇到低温表面也会产生凝华结霜现象；如果霜层形成在试验件的关键表面，将会影响试验件的原有性能，导致试验结果不准确，甚至是整个试验的失效。

目前，对常压、普冷条件下的结霜现象研究较多，霜层表面与湿空气之间的传热、传质机理已比较明确[1]。Hayashi等人[2]根据霜层的生长过程特点将霜层生长阶段划为霜晶生长期、霜层生长期和霜层充分生长期3个阶段。吴晓敏等[3-4]、李栋等[5]发现冷表面上的结霜过程经历了水珠生成、长大、冻结，初始霜晶生成及其成长、老化等过程。但当冷表面温度降低到-38 ℃时，湿空气在冷表面上直接析霜，即直接发生气固相变，而并未观察到结露现象[6]。在深冷条件下，冷板表面温度是影响结霜机理的根本性因素，霜层的生长过程受外边界层理论控制[7]。姚淑婷、安彭军等[8-9]分析了深冷结霜工况下竖直冷板附近的湿空气流动状态，认为湿空气在竖直平板附近自下而上进行主流动，其他方向的湿空气汇入到主流动中。利用计盒法对霜层图像进行分形分析，发现霜层的分形维数逐渐变大，意味着霜层充满空间的能力逐渐变强。

由于常压下凝华成霜的机理和物性参数与真空低温条件下的差异很大，上述相关研究所得的结霜机理无法直接用于真空深冷环境下的凝华过程分析；对于深冷条件下的结霜现象研究较少，缺乏霜层生长过程和霜层形貌的详细信息，更未见到对于低气压、深冷条件下霜层生长过程和霜层形貌的相关研究报道。Moeller等[10]针对空间环境模拟器内的结霜问题，设计了一套用于监视结霜过程的装置，观察发现，真空度维持在10-5Pa时，结霜温度范围为 30～65 K，霜层最大厚度仅为 45 μm，但是未对霜层的形貌进行描述。

实验研究在现阶段仍然是观察分析结霜过程的重要手段，因此，本文建立了结霜可视化实验装置，针对深冷表面的结霜现象，研究不同压力条件下霜层的微观形貌和生长过程，并进行对比分析。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

为观察分析不同压力条件下，深冷表面结霜过程和霜层形貌特征，需首先营造结霜环境条件，然后采用合适的观察手段进行分析。本文搭建的冷表面结霜可视化实验装置由低温系统、真空系统、数据采集系统和图像采集系统组成（如图1所示）。其中，低温系统和真空系统用于控制结霜环境条件，包括冷表面温度和真空度；数据采集系统记录冷表面的温度、真空度；图像采集系统用于记录和分析霜层形貌及其生长过程的图像信息。

图1 可视化实验系统简图Fig.1 Visualization experiment system

低温系统由液氮冷盒和加热片组成，液氮在冷盒内充分换热以降低铜块的温度，冷盒的四周粘贴加热片，通过PID控制器调节液氮流量和加热片功率，可将冷表面温度控制在-180～0 ℃的范围内，温度的波动度为±0.2 ℃。真空容器由304#不锈钢底座和石英玻璃钟罩组成，二者之间通过压紧法兰连接。真空容器的有效尺寸为φ380mm×800mm，石英玻璃有良好的光透性，并且可以承受相当大的压力，便于在真空罐外使用显微摄像进行观察。真空获得系统由干泵和分子泵组成，极限真空度为5×10-4Pa。结霜表面为竖直放置的冷盒抛光外表面，冷盒的材料为紫铜，尺寸为 40mm×40mm×20mm，表面粘贴Pt-100型铂电阻测量冷表面温度，冷盒的四周包裹10mm厚的聚四氟隔热板。结霜过程由显微摄像系统记录，从平行于冷板表面的方向拍摄记录霜层厚度的变化，从垂直于冷板表面的方向拍摄观测结霜初期霜层的形貌特征，显微镜的放大倍数由放置于视野内的刻度尺标定。图像采集系统由计算机、系统显示器、图像采集卡、体视显微镜、CCD相机和系统软件等构成。本实验采用博鸿光学仪器厂生产的体视显微镜对结霜过程进行放大观测（光学放大倍数可以达到4.5倍），并采用冷光源照明。湿空气的温度和湿度由温湿度传感器测量，整个实验在温、湿度比较恒定的房间进行，不考虑室内空气温湿度对实验结果的影响。

1.2 实验方法

实验开始前用酒精和脱脂纱布清洗结霜表面，调整相机参数，相机记录冷板表面初始状态，用刻度尺对显微摄像放大倍数进行标定，相机每30 s进行一次图像采集。

实验分为2部分：

1）常压环境下深冷表面的结霜实验。实验开始前用保鲜膜包裹实验表面，当冷表面温度达到预定温度后，去除保鲜膜开始实验。实验过程中冷表面温度保持不变，实验持续180 min。

2）真空环境下深冷表面的结霜实验。打开真空系统，使真空度达到0.5 Pa后打开低温系统对冷表面进行预冷。当冷表面温度达到预定温度后，开启真空系统调节阀门控制真空度，待真空度稳定维持在 250 Pa 后开始实验，实验持续 180 min。

2 结果及讨论

2.1 常压深冷条件下结霜过程

常压条件下（冷表面温度-180 ℃，空气温度15.8 ℃、相对湿度11%）竖直冷表面的霜层生长过程可以分为3个阶段。图2为结霜过程第1阶段的典型图像，其中，图2(a)为实验开始前冷表面的状态。实验开始后，冷表面温度逐渐下降，t=6 min时，冷板表面开始出现白色的霜层颗粒，颗粒的直径很小（见图2(b)）；随后霜层颗粒数目逐渐增多，直径也逐渐增大（见图2(c)）；t=20 min 时，颗粒状的霜层如图2(d)所示。在实验开始后的前20 min内，显微镜观测区域未发现晶核。图2(e)为t=15 min时全部冷表面霜层的晶核分布情况，可以看出，在冷板的边缘以及涂有硅橡胶的表面晶核显著多于其他部位的，霜晶的分布极不均匀。初始晶核在冷板表面分布不均匀的原因可能与冷板周围的水蒸气流动状态和冷板表面的粗糙度有关，分布的机理有待进一步研究。

图2 常压条件下结霜初始阶段Fig.2 Primary stage of frosting under atmospheric pressure

初始晶核形成之后，霜层进入第2生长阶段（如图3所示）。此阶段霜晶生长过程表现为沿平行和垂直于冷板表面2个方向生长。沿平行于冷板表面方向，t=22 min时，向下生长的霜晶开始进入显微镜的视野；t=39 min时，晶体铺满整个视野。由此计算出霜层向下生长的速度约为0.3mm/min。霜层沿平行于冷板表面方向的生长速度明显大于垂直于冷板表面方向的生长速度。

在微观形貌上，霜晶呈现羽毛状晶体结构特征，微观上向四周辐射型生长，但由于受到重力等因素的影响，枝晶会向竖直方向收拢，宏观上表现为霜层沿平行于冷板表面方向快速向下生长。此时的霜晶结构蓬松，易去除。t=140 min时，羽毛状的霜层铺满整个冷板表面。

图3 霜晶沿平行于冷板表面方向的生长过程Fig.3 Frost grows down the cold plate

当霜层向下生长铺满整个冷板表面以后，霜层生长进入第3个阶段，呈现均匀生长态势。此阶段冷板表面均有霜晶存在，枝晶从晶核向周围扩散生长，枝晶之间相互交错，此时的霜层较第2阶段的更厚更致密，整个冷板表面霜层分布均匀。结霜后期伴有霜层枝晶的融化现象。

总之，霜层的生长过程表现为：初始晶核形成过程；晶核沿冷板表面向下推移过程；推移的速度约为0.3mm/min；霜晶垂直于冷板表面的均匀生长过程。

常压条件下的霜层微观形貌分为2类，一类是附着在冷板表面的细小颗粒状的霜层薄膜，另一类是有羽毛状晶体特征的霜晶。前者薄而密，分布均匀，当前观测尺度下未发现固定形态，生长速度缓慢，与冷板表面贴合紧密，较难去除；后者蓬松，分布不均匀，生长速度快，与表面接触面积小，易于去除。

2.2 真空环境下结霜过程

图4为真空条件下（冷表面温度-180 ℃，结霜真空度250 Pa）竖直冷板表面的结霜过程的代表性微细观照片。其中，图4(a)为实验开始前洁净的铜板表面。实验开始后冷板表面温度逐渐降低，t=5 min时，冷板表面生成一层明亮的霜层，霜层为白色粉末状固体（见图4(b)）；t=6 min 时，霜层覆盖满整个冷板表面（见图4(c)）；随后在霜层中零星出现微小的颗粒状霜凸起，如图4(d)中红圈所示；t=32 min时，霜凸起的直径大约是初始时刻的2倍（见图4(e)），随着实验过程的推进，霜膜的厚度逐渐增加，凸起直径也逐渐变大；当t=66 min时，观测到霜膜突然出现一条微小裂缝（见图4(f)）。由图可见，霜膜会严重降低铜板表面对光线的反射。

图4 真空条件下结霜过程Fig.4 Frost growth in vacuum

图5为霜层开裂时裂缝的变化情况：起初裂缝一直存在，且大小没有显著变化；t=160 min时，关闭真空和低温系统后，冷板开始回温，真空室开始复压，图5(c)～图5(f)为回温和复压过程中霜层裂缝的变化过程。可以看出，在回温和复压过程中，霜层的裂缝迅速变大，且由于复压过程带来的水蒸气影响，霜层明显变厚。

图5 霜层的开裂过程Fig.5 The cracking process of frost

在真空条件下，霜层生长缓慢，160 min内霜层的厚度小于1.5mm。对比常压下的结霜情况，在整个霜层生长周期内，未发现晶体态的霜层结构；霜层在冷板上的分布更均匀、更致密，且更难去除；霜层在生长过程中发生开裂，并随着冷板温度以及真空室压力的升高，裂缝逐渐变大，这可能是冷板温度上升引起的热膨胀导致的。

3 结束语

本文针对深冷表面的结霜现象，建立了竖直深冷表面结霜现象的可视化观测实验装置，分别研究了常压和真空条件下的结霜过程和霜层微观形貌，可为后续进行真空条件下结霜机理的研究提供参考。但是对于观测到的常压条件下初始霜晶分布的趋边缘性以及真空条件下霜层开裂现象的机理未作深入分析，今后仍需进一步研究。

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