武衛(wèi)東，呂婉豆，汪德龍

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

鋁基超疏水表面凝露初期的實(shí)驗(yàn)研究

武衛(wèi)東*，呂婉豆，汪德龍

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本文以鋁基體超疏水表面為研究對象，分別基于5 ℃、10 ℃和15 ℃的基底溫度，利用高速動態(tài)記錄儀觀測了表面凝露初期階段液滴的生成及凝并過程，并通過圖片像素計(jì)算了液滴直徑，進(jìn)行了相應(yīng)的疏水性能評價(jià)。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)基底溫度范圍內(nèi)，超疏水表面凝露初期，凝結(jié)液滴分布稀疏，不形成連續(xù)水膜，具有良好的疏水性能；隨著基底溫度的降低，液滴生成速度加快、數(shù)量增多，且基底溫度越低的表面越早出現(xiàn)液滴的凝并，凝并+后液滴趨于擁有自驅(qū)離能力，最終形成新的干表面從而保持良好疏水性能。研究結(jié)果可為超疏水性能輻射板及其表面溫度工況的優(yōu)化選擇提供一定的參考。

超疏水表面；鋁合金；凝露；輻射板

0 引言

結(jié)露問題一定程度上阻礙著輻射供冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用[1-4]。為了解決這一問題，充分發(fā)揮輻射供冷在節(jié)能效果和舒適性方面的優(yōu)勢，多年來，大批學(xué)者做了相關(guān)工作。目前為止，這些研究[5-9]主要集中在兩類方法：一是通過降低房間內(nèi)空氣的濕度，使其露點(diǎn)降低，從而減少凝露的產(chǎn)生；二是通過改變輻射板表面的溫度、材料等因素實(shí)現(xiàn)防凝露。

針對第一類方法，ZHANG等[10]在高溫高濕的工況下，先啟動房間的送風(fēng)系統(tǒng)，使其運(yùn)行1 h以上，待房間濕度下降后，關(guān)閉門窗以防止室外空氣侵入，再開啟輻射制冷系統(tǒng)，這一舉措有效避免了輻射板的結(jié)露。李先中等[11]在地板輻射供冷系統(tǒng)中，附加了置換通風(fēng)設(shè)備，以引入干燥新風(fēng)，將室內(nèi)相對濕度控制在45%～55%，有效防止了輻射板的凝露，該復(fù)合系統(tǒng)需增設(shè)額外的自控裝置。MUMMA[12]提出采用DOAS（Dedicated Outdoor Air System）的調(diào)節(jié)方法來解決結(jié)露問題，輻射供冷系統(tǒng)與獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)配合使用時(shí)，輻射供冷系統(tǒng)用來平衡室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)平衡剩下的顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷，能部分抑制凝露的生成，但系統(tǒng)的初投資較大，能耗較大。由此可見，采取上述這些方法減少凝露，存在著系統(tǒng)不易操作或成本較高等問題。

針對第二類方法，基于輻射板表面溫度，楊芳等[13]將輻射供冷的回水與進(jìn)水相互混合，提高了輻射板表面的溫度，此時(shí)表面雖不能結(jié)露，但房間的溫濕度控制精度低，房間的冷量不足?；诒砻娼Y(jié)構(gòu)，殷平等[14]利用超疏水表面作輻射面板，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)工況下，輻射板的表面凝露量較少，但作者對超疏水表面凝露產(chǎn)生的微觀機(jī)理沒有做出充分的論述。在對超疏水表面特性及其機(jī)理的深入研究中，李會娟等[15]利用一步變電壓電化學(xué)陽極氧化法在鋁的表面制備了納米級超疏水表面，其表面孔徑為120 nm左右，孔間距為160 nm，測得接觸角大于160°，滾動角接近0°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高濕度條件下，該表面上的凝露時(shí)間明顯延長，且輕微外力作用可使凝結(jié)水滑落表面，但作者缺少對超疏水表面凝露初期液滴形態(tài)變化的研究。HUANG等[16]采用溶液浸泡法，經(jīng)氟化物修飾后在銅表面制備了微納復(fù)合氧化銅結(jié)構(gòu)。在冷表面溫度為7 ℃、空氣溫度為27 ℃、相對濕度為46%的條件下，對比了超疏水表面與普通銅表面抗凝露效果。實(shí)驗(yàn)表明，在超疏水表面凝結(jié)的水滴呈現(xiàn)完美的球形，且其尺寸較小也更分散，但此研究缺少不同工況的對比。

綜上所述，輻射板采用超疏水表面，省卻了復(fù)雜的系統(tǒng)，延長了凝露時(shí)間，并具有利于液滴滑落的表面性能，是應(yīng)對凝露問題的一個(gè)重要選擇，但前人對凝露初期液滴的幾何形態(tài)缺少定量研究，而初期階段凝露的形態(tài)特征是分析輻射板表面結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況合理性的重要因素。本文選取了通過化學(xué)刻蝕結(jié)合噴涂超疏水涂料的方法制備出的鋁基體超疏水表面，利用高速動態(tài)記錄儀觀測了鋁基超疏水表面凝露初期液滴的凝結(jié)和凝并過程，分析了基底溫度對凝結(jié)液滴幾何尺寸和行為形態(tài)的影響，旨在為解決輻射供冷結(jié)露問題提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)所用的器材主要有：型號為XH-C1206的半導(dǎo)體制冷片（用于控制實(shí)驗(yàn)表面的基底溫度）；型號為DC-1006的高精度低溫恒溫槽，溫度范圍-10 ℃～100 ℃，精度0.5 ℃，用于半導(dǎo)體制冷片熱端散熱；銅-康銅（T型）熱電偶，測溫范圍為-40 ℃～350 ℃，精度±0.5 ℃，用于測量實(shí)驗(yàn)表面基底溫度；型號為HS300214的高速動態(tài)記錄儀，拍攝速度1,000幀/s。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)在環(huán)境室中進(jìn)行，如圖1所示。環(huán)境室主要的裝置有：空氣調(diào)節(jié)處理柜、制冷系統(tǒng)、加熱加濕系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其溫度的調(diào)節(jié)范圍為-20 ℃～60 ℃，控制精度為±0.2 ℃；相對濕度的控制范圍為30%～95%，控制精度為±2%。

圖1 環(huán)境室示意圖

圖2為實(shí)驗(yàn)觀測系統(tǒng)實(shí)物圖。設(shè)定并使環(huán)境溫濕度達(dá)到要求，再待基底溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度，將被測樣品（未經(jīng)處理的裸鋁表面和已制備的鋁基超疏水表面）放置在半導(dǎo)體制冷片表面；為了防止實(shí)驗(yàn)開始前濕度對實(shí)驗(yàn)過程的影響，實(shí)驗(yàn)前在樣品表面上放置塑料薄膜，在高速動態(tài)記錄儀開始拍攝時(shí)，將塑料薄膜移除，利用高速動態(tài)記錄儀（幀頻為1,000 ftp）觀測整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程液滴形態(tài)變化。

圖2 實(shí)驗(yàn)觀測系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)中，可能存在著各種各樣的誤差，這里主要分析圖像處理過程凝結(jié)液滴直徑測量存在的誤差。

凝結(jié)液滴的平均直徑是通過統(tǒng)計(jì)圖片中液滴的像素值得到的，在這個(gè)過程中不可避免存在一些誤差。實(shí)驗(yàn)中通過鋼尺1 mm的像素值來換算液滴的平均直徑，在實(shí)驗(yàn)所采用的放大倍數(shù)下，放大后，鋼尺1 mm包含810個(gè)像素點(diǎn)，在進(jìn)行圖像處理時(shí)，像素邊界上有一定的誤差，兩端不超過20個(gè)像素，可以得到此時(shí)像素邊緣引起的誤差為：

式中：

δd1——試樣邊界處像素誤差，個(gè)；

d1——試樣所包含的像素點(diǎn)，個(gè)。

實(shí)驗(yàn)中凝露液滴直徑主要集中在0.0377 mm～0.5211 mm，取液滴最小值0.0377 mm時(shí)，最小刻度值為0.0012 mm（1個(gè)像素點(diǎn)的長度值），那么測量的誤差為：

式中：

δd2——凝露液滴直徑測量誤差，mm；

d2——液滴直徑測量最小值，mm。

則液滴直徑值的最大相對測量誤差為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本實(shí)驗(yàn)中，控制環(huán)境室溫度為30 ℃、相對濕度為60%，用顯微鏡觀測基底溫度為10 ℃時(shí)普通裸鋁表面以及基底溫度分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃時(shí)超疏水表面的液滴凝結(jié)過程。圖3列出0 s、300 s和500 s時(shí)刻裸鋁表面的凝露圖像，圖4列出0 s、300 s和500 s時(shí)刻不同基底溫度下超疏水表面凝結(jié)液滴圖像，圖4中左中右圖分別為基底溫度為15 ℃、10 ℃和5 ℃時(shí)表面液滴凝結(jié)圖像，圖中銀白色為普通裸鋁表面紋路，灰黑色為超疏水涂料顆粒，白色圓形是凝結(jié)液滴，部分液滴在圖中用黃圈標(biāo)出。拍攝的圖片中，實(shí)際長度1 mm包含810個(gè)像素點(diǎn)，再通過圖片中凝結(jié)液滴的像素可計(jì)算出液滴的直徑，選取不同時(shí)刻10個(gè)凝結(jié)液滴，計(jì)算各直徑的平均值，結(jié)果總結(jié)于圖5。

由圖3中不同時(shí)刻普通裸鋁表面凝露微觀圖可以看出，在凝露初始0 s時(shí)刻遍布紋理和裸露的高能鋁表面，凝露300 s后普通表面上已形成分塊的連續(xù)水膜，凝露500 s后的水膜已連成一片滯留在表面上。

圖3 普通裸鋁表面在不同時(shí)刻的凝露圖

圖4(a)～4(c)分別為超疏水表面在凝露0 s、300 s和500 s時(shí)刻各自取15 ℃、10 ℃和5 ℃基底溫度下的微觀圖。與圖3中的形貌相比，圖4各形貌圖中均未出現(xiàn)連續(xù)水膜。由圖4(a)可以看出，超疏水表面分布著大大小小的溝壑，微小尺寸的粗糙結(jié)構(gòu)遍布在鋁基體表面上。

從圖4(b)可以看到，基底溫度為15 ℃時(shí)，超疏水表面上只有很少量的凝結(jié)液滴，液滴的直徑非常小，且其大小比較一致，液滴之間的距離較大，分布不均勻；當(dāng)基底溫度降到10 ℃時(shí)，水滴的直徑有所增加；經(jīng)測算，此時(shí)液滴的平均直徑約為0.0398 mm，液滴的分布仍舊比較稀疏，相對于15 ℃基底溫度情況，液滴的數(shù)量有一定增加；當(dāng)基底溫度進(jìn)一步降到5 ℃時(shí)，液滴的平均直徑增大到約為0.0453 mm，最大液滴直徑約為0.0542 mm；相比前兩種情況，液滴的數(shù)量明顯增多，生長速度加快，超疏水表面上凝結(jié)水的覆蓋面積也明顯增大，且液滴基本以近似球形狀態(tài)呈現(xiàn)，表現(xiàn)出良好的疏水性能。

圖4 超疏水表面在不同時(shí)刻不同基底溫度下液滴凝結(jié)圖

隨著凝露過程的進(jìn)行，超疏水表面上液滴的尺寸增大越來越明顯，如圖4(c)所示?；诇囟葹?5 ℃，凝露進(jìn)行到500 s時(shí)，與300 s工況相比，超疏水表面上凝結(jié)液滴數(shù)量大幅度增加，液滴的平均直徑由0.0330 mm增加到0.0640 mm，凝結(jié)水的覆蓋面積明顯增加。10 ℃時(shí)，經(jīng)過500 s的液滴冷凝，超疏水表面冷凝液滴平均直徑從0.0398 mm增加到0.0702 mm；液滴的直徑大小不一，相對較密集地分布在超疏水表面。當(dāng)基底溫度值為5 ℃時(shí)，經(jīng)過500 s冷凝后，冷凝的液滴發(fā)生凝并，液滴平均直徑明顯增大，由0.0453 mm增加到0.0758 mm，液滴最大直徑達(dá)到0.0813 mm。凝并后使得原先被凝結(jié)水覆蓋的區(qū)域變得“干”起來并保持良好的疏水性能，在這些區(qū)域上空氣中的水蒸氣，重新成核生成非常小的液滴，進(jìn)入新一輪的凝結(jié)、凝并過程。

圖5為超疏水表面在環(huán)境溫度為30 ℃、相對濕度為60%工況下，基底溫度分別為5 ℃、10 ℃和15 ℃時(shí)，凝結(jié)液滴平均直徑隨著凝露時(shí)間的變化圖。圖中標(biāo)示出了每個(gè)凝結(jié)液滴直徑測量的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖5可以直觀看出，不同基底溫度下凝露液滴平均直徑均隨時(shí)間的推移增大；而在同一時(shí)刻，基底溫度越低，超疏水表面上凝結(jié)液滴的平均直徑越大。這是因?yàn)樵谙嗤h(huán)境溫濕度工況下，冷表面基底的溫度越低，該條件下空氣露點(diǎn)溫度與之形成的溫差越大，空氣中液滴凝結(jié)成核所需要克服的成核能壘[17]越小，從而有更多的液滴凝結(jié)在冷表面上，也因?yàn)槟Y(jié)液滴的數(shù)量增多，彼此間隔減少，更易于凝并現(xiàn)象的發(fā)生。凝并后的液滴可釋放過剩的表面能，有實(shí)現(xiàn)微液滴自驅(qū)離的趨勢[18]。

圖5 不同基底溫度下冷凝液滴平均直徑隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)論

在超疏水表面凝露初期，控制環(huán)境空氣參數(shù)干球溫度30 ℃和相對濕度60%不變，選擇5 ℃、10 ℃和15 ℃這3個(gè)不同的基底溫度，分別對鋁基超疏水表面上0 s、300 s和500 s時(shí)刻的凝露形態(tài)進(jìn)行了觀測，并與10 ℃基底溫度的普通裸鋁表面凝露情況進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，不同于在裸鋁表面上形成的連續(xù)水膜，在超疏水表面上凝露液滴形成后稀疏地分布于表面，凝結(jié)水滴呈現(xiàn)出球狀不形成連續(xù)水膜，這說明該超疏水表面在凝露初期保持著良好的疏水性能，有利于液滴的滑落；另外，隨著基底溫度的降低，超疏水表面液滴生成速度加快，凝露量增多，液滴尺寸呈現(xiàn)增大；具有較低基底溫度的超疏水表面更早出現(xiàn)了液滴凝并的現(xiàn)象，增加了表面凝露更快實(shí)現(xiàn)自驅(qū)離的可能。因此，在滿足供冷效果的溫度范圍內(nèi)，較高的輻射板基底溫度可更有效地延緩凝露尺寸和數(shù)量的增長，而較低的基底溫度則可能實(shí)現(xiàn)更快速的排濕、換熱，可根據(jù)實(shí)際需要合理選擇。

[1] 康寧, 宣永梅, 殷清海. 輻射供冷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].建筑節(jié)能, 2009, 37(5): 74-76.

[2] 汪德龍, 武衛(wèi)東, 陳小嬌. 金屬基體超疏水表面抗凝露抗結(jié)霜特性的研究進(jìn)展[J]. 制冷技術(shù), 2015, 35(1): 41-47.

[3] JOHN K M. Radiant heating, radiant cooling[M]. New York: School of Architecture, Prat Institute, 1954.

[4] 李炅, 張秀平, 賈磊, 等. 輻射供冷關(guān)鍵技術(shù)的分析與討論[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(3): 16-20.

[5] SONGA D, KIMB T, SONGC S, et al. Performance evaluation of a radiant floor cooling system integrated with dehumidified ventilation[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(11): 1299-1311.

[6] 李常河, 李永安, 劉學(xué)來, 等. 地板輻射供冷系統(tǒng)地面溫度的確定[J]. 低溫建筑技術(shù), 2005(2): 94-95.

[7] 王晉生. 加裝長波高透過性薄膜的冷卻頂板/置換通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與模擬[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué), 2005.

[8] 孔祥雷, 張小松, 路詩奎. 輻射供冷空調(diào)結(jié)露問題的研究現(xiàn)狀及其對策[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2008, 27(1): 20-23.

[9] 朱備, 翟曉強(qiáng), 尹亞領(lǐng), 等. 毛細(xì)管輻射供冷的換熱及結(jié)露特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2013, 33(4): 5-10.

[10] ZHANG L Z, NIU J L. Indoor humidity behaviors associated with decoupled cooling in hot and humid climates[J]. Building and Environment, 2003, 38(1): 99-107.

[11] 李先中, 劉傳聚, 王子介. 置換通風(fēng)對地板供冷的影響[J]. 制冷技術(shù), 2004, 24(1): 37-39.

[12] STANLEY A M. Condensation issues with radiant cooling panels[G]// ASHRAE. IAQ Applications/Fall, American: ASHRAE, 2001.

[13] 楊芳. 金屬輻射冷卻頂板的研究及其應(yīng)用[D]. 長沙:湖南大學(xué), 2005.

[14] 殷平, 沈國勵(lì), 王樺. 超疏水表面防凝露[J]. 暖通空調(diào), 2006, 36(4): 50-56.

[15] 李會娟. 超疏水鋁箔的可控制備及抗凝露抗結(jié)霜性能研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

[16] HUANG L, LIU Z, GOU Y L Y. Preparation and anti-frosting performance of super-hydrophobic surface based on copper foil[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(4): 432-439.

[17] 楊劍. 抑制結(jié)霜的實(shí)驗(yàn)研究和霜層生長的模擬與預(yù)測[D]. 南京: 東南大學(xué), 2006.

[18] POMEAU Y. Représentation de la ligne de contact mobile dans les équations de la mécanique des fluides[J]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series IIB - Mechanics, 2000, 328(5): 411-416.

Experimental Study on Initial Morphology of Condensation on Aluminum Based Super-hydrophobic Surface

WU Weidong*, LWandou , WANG Delong
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on super-hydrophobic surfaces of aluminum substrate at three different substrate temperatures of 5oC, 10oC and 15oC, the droplet formation and coagulation process on the surfaces at early condensation stage were observed by a high-speed dynamic recorder. The diameter of droplets was calculated according to the pixel, and the hydrophobic properties were evaluated correspondingly. Experimental results show that, at early condensation stage on the super-hydrophobic surface, the condensate droplets distribute sparsely, not forming a continuous film of water, and the surface exhibits good hydrophobic properties within the studied substrate temperatures; the droplet formation rate is accelerated and the number of droplets is increasing with the decrease of substrate temperature; moreover, the droplet coagulation occurs earlier on the surface with lower substrate temperature, and the coagulated droplets tend to possess the ability of self-propelling, leading to forming the new dry surfaces and maintaining good hydrophobic properties. The research results may provide a reference for the optimal selection of super-hydrophobic radiation plate and surface temperature conditions.

Super-hydrophobic surface; Aluminum alloy; Condensation; Radiation plate

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.103

*武衛(wèi)東（1973-），男，教授，博士。研究方向：制冷新技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市軍工路516號動力學(xué)院一辦317，郵編：200093。聯(lián)系電話：13917527018。E-mail：ussstwwd@163.com。

本論文選自2016年第九屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會。