环境湿度对超疏水翅片结霜特性的影响

朱佳乐, 汤 锐, 汪 峰, 王泽婷, 邱鹏飞

(扬州大学电气与能源动力工程学院, 江苏 扬州 225127)

空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的装置, 具有节能环保、安装灵活、兼顾制冷制热等优点．但是, 空气源热泵在冬季制热运行时, 其室外换热器翅片表面存在结霜问题, 严重影响空气源热泵的稳定与高效运行[1-3]．因此, 开发适宜的抑霜技术, 是保证空气源热泵运行效率的必要措施．超疏水表面改性抑霜技术成本低、简单可靠、绿色环保, 为解决空气源热泵的结霜问题提供了有效途径, 成为国内外研究热点．通过化学刻蚀、涂层喷涂、电火花微加工及化学氧化等方法,可制备出具有纳米结构或微米-纳米复合结构的超疏水表面[4-6]. 针对使用长效性问题, 学者们又通过杂化技术、钢化处理、自修复等手段有效提高了超疏水表面的使用寿命[7-8], 使超疏水表面改性技术趋于成熟．

目前国内外学者已对超疏水翅片的抑霜特性及机理进行了研究, 如罗倩妮等[9]研究了超疏水表面结霜初期的凝结液滴冻结行为特性, 结果表明表面疏水性越好, 液滴分布越稀疏,“冰桥”形成速度越慢, 冻结行为越难传递; Liu等[10]研究了超疏水表面的结霜过程, 发现超疏水表面在620 s后才出现少量凝结液滴, 且液滴长时间不冻结,而相同条件下的普通铜表面已被霜层覆盖; Shen等[11]对4种具有不同微观形貌的表面进行结霜测试, 结果发现超疏水微结构表面的抗结霜性能最佳; Kim等[12]采用涂层和刻蚀混合的方法制备了超疏水表面, 由于静态接触角大, 冰晶的形成和传播被有效延迟; 另一些研究者[13-15]发现, 超疏水表面凝结液滴的合并弹跳导致液滴分布稀疏, 减小了“冰桥”的传播速率, 起到延迟液滴冻结和霜层生长的作用．

以上研究表明, 超疏水表面可有效延迟结霜初始阶段凝结液滴的冻结及霜晶形成,从而抑制霜层生长,但超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能仍有待揭示．为此,本文制备了接触角为161.5°的超疏水翅片, 并通过搭建翅片表面结霜实验平台, 拟获取不同环境湿度条件下超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能, 为超疏水抑霜技术在不同气候区域的抑霜应用提供参考依据．

1 实验设计

1.1 超疏水翅片的制备

图1 接触角测量仪照片(a)及滚动角示意图(b)

1.2 结霜实验平台的构建

翅片表面结霜实验平台包括半导体冷台、结霜环境控制系统和可视化装置, 其原理图及实物照片如图2所示．冷台采用半导体温差电制冷, 温度调节范围为-30～60 ℃, 通过恒温槽制取冷却水对冷台热端进行散热．为模拟空气源热泵室外换热器翅片的实际工作状态, 将冷台竖直放置, 翅片采用导热硅脂黏附于冷台表面．导热硅脂的导热系数为13.8 W·m-1·K-1, 较高的导热系数可确保冷台与翅片表面温差不超过1 ℃．结霜环境控制系统用于调控局部结霜环境的温湿度．将恒温槽中的低温乙二醇溶液(冰点为-22.9 ℃)通入换热器中对空气进行冷却和除湿, 超声波加湿器用于向空气加湿．经过降温和调湿后的空气以低于1.0 m·s-1的速度送至翅片表面．可视化装置包括高速相机和显微仪(镜头产自美国Resolv公司), 分别用于正面和侧面观测翅片表面结霜的动态过程．

图2 结霜实验平台原理图(a)及实物照片(b)

采用温湿度传感器(Vaisala公司, 芬兰)测量局部结霜环境的温湿度, 测温精度为±0.3 ℃, 测湿精度为±2%．采用热线风速仪(Fluke公司,美国)测量送风速度,测量精度为±3%．采用高速相机内置的图像处理软件进行结霜时间计时, 精度为±1 s．采用单色分离法并通过ImageView软件获取凝结液滴直径、凝结液滴在翅片表面所占面积以及霜层高度．定义凝结液滴对翅片表面的覆盖率f为凝结液滴所占面积Ad与翅片表面面积As之比．图3为霜层高度计算原理图．首先, 对霜层图片进行单色分离, 然后将处理后的图片导入ImageView软件中自动计算图片中非结霜区域的面积A1, 则霜层平均高度h=(LH-A1)/H, 式中L和H分别为霜层图片的宽和高．每种结霜条件下的实验均重复3次并取平均值作为测试结果．通过以上方法获得的表面覆盖率和霜层高度的测量误差均小于10%．

图3 霜层高度计算原理图

2 实验结果与讨论

2.1 结霜初始阶段

2.1.1 冻结时间

实验中, 设定结霜温度即冷台表面温度为-5 ℃, 环境温度为10 ℃, 环境相对湿度(relative humidity, RH)分别为65%、75%、85%和95%．图4为不同环境湿度下超疏水翅片表面结霜初始阶段的凝结-冻结过程．图中选取液滴形成、液滴生长、合并弹跳、开始冻结等关键时间节点进行分析．由图4可见: 不同环境湿度下超疏水翅片表面结霜初始阶段的凝结-冻结过程相似．翅片表面随机分布着由凝结液核发展成的凝结液滴, 随着结霜过程的持续,液滴不断生长并伴随着液滴合并和弹跳等行为．此后, 液滴逐渐冻结而进入霜层生长阶段．翅片边缘处的液滴先冻结, 逐渐向翅片中间横向传递, 即冻结液滴表面会形成横向生长的“冰桥”, 冰桥依靠冻结液滴周围小尺寸液滴的蒸发而生长, 当冰桥与相邻液滴接触, 相邻液滴即发生冻结．

第一行: 液滴形成; 第二行: 液滴生长; 第三行: 合并弹跳; 第四行: 开始冻结.

图5为不同环境湿度下超疏水翅片表面的凝结液滴冻结时间．选取液滴开始冻结时间T0、约半数凝结液滴冻结时间T1和完全冻结的时间T2等3个典型时刻进行对比．由图5可知: 当相对湿度为65%时, 液滴约在1 800 s开始冻结; 而当相对湿度为95%时, 液滴约在600 s开始冻结, 冻结时间大幅缩短．当相对湿度为65%时, 液滴约在2 200 s完全冻结, 而当相对湿度分别为75%,85%和95%时, 对应的液滴完全冻结时间分别缩短了660, 960, 1 140 s．虽然超疏水翅片表面的凝结液滴冻结时间随着相对湿度的增加而减少, 但与普通翅片相比, 抑霜效果仍然显著, 当相对湿度为95%时, 其表面的液滴开始冻结和完全冻结时间较普通翅片分别延长了510 s和885 s, 在相同环境条件下的液滴冻结时间明显延长．以上结果说明超疏水翅片具有延缓结霜初始阶段凝结液滴冻结的效果．

图5 不同环境湿度下超疏水翅片表面的凝结液滴冻结时间

2.1.2 翅片表面覆盖率

图6为凝结液滴在不同环境湿度和结霜时间下在翅片表面的覆盖率．由图6(a)可知, 普通翅片的表面覆盖率随着相对湿度的增加而增加, 而超疏水翅片的表面覆盖率并没有因相对湿度的增加而出现明显改变趋势．当相对湿度为65%、75%、85%和95%时,超疏水翅片表面覆盖率分别为59.8%、57.6%、66.1%和59.3%,这是由于超疏水翅片表面的凝结液滴频繁发生合并后产生弹跳现象引起的, 由于超疏水表面的低黏附性, 液滴生长到一定尺寸后与周围液滴产生合并, 随后液滴会通过自弹跳离开翅片表面, 从而使翅片表面的液滴覆盖率保持较低水平．图6(b)结果表明, 普通翅片的表面覆盖率随着结霜时间的变化一直处于增长趋势, 这是因为凝结液滴通过不断地生长与合并, 增加了其对翅片表面的覆盖率．而超疏水翅片的表面覆盖率在54.9%～57.6%区间浮动, 这是因为凝结液滴在超疏水翅片表面经常发生合并后弹跳的现象．凝结液滴通过不断生长导致覆盖率增加, 而部分液滴弹跳离开翅片表面又导致覆盖率降低．两种行为的相互抵消,使得表面覆盖率不会随着结霜时间持续增加, 而是在某一区间内上下波动．

图6 不同环境湿度(a)和结霜时间(b)下凝结液滴在翅片表面的覆盖率对比

2.1.3 凝结液滴尺寸

图7 不同环境湿度下超疏水翅片表面凝结液滴平均直径

2.2 霜层生长阶段

图8为结霜时间为45 min时不同相对湿度下超疏水翅片表面的霜层形态．由图8可见, 环境相对湿度越大, 翅片表面霜层越密实．当相对湿度为65%时, 翅片表面覆盖有大量剑形霜晶, 未长出霜晶的区域形成一层薄薄的霜层; 当相对湿度为75%时, 翅片表面布满大量霜花, 只有小部分区域未被覆盖; 而当相对湿度为85%和95%时, 翅片表面被霜层完全覆盖, 且相对湿度为95%时的霜层更密实．

图8 不同环境湿度下超疏水翅片表面的结霜形态

图9展示了不同环境湿度下翅片表面霜层高度随结霜时间的变化．超疏水翅片和普通翅片表面的霜层高度均随着相对湿度的增加而增加．但在相同环境湿度和结霜时间下, 超疏水翅片表面的霜层高度均明显低于普通翅片．当结霜时间为45 min时, 相对湿度为65%、75%、85%和95%的超疏水翅片表面霜层高度仅为普通翅片表面的0.78, 0.58, 0.64, 0.74倍．以上结果说明, 超疏水翅片在不同的湿度环境下均能有效抑制霜层生长．

图9 不同环境湿度下翅片表面霜层高度随结霜时间的变化

超疏水翅片能有效抑制霜层生长,主要有以下两方面的原因．一方面, 超疏水表面凝结液滴的合并弹跳导致液滴分布稀疏, 降低了液滴间霜晶的横向传播速度,从而起到抑制液滴冻结及霜层生长的作用．凝结液滴合并后的弹跳是由液滴合并前后体系自由能的变化引起的．由于超疏水表面对液滴的粘附力较弱,多个小液滴合并成大液滴后释放的能量大于表面对液滴的黏附功,多余能量转化为液滴的动能, 从而引发液滴弹跳．另一方面,凝结液滴冻结后,水蒸气在其表面凝华形成霜晶, 冻结液滴成为霜层生长的基体．冻结液滴与超疏水翅片表面的微结构间形成如图10所示的空气垫[16], 由于空气垫的形成, 冻结液滴仅与超疏水翅片表面的微结构相接触．对于体积相同的冻结液滴, 其与超疏水翅片表面的实际接触面积比普通翅片表面小得多,因此超疏水翅片与冻结液滴间的传热热阻更大,可有效抑制霜层生长．

图10 冻结液滴与超疏水翅片表面的接触状态

3 结论

本文搭建了翅片表面结霜实验平台, 以可视化方式获取了环境相对湿度别为65%、75%、85%和95%时超疏水翅片表面的结霜过程, 揭示了超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能. 结论如下: 1) 结霜初期, 凝结液滴的生长受到环境相对湿度影响,湿度越高, 翅片表面液滴直径越大．凝结液滴的冻结时间随相对湿度的增加而减少, 当相对湿度从65%增加到95%, 液滴开始冻结时间和完全冻结时间分别缩短了66.7%和51.8%．但湿度对液滴冻结前翅片表面覆盖率的影响并不明显; 2) 结霜时间为45 min时, 超疏水翅片表面的霜层高度分别为0.26, 0.42, 0.65, 0.93 mm．虽然超疏水翅片的霜层高度随着相对湿度的增加而增加, 但与普通翅片相比, 其在不同湿度下均具有显著的抑霜效果．