相对湿度对固体冷表面上液滴凝结过程规律影响的研究

张 哲 尚惠青 严 雷 杨文哲 袁 晖 张秋梅

(1 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

(2 维克(天津)有限公司 天津 301700)

1 引言

液滴在固体冷表面上发生凝结是日常生活中常见的一种现象,诸如荷叶上的水珠、清晨的露珠等;在工业领域中也能时常发现,诸如低温状态下一些管道外壁上附着的冷凝水、换热设备外侧附着的冷凝水等。换热设备在制冷行业中被广泛应用,但凝结方式对换热设备的换热效率有着一定的影响,当换热器中大都以珠状凝结的方式呈现时,对提高能源利用率、降低成本和减小传热面积等方面都是有帮助的。

对固体冷表面上液滴凝结现象发生的研究受到了众多研究学者的关注。房正达等[1]在研究低温状态铝表面上的液滴冻结受温湿度影响的过程中,发现在其实验条件下液滴凝结的数量呈现出随温度升高而降低、随相对湿度升高而减少的趋势。夏松柏等[2]利用探针检测冷凝前后镁表面氧元素的变化和分布情况,研究发现形成珠状凝结初始液滴的机理时发现初始液滴的分布具有不均匀性、随机性。兰忠等[3]利用反射光谱研究了滴状冷凝的过程,发现脱落后的液滴会在其冷表面原位置的空白区域形成蒸气凝聚的某种形式,而此区域附近的其它蒸气分子会在此区域上成核并形成新的液滴。M Praveen 等[4]模拟了在亚低温疏水表面上铋蒸气的液滴冷凝过程,发现珠状凝结在铋表面上的成核、生长和聚合过程,并对近水平和垂直曲面进行了研究,发现液滴的合并是一个瞬态的过程,所需时间是毫秒级,分析了热流通量和壁面剪切力对速度的敏感性。Rongfu Wen 等[5]在研究低温表面结构对液滴凝结过程的影响时,提出了一种具有纳米线结构的铜基疏水冷表面,发现具有此种结构的冷表面上的冷凝换热效果大大地得到了提升,并实现了24K 大过冷和调节冷凝表面附近的蒸气密度差的目的,使得最终形成的液滴具有移动性。Fuqiang Chu 等[6]通过研究凝结液滴发生液滴合并现象与冷表面的润湿性之间的关系,在观察研究液滴形成形状的规则程度以及液滴聚集合并的过程中,发现随着冷表面接触角的不断增大、接触角滞后的不断降低,液滴在聚集合并的过程中所受到的阻力就会减小,液滴的聚集合并过程就会变得相对平滑、形状也会变得更加规则。李成[7]等利用数值模拟的方法研究了湿空气在竖直壁面上凝结的传热传质模型,并充分考虑各方面因素对凝结过程的影响,得到了影响传热传质速率的一个决定性的因素,即冷壁面温度的大小;且在不考虑较薄凝结液膜的影响时,模型的误差能够控制在1% 以内。Quan Liu等[8]在研究短垂直平板上凝结过程时,探究了重力等因素对凝结的影响,发现传热性能会随着重力的减小而降低,造成这种趋势的原因是由于在重力变化的影响下凝结所形成膜的厚度在增加。

本文在研究液滴冷凝的过程中,以疏水材料四氟乙烯平板为基底。选用该材料是其在换热设备中的应用相较于金属材质的换热设备具有一定的优越性,其本身具有防腐蚀特点、用在换热设备中成本更低且维护简单,因此该材料被广泛应用[9-11]。探究277.15 K温度下该平板冷表面上的液滴凝结过程,通过控制变量法,改变冷表面附近的环境相对湿度条件,获取凝结液滴尺寸大小及数量多少的数据,分析湿度影响下随时间变化的相关性。

2 实验设备及方法

实验选用冷凝底板材料为四氟乙烯,其尺寸为80 mm ×80 mm ×2 mm。四氟乙烯平板冷表面上液滴凝结实验装置示意图如图1 所示。该实验装置主要由凝结图像数据采集系统(操作主机和3D 视频显微镜)和温湿度控制系统(温湿度控制器、温度记录仪、湿度记录仪和低温恒温水槽)组成。在观察冷表面液滴凝结的过程中,采用3D 视频显微镜的高倍镜观察整个凝结过程,3D 视频显微镜负责捕捉清晰的液滴凝结图像数据,并将图像数据传到电脑端以便之后的图像分析、处理;便携式温度记录仪进行四氟乙烯冷凝上表面温度的测量、记录;湿度记录仪采集液滴凝结表面附近的湿度并将信号传出。温、湿度记录仪的相关参数如表1 所示。

表1 温湿度记录仪的相关参数Table 1 Parameters of temperature and humidity recorder

图1 四氟乙烯平板冷表面上液滴凝结实验装置示意图1-操作主机;2-RH-2000 3D 视频显微镜;3-温湿度控制腔;4-温度控制器;5-低温恒温水槽;6-湿度记录仪;7-便携式温度记录仪;8-湿度控制器Fig.1 Schematic diagram of experimental device of liquid drop condensation on cold surface of tetrafluoroethylene plate

在液滴凝结实验开始之前需要对四氟乙烯平板的表面进行清洁,大致的工作流程为:首先,使用酒精棉球擦拭四氟乙烯平板表面,将表面上的杂质去除;其次,使用蒸馏水对四氟乙烯平板进行冲洗后,在超声波清洗仪中注入适量的蒸馏水,将四氟乙烯平板完全浸没于蒸馏水中,启动清洗仪对四氟乙烯平板清洗5—8 min;最后,将四氟乙烯平板取出晾干、待用。在液滴凝结实验的过程中,控制过冷度ΔT为20 K,即冷凝表面的温度控制在4 ℃,相对湿度控制范围为50%—90% RH,间隔为10%,即相对湿度条件为50%RH、60% RH、70% RH、80% RH、90% RH。在凝结实验的过程中,通过依次调节冷表面附近环境的相对湿度获取液滴凝结的图像并记录,时间间隔为120 s。

3 实验数据与分析

液滴凝结实验的过程中四氟乙烯平板冷表面的温度为4 ℃,周围环境温度为24 ℃,冷表面上的液滴在不断长大、合并,凝结液滴直径和数量受到相对湿度大小的影响也一直发生着变化。

3.1 相对湿度对冷表面上液滴大小的影响

图2展示出来的是四氟乙烯平板冷表面温度维持在4 ℃(即过冷度ΔT为20 K)、湿度为50%RH 和80%RH 条件下液滴在冷表面上的凝结过程。通过实验图像对比表明,在高相对湿度80% 的情况下凝结稳定时间短,液滴凝结过程的持续时间为1 200 s,在此之后凝结的液滴才会趋于稳定,凝结液滴的生长、合并过程才会结束,此时的液滴直径达到了274.68 μm,而此时低相对湿度情况下的液滴还处于生长状态。并且在观察不同湿度下液滴凝结可知,在湿度较大时凝结的液滴较饱满,形成的初始液滴也比较大;而在湿度较小时,凝结液滴不饱满,且视野中的液滴大多呈现椭圆状的外形。

图2 湿度分别为50%、80%条件下液滴凝结过程Fig.2 Condensation process of droplets under humidity of 50% and 80% respectively

图3 展示的是液滴直径随凝结时间的变化趋势及不同相对湿度条件下液滴直径大小与凝结所需时间的线性拟合。从图中不同相对湿度下直径数据的变化中可以看出,总的趋势为冷表面上液滴凝结过程的持续时间会随着相对湿度的不断增大而减小、液滴直径的大小则会随着相对湿度的不断增加而增大。在凝结前期,液滴依靠吸收周边湿空气中的水分子凝结长大,液滴直径随凝结时间持续增长,待在冷表面上铺满液滴时,液滴相邻之间距离足够小,就会发生合并现象。在每次合并完成后,由于表面张力的存在致使液滴发生轻微收缩,在收缩完成后,液滴达到稳定状态;正是由于表面张力的存在凝结液滴的直径并不是呈直线增大的,而是有一定的波动性,这在图中也能明显的观察出来。湿度为50% RH 的情况下液滴的整个凝结过程达到稳定状态时所需要的时间为3 120 s 左右,并且在约2 000 s 时液滴发生较大规模的合并现象,使得液滴的直径出现一个较大的波动;而高湿度80% RH、90% RH 情况下稳定所需的时间仅为1 200 s 左右,缩短幅度达到了60%。通过焓-湿图可发现当湿度增大时会导致水蒸气分压力也增大,此时水蒸气遇冷表面更容易达到凝结时的露点温度,换言之就是更容易达到凝结的条件,所以整个过程所需要的时间会缩短。从图中线性拟合的结果来看,不同湿度的拟合线斜率与相对湿度呈正相关,即相对湿度越大,斜率越大,这就说明在湿度较大的情况下凝结过程完成的快;但是在湿度90%RH 的条件时液滴直径没有达到最大值,最终的直径相较80%RH 条件下要小很多,这是因为在这种情况下由于湿度较大,被追踪的液滴被相邻的大液滴合并,即湿度在80%RH 时,被追踪的液滴发生了合并。在湿度相对较大的情况下,液滴合并过程发生较快且比较容易形成大液滴,而在湿度相对较小的情况下,凝结过程缓慢且凝结液滴直径较小,合并液滴后也较小,不易形成大液滴。

图3 不同相对湿度条件下的拟合Fig.3 Fitting under different relative humidity conditions

通过图3 中相应数据拟合的相关性分析,利用α=0.05 进行检验,检验结果如表2 所示。可以得出液滴直径与凝结时间呈显著性相关,通过回归方程,可以得到在某时刻时液滴直径大小的计算值。

表2 液滴直径大小与凝结时间的相关性分析Table 2 Correlation analysis of droplet diameter and condensation time

3.2 相对湿度对冷表面上液滴数量的影响

在研究不同相对湿度对冷表面上液滴凝结数量产生影响的过程中,通过视频显微镜所观察到的视野范围为352 μm2,所以在获取单位面积(1 m2)上液滴凝结的数量时,利用相似原理进一步估算出1 m2的四氟乙烯平板冷表面上凝结液滴的数量变化情况。

图4 是不同相对湿度条件下液滴凝结数量随凝结时间的趋势变化图。从图中可以看出,每种条件下的变化曲线都大致存在一个峰值,这是在液滴没有发生大规模合并现象之前液滴快速生长的结果;并且由于相对湿度的不同,峰值状态下的液滴数量是存在一定差异的。在冷表面上的凝结液滴完成凝结、合并后,冷表面上的数量最终趋于平稳,但是在相对降低的湿度下最终视野区域中的液滴数量要多于高湿度的情况,出现这样的情况是因为在高湿度情况下在视野区域的冷表面上更容易凝结出体积大的液滴,如图5、图6 所示。当冷表面上液滴合并现象发生后,液滴在大量合并后数量快速减少,新的核化中心重新暴露出来,就会在冷表面上有新的液滴凝结形成第二代凝结液滴。由于第二代液滴成核区域取决于第一代液滴合并的速度,第二代液滴是再成核以后生成的液滴并且直径大小存在着明显的差异,所以第二代液滴生成的速率很大一部分取决于第一代液滴,而不仅仅是受驱动力的单一影响,受多重因素的影响,因此二代液滴的凝结很难呈现有规律的正态分布。在此之后新形成的液滴所受影响同第二代液滴一样。

图4 不同相对湿度条件下液滴凝结数量的情况Fig.4 Drop condensation quantity under different relative humidity conditions

图5 不同湿度情况下t=600 s 时的液滴凝结图像Fig.5 Image of droplets condensation under different humidity conditions at t=600 s

图6 不同湿度情况下t=600 s 时液滴直径对比Fig.6 Comparison of droplet diameter under different humidity conditions at t=600 s

同时,液滴数量也会影响液滴与冷表面总的接触面积,通过将液滴凝结稳定状态时的图像数据进行二值化处理后得到稳定状态下冷表面上液滴面积的覆盖率,如图7 所示,发现随着湿度的增加冷表面上液滴的覆盖率呈现递减的趋势。

图7 冷表面上液滴面积覆盖率趋势Fig.7 Tendency of droplet area coverage on cold surface

4 结论

通过可视化的实验设备观察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝结过程,研究在过冷度ΔT=20 K 情况下不同相对湿度对液滴凝结过程的影响,分析在该实验条件下液滴直径及单位面积上液滴数量的变化情况。结论如下:

(1)相对湿度对液滴凝结有着显著的影响,并且高相对湿度更容易达到液滴凝结发生的条件;高相对湿度下液滴数量峰值最先出现,且高相对湿度90%情况下凝结稳定时间相较低相对湿度50% 降低了60%左右。

(2)通过拟合发现湿度较大时拟合线斜率也较大,说明液滴凝结速率与湿度呈现正相关性,并且相对湿度从50%增加到90%的过程中液滴凝结速率提高了4 倍左右。

(3)湿度对冷表面上液滴覆盖率的影响中,相对湿度越低,最终的面积覆盖率越高。